考慮極端情況的分布式電源對配電網保護影響評估方法

趙文龍， 徐丙垠， 哈恒旭， 于 洋

(1.山東理工大學 智能電網研究中心， 山東 淄博 255091；2.中國人民解放軍94326部隊， 山東 濟南 250000；3.SAS, Alstom Grid LTD, Stafford, UK; 4.淄博供電公司， 山東 淄博 255000)

分布式電源(Distributed Electric Resources, DER)接入配電網后，會改變配電網短路電流的幅值和分布，可能造成保護裝置的拒動或誤動[1-3].準確評估分布式電源對配電網保護的影響，可以為保護配置和整定值的調整提供依據，使配電網更好地適應DER接入，保證有源配電網的安全穩定運行.而實際有源配電網結構復雜，難以獲得確切的電網參數[4]，無法對故障電流進行精確計算，給評估DER對保護產生的具體影響帶來一定困難.

文獻[5-7]針對分布式電源的容量和接入位置等因素，探討了對配電網短路電流分布和電流保護的影響，但只考慮了同步發電機類型DER在容量或接入位置固定情況下的影響，沒有考慮其他并網類型DER的故障電流特征.文獻[8]利用PSCAD/EMTDC搭建了實際配電網、分布式電源和電流保護模型，通過仿真驗證DER對原有電流保護的影響，但僅驗證單個DER接入的情形，無法適應多個DER接入的情況.文獻[9-10]對DER接入前后相同位置發生短路故障時流過各保護裝置的短路電流大小和對保護的影響進行了比較，但其需要依賴復雜計算，不適于工程應用.

本文在分析DER短路電流特征及其短路電流對保護影響的基礎上，提出了考慮DER影響最大的極端情況下對保護影響的評估方法.

1 DER的短路電流特征

配電網故障時，DER提供的短路電流與其并網接口裝置的類型有關.根據短路電流的計算方法，DER并網裝置可以分為同步發電機(如熱電聯產機組、生物質能發電機組等)、異步發電機(如風力發電機組)、電力電子逆變裝置(簡稱逆變器，用于光伏發電等)3種類型.

1.1 同步發電機短路電流特征

同步發電機的簡化模型可以用電動勢與電抗的串聯電路表示，其短路電流水平取決于其內部電動勢、內部電抗以及外部回路阻抗(發電機與短路點之間的阻抗).同步發電機外部發生故障時，其短路電流的變化分為次暫態(0～50ms)、暫態(50ms～1s)和穩態(1s以后)三個階段.

理論分析和實測結果表明[11-12]，在并網點發生三相金屬性短路時，同步發電機輸出的起始短路電流最大可達額定電流的8～10倍，暫態階段為4～6倍，穩態階段為2～3倍.由于起始階段時間很短，而保護動作時間在1s以內，因此，影響保護的主要因素為暫態電流.考慮到故障點與DER并網點之間的實際距離、線路阻抗和非理想金屬性短路等情況的存在，將其提供的最大短路電流取為額定電流的5倍.

1.2 異步發電機短路電流特征

當配電網發生故障時，由于異步發電機失去了建立磁場所必須的無功功率，不會向電網提供穩態故障電流.但是，受到剩磁的影響，會在故障初期向電網提供暫態沖擊電流.

通過文獻[13]仿真分析可知，在并網點發生三相短路時，異步發電機的短路沖擊電流約為發電機額定電流的5～7倍，經過約3～10個周波逐漸衰減為零.當研究分析電流瞬時速斷保護時，需要計算故障后2～3個周波內的短路電流，應選擇暫態等效電路進行計算，計算時，將其提供的最大短路電流取為額定電流的5倍.

1.3 逆變器短路電流特征

逆變器型DER短路電流輸出特性與其控制策略有關.文獻[14]研究表明，逆變器型DER提供的短路電流最大為其額定電流的1.5倍.

2 DER對保護影響的極端情況

圖1所示為一典型10kV含DER的配電網結構圖.下面就DER接入后引起保護拒動和誤動的情況進行分析.

圖1 含DER的10kV配電網結構圖

2.1 DER引起保護拒動的極端情況分析

故障點(如F1)上游的DER提供的電流會抬高其并網點(PCC)電壓，使出線斷路器處的保護感受到的短路電流減少，造成保護靈敏度降低、保護區縮短，嚴重時可能引起保護拒動.故障點上游DER并網容量越大，出線電流減小值越大，對保護的影響也越大.

圖2所示為DER引起保護拒動的極端情況模型.假定各類型DER提供的短路電流幅值最大且相角相同，給定饋線的阻抗角相等.當本饋線上的所有DER接在保護出口處，即由饋線首端集中接入，故障發生在線路末端且為三相金屬性短路時，在這種情況下，相對于同等條件下DER分散接入的情形，出線電流減小值最大，保護出現拒動的可能性最大.

圖2 DER引起保護拒動的極端情況

未接入DER時，線路末端短路時主電源提供的短路電流為

(1)

圖3 故障點上游線路短路電流等效電路圖

(2)

2.2 DER引起保護誤動的極端情況分析

圖4所示為DER引起保護誤動的極端情況模型.當本饋線上的所有類型DER接在保護出口處，提供的短路電流幅值最大且相角相同，三相金屬性短路故障發生在同母線相鄰饋線始端，在這種情況下，相對于同等條件下DER分散接入的情形，反向短路電流值最大，保護出現誤動的可能性最大.

圖4 DER引起保護誤動的極端情況

可以推算，出線電流的最大值近似等于本饋線上所有DER提供的短路電流之和.

