【《含分布式电源网络短路电流计算案例》5000字】

含分布式电源网络短路电流计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u17363含分布式电源网络短路电流计算案例 1147241.1分布式电源简介 1239601.1.1分布式电源的分类 191731.1.2分布式电源接入对短路电流的影响 2132831.1.3含分布式电源网络的短路电流计算方法 3114811.2分布式电源在短路电流计算中的处理 346801.2.1前推回代法 3199561.2.2基本原理 3531.2.3计算算法 7322721.3实际工程案例分析 8146811.3.1短路电流计算 8207051.3.2ETAP软件计算结果 10139011.3.3前推回代法适用性分析 10目前，含分布式电源网路的短路电流计算方法在IEC标准和ANSI标准中都没有相关条文规定。而随着分布式电源在电网中的广泛应用，其对电网的影响也应引起设计人员的注意。本章提出了一种高效的含分布式电源网络短路电流计算方法，并通过第七章所构建的ETAP仿真模型对其有效性进行验证。1.1分布式电源简介1.1.1分布式电源的分类分布式电源（DistributedGeneration,以下简称DG）按照能源类别可分为两类：（1）可再生能源DG，如风能、太阳能、水能等；（2）不可再生能源DG，如内燃机、燃气轮机、燃料电池等。目前应用较多的分布式电源有如下几种[28,29]：(1)风力发电风力发电是将风能转变为电能的技术。由于风能具有随机性，风力发电机需要配置储能装置，从而保证供电可靠性。风力发电机一般采用异步发电机转换电能以实现并网发电。在电能质量要求较高的情况，则采用整流逆变器将输出电流变为直流电，然后通过逆变器将直流电转换为符合用户需求的电流，降低风能的波动性同时也提高了电能质量。(2)光伏发电光伏发电是把太阳能转变为直流电的技术。光伏发电的强度取决于光照强度以及电池结温，因此发电量起伏较大。同时夜晚和阴雨天无法工作也使其具有一定的间歇性。PV板阵列在光伏发电中使用较多，它相当于一个直流电源，通过PWM逆变器将生成的电能转换成可供电网使用的交流电。PV板阵列本身具有伏安特性，因此必须通过控制才能获得理想的效率。同时，还需进行并网控制来提高其并网运行的可靠性。(3)燃气轮机发电燃气轮机采用可燃气体作为原料来产生电能。由于采用永磁发电机，其输出电流频率较高，因此需要利用直流交流逆变器将电流转换为工频电流。燃气轮机本身效率较低，但通过采用热电冷联供系统或与燃料电池组成联合系统，整体效率可达到80%以上。同时，环保，易安装，易维护等优势让其具备了充分的竞争力。(4)燃料电池发电燃料电池是将电池中存储的化学能转换为电能的技术。其优势在于发电效率高，并且不会排放有害物质。燃料电池通常无需移动，运行中产生的热能还可用于加热。燃料电池具有高效、环保、故障少的优点，但输出能力低，响应速度慢等劣势导致其无法直接对负载供电，只能配合其他发电方式使用。1.1.2分布式电源接入对短路电流的影响分布式电源并网后势必会对短路电流有所影响。而这个影响大小主要取决于分布式电源的数量及大小、与短路点的相对位置、线路阻抗等。电网的短路水平一旦由于分布式电源的接入发生改变，那么电网设备的容量、继电保护整定、项目投资等都会随之产生变化[30,31]。含分布式电源网络短路电流的不确定性主要体现在以下几个方面：配电网电源数量增多，从之前的少源网络变为了含分布式电源的多源网络；分布式电源与短路点的相对位置变换导致了短路电流流向的不确定性；短路故障特性改变，各类分布式电源所采用的不同控制策略决定了其复杂的故障特性；分布式电源并网的相关标准目前尚处于研究阶段，从而导致了含分布式电源网络短路电流的不确定性。1.1.3含分布式电源网络的短路电流计算方法通过查阅相关文献，本文总结了目前含分布式电源网络短路电流计算的几种常用方法，具体如下：文献[32]将分布式电源分为机组并网与逆变器并网两种激励源，同时根据叠加方法，对不同激励源作用下的网络分别进行短路电流计算，并相加得到总短路电流值。计算过程中，采用迭代算法对逆变器并网激励源作用下的短路电流分量进行计算。