含分布式電源的主動配電網(wǎng)故障分析與保護

王馨宇

（國網(wǎng)寧夏電力公司 吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100）

1 分布式電源

1.1 分布式電源及其分類

分布式電源在發(fā)展中呈現(xiàn)出多樣化特征，包括風(fēng)力發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電、光伏發(fā)電以及燃料電池發(fā)電等。發(fā)電功率超過千瓦級別，能達到幾十兆瓦級別，并網(wǎng)方式主要包括逆變器并網(wǎng)和旋轉(zhuǎn)直接并網(wǎng)兩種類型。

近年來，我國新型可再生清潔能源進一步發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電被提上國家日程，其具有環(huán)保和成本低等典型優(yōu)勢，符合當(dāng)前發(fā)電廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，也滿足效益最大化要求，未來將不斷加強相關(guān)建設(shè)。微型燃氣輪機發(fā)電效率較高，給環(huán)境帶來的污染小，體積小且運維簡單，在分布式電源中廣泛應(yīng)用。光伏發(fā)電是將太陽能經(jīng)設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，在白天的時候光伏設(shè)備能夠采集太陽能并進行能量轉(zhuǎn)化，將生成的電能暫存在電網(wǎng)當(dāng)中，然后夜晚電網(wǎng)能將這些存儲的能量提供給客戶使用。光伏發(fā)電具有無污染、規(guī)模靈活以及不受地域限制等眾多優(yōu)點。燃料電池通過輸送燃料及相應(yīng)的助燃氧化劑從而實現(xiàn)發(fā)電，能夠?qū)崿F(xiàn)由化學(xué)能向電能及熱能的有效轉(zhuǎn)化[1-3]。

1.2 分布式電源特性

分布式電源能夠?qū)崿F(xiàn)35 kV及以下配電網(wǎng)的能量雙向轉(zhuǎn)換，和傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比其屬于小型電源。為促進電網(wǎng)發(fā)展必須充分利用這種便捷化和小型化的新型可再生電源，其具有如下典型優(yōu)勢。

1.2.1 經(jīng)濟性

為滿足電力用戶實際用電需求，需要在負荷中心用戶側(cè)科學(xué)配置分布式電源，以此降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、線路損耗以及網(wǎng)絡(luò)損耗，另外因建設(shè)時間短和后期維護簡單等因素更進一步降低了成本，提高了經(jīng)濟性。

1.2.2 靈活性

分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的不同模塊相對獨立，具有維護簡單、管理方便、開停機迅速以及調(diào)節(jié)靈活的典型優(yōu)勢，在滿足用戶多級供電和削峰填谷方面也具有獨特優(yōu)勢。

1.2.3 安全性

隨著時代發(fā)展目前能夠應(yīng)用于分布式電源并網(wǎng)的種類與方式也越來越多，其合理配置與應(yīng)用實現(xiàn)了和傳統(tǒng)能源的有效協(xié)同，共同滿足配電網(wǎng)和用戶需求，在能源危機化解和需求滿足方面均起到不可替代的作用。分布式電源在并網(wǎng)中比較分散，分布式電源這種分散排布方式提高了電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)故障的能力，也提升了抵御意外災(zāi)害的能力。

1.2.4 環(huán)保性

在分布式電源中主要利用風(fēng)能和光伏等眾多新型可再生能源，實現(xiàn)了傳統(tǒng)化石資源的有效替代，減少了二氧化碳等污染氣體的排放，在降污減排方面起到積極作用。

2 分布式電源接入對主動配電網(wǎng)的影響

2.1 分布式發(fā)電對電能質(zhì)量的影響

分布式電源的主要應(yīng)用是應(yīng)對配電網(wǎng)故障問題，為故障及意外停電提供能量儲備。在分布式電源的接入和并網(wǎng)過程中，會因各種電子設(shè)備和元器件的應(yīng)用導(dǎo)致電網(wǎng)線路中出現(xiàn)非線性負載，甚至可能會產(chǎn)生諧波污染，影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量。另外分布式電源在配電網(wǎng)中的接入也影響了傳統(tǒng)備用電源發(fā)電方式。分布式發(fā)電系統(tǒng)備用發(fā)電方式如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)備用發(fā)電方式

分布式電源接入與并網(wǎng)會對配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，其影響主要集中在以下兩個方面。

2.1.1 分布式電源對電壓波動的影響

在配電網(wǎng)中引入分布式電源在電壓波動頻率抑制方面具有積極作用。如果配電網(wǎng)中出現(xiàn)沖擊性投切分布式電源進行作用，那么會極大削弱配電網(wǎng)電壓波動。若用戶側(cè)電荷發(fā)生波動或變化，分布式電源輸出功率會進行科學(xué)調(diào)整，通過補償負荷功率波動實現(xiàn)對電壓波動抑制。分布式電源在配電網(wǎng)中的接入基于就近接入原則，以便更加便捷地為用戶供電，實現(xiàn)用戶用電設(shè)備的無功功率補償，這種方法在輸電損耗方面具有極大優(yōu)越性。此外往往通過節(jié)點儲能設(shè)置降低和減少輸電損耗，通過調(diào)整負荷的無功功率波動，實現(xiàn)電壓波動的有效抑制。

2.1.2 分布式電源對諧波問題的影響

基波和諧波共同作用，電網(wǎng)周期性震蕩。在分布式電源及配電網(wǎng)的正常運行中，分布式電源實際扮演著諧波源的角色。在分布式電源并網(wǎng)過程中不可避免會產(chǎn)生諧波，在很多特殊情況下還可能進一步增加諧波數(shù)量。在分布式電源接入以及其諧波對配電網(wǎng)產(chǎn)生直接影響時，配電網(wǎng)參數(shù)會因此發(fā)生改變。一般配電網(wǎng)中分布式電源并網(wǎng)位置和用電負荷之間的距離越近，諧波在供電質(zhì)量方面的影響會越大。在分布式電源中合理應(yīng)用并合理安排位置和數(shù)量，能有效降低諧波諧振發(fā)生的機率。

