分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響分析

張紅生 孫鳳茹

(1蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2蘭州城市學(xué)院城市經(jīng)濟(jì)與旅游文化學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)代社會(huì)中，由于化石燃料的日益枯竭和全球變暖等環(huán)境問(wèn)題，可再生能源成為大力投資和開(kāi)發(fā)的對(duì)象。利用可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電(Distributed generation，DG)技術(shù)得到快速發(fā)展[1]。大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合被世界許多能源、電力專家公認(rèn)為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。在國(guó)際上，分布式發(fā)電技術(shù)被稱為是一場(chǎng)改變電力工業(yè)面貌的革命[2]。

分布式電源的接入同時(shí)給電力系統(tǒng)的控制和運(yùn)行帶來(lái)了影響，其中分布式發(fā)電對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響就是很重要的一個(gè)方面[3]。傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)必須做出調(diào)整和改進(jìn)以滿足分布式電源的接入要求，深入研究分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文分析了分布式發(fā)電不同接入位置對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)的影響，并應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響分析

由瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)組成的傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)在配電系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，可以說(shuō)是無(wú)處不在的。但是也存在受系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路接線方式影響較大的缺陷。分布式電源并入配電系統(tǒng)后，配電網(wǎng)由單電源變成雙電源或者多電源系統(tǒng)，因此當(dāng)它的潮流分布發(fā)生變化，從而造成當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障的電流大小和方向也會(huì)發(fā)生改變。下面分析DG以不同接入位置接入配電網(wǎng)后對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。

1.1 在線路中間位置并入DG

由圖1可知，分布式電源和系統(tǒng)之間的AB區(qū)段為雙電源供電，其他的AC等區(qū)段還是單電源供電，ZS是系統(tǒng)阻抗，R1-R4為保護(hù)裝置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短故障的位置不同時(shí)分布式電源的存在對(duì)各保護(hù)的影響也是不一樣的，具體見(jiàn)下述分析。

圖1 在線路中間并入DG

1）DG上游K1點(diǎn)發(fā)生短路故障

由圖1可知，K1點(diǎn)在分布式電源的上游，當(dāng)K1處發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)R3、R4在另一條饋線上，其保護(hù)動(dòng)作和DG的存在與否無(wú)關(guān)。對(duì)于R1流過(guò)的短路電流只是由系統(tǒng)S提供，保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作和DG的存在與否是無(wú)關(guān)的，但線路右側(cè)無(wú)保護(hù)配置，只能依靠DG的保護(hù)切除DG，影響供電可靠性。

2) DG下游K2點(diǎn)發(fā)生短路故障

由圖1可知，K2點(diǎn)位于分布式電源的下游，當(dāng)K2處發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)R3、R4的動(dòng)作和DG的存在與否是無(wú)關(guān)的。分析可得，系統(tǒng)S和分布式電源起提供保護(hù)R2的短路電流，比未加入DG時(shí)的大，R2裝置能迅速且可靠地動(dòng)作以切除故障。和K1點(diǎn)發(fā)生短路故障的情形相同，DG的分流作用使得流過(guò)保護(hù)R1的短路電流比接入DG時(shí)減小，靈敏度降低，嚴(yán)重情況下保護(hù)R1還有可能拒動(dòng)。因此，必要時(shí)有需要的話應(yīng)該限制并入的分布式電源的容量，容量不能過(guò)大。

3) 同一母線的其他饋線K3/K4點(diǎn)發(fā)生短路故障

由圖1可知，K3/K4點(diǎn)屬于同母線的其他饋線，當(dāng)該線路發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)和分布式電源提供的短躋電流都流過(guò)保護(hù)R3/R4，電流比未加DG時(shí)增大，所以保護(hù)R3/R4可以可靠動(dòng)作切除短路故障；但由于DG并網(wǎng)容量的變化，也可能會(huì)對(duì)保護(hù)的選擇性和靈敏性之間帶來(lái)新的沖突。而R1此時(shí)也有故障電流由DG提供，隨著分布式電源容量的增大，保護(hù)R1可能會(huì)誤動(dòng)而切除本線路，造成停電范圍擴(kuò)大。

1.2 在線路末端位置并入DG

由圖2可知，分布式電源和系統(tǒng)之間的饋線L1區(qū)段為雙電源供電，其他的AC等區(qū)段還是單電源供電，Zs是系統(tǒng)阻抗，R1-R4為保護(hù)裝置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障的位置不同時(shí)，分布式電源的存在對(duì)各個(gè)保護(hù)的影響也是不一樣的。具體見(jiàn)下述分析。