文献[33]对不同发电原理的DG模型进行了归纳总结；在潮流计算中，将风力发电机处理为PQU节点，光伏电池、燃料电池处理为PQ节点，燃气轮机处理为PV节点，并提出了相应的潮流计算方法。在短路电流计算中以电抗和理想电压源的组合来代表各类DG模型，运用节点导纳阵进行分布式电源的短路电流计算。文献[34]将短路故障时的鼠笼式感应发电机分解成正、负序动态电流源，形成基于端电压的感应发电机序分量动态电流源模型。对含多台感应发电机的网络，提出了对称分量迭代的短路电流计算方法。同时运用PSCAD/EMTDC软件建立感应发电机接入配电网的电磁暂态仿真模型，以验证了算法的精确性。上述计算方法主要是针对故障回路进行叠加计算，具有相当的局限性，且计算手段依赖软件编程，在实际工程设计中难以得到应用。1.2分布式电源在短路电流计算中的处理1.2.1前推回代法在潮流计算初期，前推回代法这样的顺支路算法被广泛使用；而在50年代潮流改用计算机计算后，节点方程则更受到人们的推崇。90年代初，面对树状的网络结构，电力设计人员们又重新用回了前推回代法。当用来计算放射状配电网的潮流时，前推回代法是所有算法中速度最快，且占用内存最少的[35]。含分布式电源网络通常采用放射状或树状的网络结构；在这类网络结构中，电源点至设备点间仅有单一支路。由此，在潮流计算中曾被广泛应用的“前推回代法”再次映入了我们的眼帘。而基于此方法，下文提出了一种高效的含分布式电源网络短路电流计算方法。1.2.2基本原理为了确定分布式电源（DG）对短路电流值的贡献，在故障处同样采用等效电压源的方法。图8-1为该算法的一个示例[36]。图8-1分布式电源对故障点的贡献Fig.8-1ContributiontothefaultindistributionnetworkofaDGstation图8-1配电网中F点处的三相短路故障，其初始对称电流可由下式得出：Ik其中，ZDG为相对于故障点处额定电压U而在树状网络中，从任意母线起始作为参照，所有分支均可运用上述算法。对于图8-2所示的网络，所有分支均起始于母线n0，而相对于参照母线n前序，从参照母线n0起至终端母线（n4，n5，n后序，从终端母线起至参照母线。图8-2树状网络母线图Fig.8-2Approachingthenetworkbusses由于树状网络中不存在环路，因此当短路发生时，网络可简单地分为两个区域：上游区域：位于上级电网和故障点之间，短路电流来自上级电网和分布电源；一个或多个下游区域：位于故障点和网络末端之间，对于这些区域短路电流仅来自分布电源。图8-3相对于故障点的树状网络区域Fig.8-3Areasofanarborescentnetworkwithrespecttothefaultpoint为了采用等效电压源法计算短路电流值，分布电源和上级电网均以等效阻抗代替，同时仅在正序网络的故障处引入电压源E。通过对故障处的网络进行简化，可以得到等效阻抗ZkIk由此可以算出所有分支流入的短路电流，且该计算过程同时适用于上游和下游网络区域。计算过程中，故障点可看作网络参照点；整个计算过程包含以下两步：回带：计算从发电机母线和上级电源至故障点之间的所有母线的等效阻抗；前推：从相反方向，计算故障点至发电机母线和上级电源的电路电流值。为了确定上述两步的计算表达式，接下来以图8-4所示的树状网络为例，并假定其短路故障发生在母线n处。该等效网络的分支阻抗分别以Z1图8-4树状网络：a）单线图；b）计算三相短路电流用等效系统图Fig.8-4Arborescentnetwork:a)one-linediagram;b)equivalentdiagramforcalculatingthethree-phaseshort-circuitcurrent在回带阶段，为了确定等效阻抗Zk，对母线1至n进行逐次简化从而得到所有母线的等效阻抗Zk1,Zk2图8-5母线q至r的等效简化图。a）原始系统图；b）母线q的简化图；c）母线r的简化图。Fig.8-5Reducingtheequivalentdiagramwithrespecttobussesqandr.a)theinitialdiagram;b)thereduceddiagramwithrespecttobusq;c)thereduceddiagramwithrespecttobusr.