3 DER對保護影響的評估方法

3.1 DER引起保護拒動的評估方法

假設在配電網發生故障時，各DER提供的短路電流相位相同，且均為最大值，則DER提供的總的短路電流為

I∑=Is.max+Ias.max+Ipwm.max=

5Is.N+5Ias.N+1.5Ipwm.N

(3)

式中，Is.max、Ias.max、Ipwm.max分別為同步發電機、異步發電機、逆變器三種類型DER提供的最大短路電流；Is.N、Ias.N、Ipwm.N為上述三者正常運行的額定電流，I∑為DER提供的總的短路電流的最大值.

根據1.1節分析可知，DER并網后，當饋線末端故障時，流過其上游開關的短路電流減少的最大值IF.∑為

ΔIF·∑=I∑

(4)

因此，判斷保護可靠動作，不會發生拒動的條件是

Isc-I∑≥Iset

(5)

在上述情況下，DER的接入，會降低保護靈敏度，縮短I段保護的保護區范圍.

假設配電網的保護能夠保護線路全長，保護范圍的計算式為

(6)

式中：Eφ為系統等效電源的相電動勢；Zs為保護安裝處到系統等效電源之間的阻抗；z1為線路單位長度的正序阻抗；L為線路長度.

DER接入后，假設新的保護范圍長度為L′,則保護范圍的計算式變為

(7)

即

(8)

對比式(6)和式(7)可得

(9)

如果忽略系統阻抗Z，在極端情況下，保護范圍的長度L為

(10)

保護區縮短的范圍：

(11)

3.2 DER引起保護誤動的評估方法

根據1.2節分析可知，相鄰饋線故障時，DER提供的反向短路電流最大值ΔIR·∑為

ΔIR·∑=I∑

(12)

因此，判斷保護不會發生誤動的條件是：

I∑≤Iset

(13)

式(5)和(13)式共同構成了DER對保護影響的評估依據.

4 算例仿真

4.1 網絡結構與算例參數

如圖5所示為某10kV配電網，系統基準容量100MVA，基準電壓10.5kV，內部電抗為L=0.000 4H.線路均為架空線路，導線類型均為LGJ-240鋼芯鋁絞線，線路參數x1=0.369Ω/km，r1=0.138Ω/km.

圖5 10kV含DER的配電網模型

饋線1上的B、C、D和E四個點接有并網DER，各DER的參數如下(未標單位的均為標幺值)：

1)光伏陣列DER1通過PWM逆變器接入電網，額定容量為1MVA，并網點電壓為10kV，頻率為50Hz，額定電流為57.7A，允許過電流倍數為1.3.

2)DER2和DER3為柴油發電機，采用同步發電機接入電網，額定容量為1.5MW，額定電壓為10.5kV，額定電流為90A.

3)風力發電DER4采用雙饋異步發電機接入電網，額定功率為500kW，額定電壓為10.5kV，額定電流35A.

饋線末端接有額定容量為20MVA，額定功率因數為0.85的負荷.保護1的I段整定值為6kA，Ⅲ段整定值為1.2kA.計算各DER可提供的短路電流最大值見表1.

表1 各DER提供的短路電流最大值 A

由表1可知，DER提供的總的短路電流的最大值I∑=1162A.

依據式(5)和式(13)分別對DER接入后保護產生的影響進行評估.經計算可知，饋線1故障時，保護1的Ⅲ段保護能夠可靠動作；饋線2故障時，I段和Ⅲ段保護均不會誤動.但是，I段保護的靈敏度降低，保護區會縮短，由式(10)計算得，保護區縮短的范圍L%=16.22%.

4.2 仿真結果分析

通過Matlab/Simulink建模如圖6所示.為便于分析，以電壓源與電抗串聯的形式表示各并網類型DER的簡化模型，以保證使其能夠提供最大短路電流設置模塊參數.F1與F2分別表示可能給保護帶來影響的極端情況的故障位置.

表2反映了在DER接入前后，在線路長度的100%、90%、85%和80%發生三相金屬性短路時，保護感受到的短路電流.

表2 饋線不同位置三相短路時流過保護的短路電流

由表2可知，DER接入配電網之后，當饋線末端發生三相短路時，流經出線保護的短路電流有所減少，保護區縮短，縮短范圍L%≈11%.由于DER的接入較為分散且存在線路阻抗，經過仿真得出的保護區縮短范圍較之前評估方法計算得到的值有所減少，誤差約為5%.如果同步發電機比例較大且多接在饋線上游，則誤差將會變小，更接近計算值.

圖6 含DER簡化模型的仿真示意圖

F2點發生三相金屬性短路情況下DER接入前后的短路電流見表3.

表3 F2點三相短路時流過保護的短路電流

由表3可知，DER接入之后，當相鄰線路靠近母線處發生三相短路時，當前情況下，DER提供的反向短路電流值小于保護整定值，保護不會發生誤動作.

5 結束語

含分布式電源的配電網保護影響評估對于DER更好地接入配電網具有重要意義.本文針對DER對配電網保護產生的具體影響，提出了對保護影響的評估方法.該方法的主要特點是不需借助于復雜的潮流計算和故障分析獲得故障電流，僅需建立含DER的對保護影響最大情形的極端情況的配網模型，將DER所能提供的短路電流作為一個整體進行估算，計算出DER接入對I段保護保護區的縮短范圍，判斷相鄰線路故障時本線路的反向短路電流是否引起保護誤動.該評估方法原理簡單、通用性強，且計算速度快，適合于工程上進行評估.

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