基于分布式发电的电网故障下并网控制策略研究

摘要　随着工业技术的迅猛发展，分布式发电系统的开发和利用越来越受到人们的重视。文章针对分布式发电电网在生产实际中常见的故障进行分析和比较，并在此基础上提出相应的并网控制策略，这将对基于分布式发电的电网故障下并网运行与及时恢复具有重要的实际意义和指导作用。

关键词　分布式发电　故障　并网　控制策略

引言

分布式发电(Distributed Generation，DG)一般是指为满足某些终端用户的需求、采用接在用户侧附近的小型发电机组进行发电的一种方式。这些小型发电机组规模一般不大，大约在几十千瓦到几十兆瓦。一般而言，分布式电源是直接接入配电系统(380V或10kV配电系统)并网运行或采取独立运行的方式。与传统的高压远距离输电系统的大型电站相比，分布式发电系统更靠近用户，不需要高压输电系统，从而可使基础设施的投资大大减小，并且建设快，运行费用低，提高了供电的可靠性和电力质量。常见的DG的形式包括了一些采用天然气、氢气、太阳能、风能等具有环境友好特性的能源，因此这种发电技术是一种可利用多种能源的技术。此外，为了提高能源的利用效率和降低成本，往往采用冷热电三联供(Coinbmed，Cooling，Heather and Power，CCHP)的形式，因此从能源利用、节能和环保角度来看，这种发电技术都被认为是一种极有发展前途的发电技术。

1　电网中常见的故障

1.1故障概述

电力系统可能发生的故障类型比较多，其中短路故障是电力系统中最常见、危害最严重的故障。短路是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的短接。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的，如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，就称电力系统发生了短路故障。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。

1.2故障主要的种类及分析

电力系统中可能发生的短路有两类：对称短路和不对称短路。对称短路即为三相短路；不对称短路则包含单相接地短路、两相短路和两相接地短路。电力系统的运行经验表明，短路故障主要是单相接地短路。

(1)单相接地短路

单相接地短路是最常见的故障，约占全部故障的80％以上。对于中性点直接接地系统，发生单相接地时，要求迅速切除故障点。对于中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统，发生单相接地时，允许短时间带电运行，但要求尽快寻找接地点，将接地部分退出运行并进行处理。

(2)两相接地短路

两相接地短路一般不会超过全部故障机率的10％。

在中性点直接接地系统中，这种故障多在同一地点发生；在中性点非直接接地系统中，常见情况是先发生一点接地，而后其他两相对地电压升高，在绝缘薄弱处形成第二接地点，此两点多数不在同一点。

(3)两相短路及三相短路

两相短路及三相短路相对较少，一般不超过全部故障机率的5％，但这种故障比较严重，故障发生后要求更迅速的切除。

(4)转换性故障、重叠故障

当发生以上几种故障后，往往由于故障的演变和扩大，可能由一种故障转换为另一种故障，或发生两种或两种以上的重叠性故障，这种故障约占全部故障机率的5％以下。

1.3故障带来的危害

随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下几个方面：

(1)短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使其发热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏。

(2)很大的短路电流通过导体时，将引起导体问很大的机械应力，如果导体和它们的支架不够坚固，则可能遭到破坏。

(3)短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的负荷是异步电动机，它的电磁转矩同它的端电压平方成正比，电压下降时，电磁转矩将显著降低，使电动机停转，以致造成产品报废以及设备损坏等严重后果。

(4)当电力系统中发生短路时，有可能使并列运行的发电厂(发电机)失去同步，破坏系统的稳定性，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大片地区的停电，这是短路故障最严重的后果。

(5)不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，会在邻近的平行线路(如通信线路、铁道信号系统等)内感应出很大的电动势，这将造成对通信的干扰，并危及设备和人身的安全。