圖2 在線路末端位置并入DG

DG上游K1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，R3、R4、R1的分析同1.1(1)。K1點(diǎn)故障后，通過(guò)保護(hù)R2的故障電流僅有DG提供，此時(shí)有兩種可能：是形成電力孤島，當(dāng)DG能提供足夠大的短路電流使得保護(hù)R2能可靠動(dòng)作切除故障，饋線L1由DG獨(dú)立供電，雖然這樣饋線L1的用戶就可以不用斷電，但是非人為的電力孤島會(huì)對(duì)系統(tǒng)、用戶的設(shè)備等造成危害，所以一般情況下是不允許孤島運(yùn)行的；二是采取“反孤島(anti-islanding)”策略，DG通過(guò)感應(yīng)瞬時(shí)電壓驟降或主網(wǎng)服務(wù)的中斷使得DG與系統(tǒng)解列。

DG上游K2點(diǎn)發(fā)生短路故障以及同一母線的其他饋線K3/K4點(diǎn)發(fā)生短路故障分析與1.1(3)相同。

綜上分析，配電網(wǎng)并入DG對(duì)傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)的影響主要表現(xiàn)如下：

1) 可能會(huì)導(dǎo)致非故障線路的其他線路保護(hù)的誤動(dòng)，從而使保護(hù)失去選擇性以及事故影響范圍的擴(kuò)大；

2) 可能會(huì)導(dǎo)致本線路保護(hù)的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)保護(hù)可能會(huì)拒動(dòng)。

另外可以看出：分布式電源接入配電網(wǎng)的位置及它的容量都對(duì)傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)有影響，并入系統(tǒng)的分布式電源容量不應(yīng)該太大。

2 分布式電源并網(wǎng)模型分析

從研究繼電保護(hù)的角度而言，分布式電源模型可以用一個(gè)電源串聯(lián)電抗的模型來(lái)表示。對(duì)于不同類型的分布式電源，其電抗值是有所區(qū)別的，它代表著該電源的故障電流注入能力。Philip. P. Earker研究不同類型DG的短路電流注入能力并進(jìn)行了匯總，具體結(jié)果如表1所示。

表1 各種類型分布式電源的故障電流注入能力

3 仿真分析

根據(jù)DG模型分析，在Matlab中建立如圖3所示的系統(tǒng)圖，模型為含分布式電源的配網(wǎng)圖，饋線末端為負(fù)荷。

圖3 含DG的配電系統(tǒng)圖

饋線1中，AE為架空線路(3公里)，AB段為3公里的架空線路，BC、CD均為電纜線路，長(zhǎng)度為4公里，分布式電源在母線B處接入電網(wǎng)。

1) 選取線路CD的60%處K4點(diǎn)故障來(lái)分析接入DG對(duì)下游保護(hù)的影響，經(jīng)過(guò)仿真分析，可得電源的容量S與流過(guò)保護(hù)R2的電流I2及DG提供的電流Idg的關(guān)系，如表2所示。

表2 K4點(diǎn)故障時(shí)，S、I2與Idg之間的關(guān)系

由數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，當(dāng)K4點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)R3正常動(dòng)作切除故障，但是當(dāng)S＞7MVA時(shí)，R2的定時(shí)限電流速斷保護(hù)會(huì)誤動(dòng)作，且R3的電流二段保護(hù)將失去選擇性。

表3 K2點(diǎn)故障時(shí)，S、I1與Idg之間的關(guān)系

表4 K1點(diǎn)故障時(shí)，S、I1與Idg之間的關(guān)系

2) 故障點(diǎn)K2設(shè)置在線路BC全長(zhǎng)的25%處，研究DG接入對(duì)上游保護(hù)的影響，流過(guò)R1的故障電流I1與Idg及S的關(guān)系如表3所示。分析可知，在接入DG后，隨S的增加，流過(guò)保護(hù)R1的電流減小，當(dāng)S＞8MVA時(shí)，R1不能起到后備保護(hù)的作用。

3) 當(dāng)分布式電源上游K1處故障時(shí)，S、I1及Idg的關(guān)系如表4所示。分析可知DG及下游線路將形成孤島，三段式保護(hù)將不能有效的配合其形成孤島。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上理論分析、仿真分析可以得出：分布式電源并網(wǎng)后，其下游的瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的范圍會(huì)增大，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)延伸到下游線路上，與下游的電流速斷沖突失去選擇性。同樣的，定時(shí)限電流保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)也會(huì)出現(xiàn)失去選擇性的問(wèn)題。由于分布式電源的存在，分布式電源上游的保護(hù)裝置流過(guò)的電流會(huì)減小，無(wú)法反應(yīng)其定時(shí)限電流速斷保護(hù)范內(nèi)DG的下游故障，縮小了遠(yuǎn)后備保護(hù)的范圍。而DG上游發(fā)生故障時(shí)，三段式保護(hù)將不能有效的配合其形成孤島。

[1] 李瓊慧,黃碧斌,蔣莉萍.國(guó)內(nèi)外分布式電源定義及發(fā)展現(xiàn)況對(duì)比分析[J].中國(guó)能源,2012,34(8):31-34.

[2] 龐建業(yè),夏曉賓,房牧.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].繼電器,2007,35(11):5-8.

[3] 朱雪凌,劉佳,韓菲.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,33(5):50-52.

[4] 吳博,楊明玉,趙高帥.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].電工電氣,2011,10:30-33.