典型电网故障特征分析

针对图5-1所示的辐射型电网结构，图5-2所示的分压模型可被用来模拟电网故障^[4]。图中，u_g为故障前电网电压，Z_s为电网与GCP之间的线路阻抗，Z_f为GCP和故障点之间的短路阻抗。由图5-2模型可知，故障后GCP的电压为

式中，x表示a、b、c三相；Z_f/Z_s=λe ^jα，λ的取值取决于故障点和GCP之间的距离，α又称为阻抗角，其值由电网和故障阻抗的组合决定，一般与电网结构有关，典型的α值为0°（输电系统的典型值），-20°（配电系统的典型值）和-60°（海上风电场经交流海底电缆并网结构下的最小值）^[5]。

图5-2 电网故障分压模型

5.1.2.1 对称故障

三相短路故障时，GCP电压只含正序分量，其幅值U_GCP和相位角跳变θ取决于故障点位置和阻抗角大小，其关系如图5-3所示。可见，若Z_s和Z_f的阻抗比（X/R）相同（α=0°），电网故障将会引起GCP电压幅值的跌落，但不会引起其相位角突变；故障点越远，电压幅值跌落越小。相同故障距离下，对于通过海底交流电缆并网的海上风电场，由于海底电缆的分布电容较大，可以起到无功补偿的作用，从而减小GCP电压的跌落，此结构对应的电压幅值跌落最小，但电压相位角跳变最大。

图5-3 三相短路故障下GCP电 压幅值和相位角跳变

5.1.2.2 不对称故障

不对称故障下，电网电压中会出现正序、负序和零序分量。由于图5-1中变压器T₁、T₂均采用Y/d联结，故障后零序电压被变压器隔离，不会传递到新能源发电系统的机端，因而以下分析中不考虑零序分量。正序和负序电压分量对新能源发电系统（尤其是具有旋转部件的发电系统）的影响不同，因而下面采用对称分量法分别分析故障下电网电压正序和负序电压分量的典型特征。为分析简单起见，令Zs+≈Zs-≈Z0s=Zs，Zf+≈Zf-≈Z0f=Z f。式中，上标‘+’，‘-’和‘0’分别表征正序、负序和零序分量。

根据对称分量法，三相变量可由三组正负零序对称分量叠加而成。值得注意的是，传统的对称分量法是基于系统稳态的分析方法，分析时，三相电压、电流变量可用三相稳态相量表示^[6]。各序分量与三相变量的关系可由如下变换得到。

式中，a是120°相移算子，，；、、分别为三相电压或电流相量。

对于三相线性系统，可根据对称分量法，将三相不对称系统分为三组三相对称系统（正序、负序和零序）进行分析，再由叠加原理得到整个系统的特性。由对称分量法，图5-2所示分压模型可进一步表示为图5-4所示。图中，电网电压U_gx（x=a，b，c）只含有正序分量，故障点电压U_fx（x=a，b，c）含正、负和零序分量，Zsa=Z_sb=Z_sc=Zs，Zfa=Zfb=Zfc=Zf。由对称分量法，图5-4所示的系统各电压电流变量可由图5-5中三组对称系统的相应变量叠加而得。针对图5-5所示的三组三相对称系统，其特性可用图5-6所示的单相稳态序网络来分析^[7，8]。

图5-4 电网故障的三相分压模型

图5-5 分压模型的三相序网络

1.单相对地故障

假设故障发生在a相，忽略风电场注入GCP的电流，此时b、c相开路（见图5-2），由图5-4可知[8]

进一步，由式（5-2）可知，上式可整理为边界条件

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由边界条件式（5-4），单相对地故障可由图5-7所示的复合序网络等效模型进行分析^[8]。

图5-6 三相对称系统的单相稳态序网络

图5-7 单相对地故障的复合序网络等效模型

可知，GCP的序电压分量分别为

式中，U_ga为电网故障前的a相电压相量。由于存在Y/d联结变压器，零序分量无法传递到并网发电系统的机端，因而未在上述分析中列出。

故障后三相电压分量的瞬时值可由式（5-5）所示的序电压分量和式（5-2）所示的逆变换求得。

2.相间短路故障

假设故障发生在b、c相，与单相对地故障的分析类似，可得序网络的等效模型，如图5-8所示^[8]，同样可知GCP的正负序电压分量分别为

3.两相接地故障

假设故障发生在b、c相和地之间，序网络的等效模型如图5-9所示^[8]，同样GCP的正负序电压分量分别为

图5-8 相间短路故障的序网络等效模型

图5-9 两相接地故障的序网络等效模型

令，且以为基础值，根据式（5-5）～式（5-7），不同故障类型、不同阻抗角α下的序电压分量与λ的关系如图5-10所示，图中，θ为相位角跳变。可见，GCP正序电压分量的跌落幅值随λ（故障距离）的增加而减小。相同故障距离下，三相对称故障引起的正序电压跌落最严重，而单相对地故障的影响最小，两相接地故障的情况比三相对称故障轻，但比相间短路故障严重。若Z_s、Z_f的阻抗比（X/R）相同，则GCP电压在故障前后不会出现相位角突变，若阻抗比不同，则故障后会出现相位角突变，且相位角差随着故障距离的增加而减小，最大相位角差取决于阻抗角α或电网结构。不对称故障下，GCP电压含有负序分量，然而其最大值不会超过0.5pu。若进一步考虑输电线和变压器阻抗的影响，发电机端的负序电压分量将会更小。随着故障距离的增加，负序电压分量的幅值不断减小。相同故障距离条件下，单相接地故障和两相接地故障产生的负序电压分量相同。与单相接地和两相接地故障相比，相间故障引起的负序分量最大，对某些结构的新能源并网发电系统，如半耦合型风电系统，其危害较大，将成为低电压穿越最难的一种故障类型。若α=0°，两相接地短路故障后，负序电压分量无相位角突变，单相接地故障则会引起-180°的相移。若α≠0°，负序电压的相位角突变随着故障距离的增加而增大，同样，其最大值取决于α。

图5-10 不同故障类型和距离下的序电压幅值及相位角跳变

注：3ϕ、ϕ-g、2ϕ、2ϕ-g分别表示三相、单相接地、相间和两相接地故障。