2　针对电网常见故障情况下的并网控制策略

一个电网系统一般连接有多个分布式电源，这样很容易导致系统的不稳定。而电网中最严重的故障是短路故障，包括单相短路、两相短路、两相接地短路和三相短路，因此研究电网短路故障下的并网控制是很有意义的。

2.1统一功率因数控制方式

电网故障时分布式发电系统可以采用的一种控制策略就是在故障期间保持统一的功率因数。向网端输送最大有功功率时，其电流设置可以按下式计算：

I=gu (1)

g=p／u2

式中：g――逆变器输出端的等效瞬态电导；

u――三相电压向量u的模，u的值在三相电压均为正弦波，且三相平衡时是一个常数。

然而，当电网故障时，逆序分量将产生一个二倍频的波动。从而注入电网的电流将不再保持正弦波形，而是含有大量高频谐波信号。

由(1)式知，电流向量每个瞬时均与电压向量保持正比关系，不包含任何与电网电压正交的分量，因此只向电网输送有功功率，而不向电网输送无功功率。故在这种控制方式下，有功功率和无功功率在故障期间都保持恒定，功率因数是常数。

2.2正序跟踪控制方式

故障时另一种可行的控制策略是随动态式跟踪电压的正序电压。与统一功率因数控制相反，在这种控制策略中，需要一个PLL系统来检测电网的不平衡状态。另外，该系统也需要对故障引起的非平衡充分鲁棒并且能够检测出电网电压的正序分量。同步锁相环PLL即为满足这种要求的一种方式。此时的唯一问题是直流侧电压的二次谐波扰动，它对正序参考电流的产生有一定影响。不过我们可以采用数字滤波器来滤除这些扰动信号，从而不对系统引入任何延迟。不管在哪种情形下，当故障发生时在直流侧部分采用电容来消除二次谐波扰动都是必须的，否则，极易发生设备故障。

在这种控制策略下，分布式电源电流在故障时将始终保持平衡的正弦波形，只因电网电压的衰减，分布式电源的电压幅值会升高。不过，不管在哪种情形下，整个故障期间无功功率和有功功率都会有二倍频的波动。

2.3恒定有功功率控制方式

还有一种在故障情形下可采用的控制策略是保持有功功率恒定控制方式。在非平衡故障时，电网电压将同时包含正序和负序分量。类似的，电网电流也将变成非平衡的，从而无功功率和有功功率同时都包含有二次谐波分量的波动。此时，若在参考电流中注入一定的负序分量，可以方便地得到对二次谐波的补偿，从而使有功功率在故障期间保持恒定。

In=IPUn／Upi　(2)

式中下标p和n表示正序和负序分量。

考虑到这种控制方式有可能应用到采用比例一积分(PI)控制器对电流进行校正的控制结构中，一般还需要单独的负序电流控制器对负序电流进行额外的校正。

基于PR控制器的控制结构中，负序电流分量可以非常方便地引入参考电流中，这是因为这种控制器能够同时对正序和负序信号进行校正，这为系统的实现提供了很大的方便。然而，需要指出的是，在功率(无功或有功)恒定的控制策略中，电网电流在故障期间是非平衡的，而且在有功功率恒定的控制方式中，无功功率将承受大幅度的二次波动。

2.4恒定无功功率控制方式

在恒定无功功率控制方式下用于消除二次谐波波动的无功功率表达式和在恒定有功功率控制时非常相似，因为此时很容易通过计算得到正交于电网电压向量的电流向量，所以当需要在分布式发电系统和电网之间交换无功功率时，可以方便地对无功功率进行独立的控制。当检测到电网故障时，无功功率的参考信号要从O变换到设定值。

3　结束语

随着电力系统规模的日益扩大、用户对电能需求的日益增大，分布式发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在现代电力系统中占有越来越重要的地位。因此针对电网中发生的常见故障采取适当的并网控制策略就显得尤为重要，我们应根据分布式发电的新形势、新情况灵活的选择和搭配并网控制的策略方案，这样才能最高效的利用宝贵的电力能源。