图中所有分支m都在上游区域与母线q连接，其相对零线的等效阻抗为Zkq1，Zkq2，…Zkqm。由于所有分支m的点p，p2，…1Z而由于在上游侧母线r仅与母线q相连接，因此等效阻抗ZkrZkr在前推过程中，利用式（8-2）可计算出故障处短路电流值Ik"。同时，基于回带过程中得到的母线n的等效阻抗Zkn，便可从母线n至1逐一计算得到其短路电流Ikn"Ikq而如图8-5a），从上游分支流入母线q的短路电流可分别表示为Ik如采用欧姆定律求解图8-5的电路电流，其表达式如下：IIkqi其中，母线q的电势必须由母线r的电势求得，即Vq采用这种算法时，可以从故障母线电势Vn1.2.3计算算法根据上述基本原理，含分布式电源的短路电流计算方法可基于以下步骤：建立故障母线，并基于故障点位置确定上游和下游区域。对上游和下游区域分别进行步骤3-7。布置网络元件（对每个节点建立其前序节点和前序分支）。忽略短路电流未流经的所有分支。回带：从发电机母线及上级电网母线至故障母线做如下操作：5.1根据式（8-3）计算位于上游侧的母线q的等效阻抗；5.2根据式（8-4）计算位于上游侧的母线r的等效阻抗；根据式（8-2）计算故障点处的短路电流值。前推：从故障母线至发电机母线及上级电网母线逐一计算分支电流：7.1根据式（8-6）所示的分流规则，求得位于上游区域的母线q的短路电流值。7.2根据式（8-7）所示的欧姆定律，求得流经等效阻抗的短路电流值。计算故障点处的总短路电流值。1.3实际工程案例分析1.3.1短路电流计算在第六章节采用IEC标准短路电流计算方法对工程A进行分析时，未考虑发电机启动时的情况。如果发生两台发电机同时启动的极端工况时，SS01变电所内的假定短路点d2处的短路电流则无法通过第四章节的计算方法所求得。因此本节将运用分布式电源的短路电流计算方法对发电机启动时故障点d2的短路电流进行计算。图8-6发电机启动时短路点d2处配电系统图Fig.8-6Distributionsystemdiagramatshort-circuitpointd2withDGs图8-7发电机启动时短路点d2处IkFig.8-7PositivesequencenetworkdiagramofIk第四章中已计算得到了网络图中部分元件的阻抗，其值如下：ZZZ图8-6中所示原件的相关参数分别为：（1）发电机G1，G2：额定电压11kV，额定容量1800kW；（2）变压器TA1，TA2：变比11/22kV，额定容量2500kVA。采用4.2.6章节介绍的短路阻抗计算方法可以得到其余部分的元件阻抗，其值如下：发电机变压器组阻抗：Z线缆阻抗：Z紧接着，将以上网络分别简化为上游和下游两块区域的等效网络，如图8-8；并利用前推回代法进行计算。图8-8相对于故障点d2处的网络区域图Fig.8-8Areasofnetworkwithrespecttothefaultpointd2经计算，上游区域的总等效阻抗为Zup=293.8+j347.6由此有分别计算出上、下游区域的短路电流：II从而最终得到故障点d2处短路电流值：I1.3.2ETAP软件计算结果利用本文在第七章节所建立的ETAP仿真模型，将两台发电机的投运方式由“关闭”改为“打开”，运行软件可得短路点d2处的短路电流值为16.1kA。通过将ETAP仿真结果和上节中的计算结果进行比较不难发现，两者结果比较接近，短路电流初始值相差率的绝对值为6%。因此可以认为上述含分布式电源网络的短路电流计算方法具有一定的有效性和工程实用性，可在实际工程设计过程中进行推广和运用[37]。1.3.3前推回代法适用性分析上文列举文献中所提及的含分布式电源网络短路电流计算方法主要采用节点导纳阵算法和迭代算法，两种算法的计算量均较大，且计算手段依赖软件编程；然而在实际工程设计过程中往往会遇到工期紧张的情况，若在短路计算上花费大量时间恐耽误整体项目进度。采用“前推回带法”进行含分布式电源网络短路电流计算时，忽略了分布式电源不同的故障特性，仅将其等值为传统的同步发电机模型，因此计算步骤相对简单，采用手算