2.2 分布式發(fā)電對優(yōu)質(zhì)電力的影響

分布式電源容量合理，保證電網(wǎng)發(fā)電機能正常供電啟動，在配電網(wǎng)中引入分布式電源后能夠更好地應(yīng)對配電網(wǎng)故障及斷電問題。分布式電源的引入保障了配電網(wǎng)質(zhì)量，從而避免不必要損失，但微燃機和燃料分布式電源在階躍負荷方面不能起到應(yīng)有的作用。

為解決重合閘問題必須在分布式電源和主網(wǎng)并網(wǎng)過程中進行科學(xué)必要的互連繼電保護，為提高敏感負荷的可靠性及應(yīng)用性需要保障分布式電源具有足夠的冗余度。此外，在分布式電源的接入及并網(wǎng)應(yīng)用中，必須充分考慮用電質(zhì)量和用電可靠性，保證其滿足要求[4]。

3 分布式電源并網(wǎng)模式對主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)的影響

就當(dāng)前配電網(wǎng)中分布式電源的并網(wǎng)存在“黑啟動”以及接入中的不能自啟動問題，結(jié)合實際分布式電源接入并網(wǎng)情況，輔以理論研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)并網(wǎng)接入的不同類型其對配電網(wǎng)故障恢復(fù)可能產(chǎn)生不同影響，主要集中在以下3個方面。

3.1 可自啟動分布式電源對主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)的影響

分布式電源在配電網(wǎng)中并網(wǎng)的時候，若全部采用可自啟動分布式電源，那么配電網(wǎng)在發(fā)生故障或者問題的情況下，需要將所有分布式電源進行并網(wǎng)供電，保障配網(wǎng)穩(wěn)定運行。如圖2所示，圖中的3個分布式電源均為可自啟動分布電源，在配網(wǎng)中的位置7和位置8處發(fā)生故障時，3個可自啟動分布式電源仍然能夠和主網(wǎng)進行并網(wǎng)運行。在主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)模型構(gòu)建中需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)損耗和供電負荷等問題，最終能夠保證盡可能多的分布式電源并網(wǎng)運行，基于此構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)模型。

圖2 所有的分布式電源均為可自啟動分布式電源配電網(wǎng)

3.2 不可自啟動分布式電源對主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)的影響

如果配電網(wǎng)中進行接入的時候全部采用不可啟動分布式電源，那么會導(dǎo)致配電網(wǎng)和分布式電源出現(xiàn)隔離情形，分布式電源和自啟動運行機組獨立運行沒有協(xié)調(diào)配合，導(dǎo)致配電網(wǎng)和分布式電源孤島運行現(xiàn)象，因此進行這一方面的研究意義不大。

3.3 兩者聯(lián)合應(yīng)用對配電網(wǎng)故障恢復(fù)的影響

圖3中顯示的配電網(wǎng)中綜合運用了不可自啟動分布式電源和可自啟動分布式電源，其中分布式電源1和2為可自啟動分布式電源，3屬于不可自啟動類型，因此在7和8出現(xiàn)問題及故障的時候，不可自啟動分布式電源3進行動作，實現(xiàn)退網(wǎng)，分布式電源1和2仍然會和主網(wǎng)進行主網(wǎng)并網(wǎng)運行操作。就不同類型分布式電源的動作實現(xiàn)了和配電網(wǎng)自啟動機組的協(xié)調(diào)配合，有效保障了用戶用電。基于前面分析能夠發(fā)現(xiàn)必須進行目標(biāo)函數(shù)模型的構(gòu)建及優(yōu)化，尤為注重供電負荷恢復(fù)、減少操作動作次數(shù)以及降低減少網(wǎng)絡(luò)損耗等問題，另外還應(yīng)該將用戶平均停電時間最小化作為模型構(gòu)建的重要目標(biāo)之一。

圖3 分布式電源不全為可自啟動分布式電源配電網(wǎng)

4 含DG配電網(wǎng)故障恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

4.1 能源互聯(lián)網(wǎng)提升配電網(wǎng)故障恢復(fù)水平

隨著分布式電源的研究與發(fā)展，配電網(wǎng)建設(shè)中分布式電源故障自愈能力的研究也不斷深入，尤其是基于光伏和風(fēng)能等新能源的互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成為當(dāng)前配電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展大勢。能源互聯(lián)網(wǎng)具有信息量大、延時大以及數(shù)據(jù)維度大等典型特征，能源互聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用有效提高了配電網(wǎng)故障恢復(fù)水平。當(dāng)前為適應(yīng)分布式電源并網(wǎng)的實際需求，必須進一步加強基于智能算法的能源互聯(lián)網(wǎng)故障自愈技術(shù)發(fā)展與研究。

4.2 多種能源協(xié)同優(yōu)化提升配電網(wǎng)故障恢復(fù)

在分布式電源并網(wǎng)中還必須要注重主動配電系統(tǒng)的故障恢復(fù)，加強對分布式電源并網(wǎng)的主動管理和主動控制。當(dāng)前風(fēng)能和光伏能源不斷發(fā)展，更應(yīng)該注重不同能源的協(xié)同優(yōu)化，以提升綜合能源效率和資產(chǎn)利用率。目前，光伏分布式電源和風(fēng)能分布式電源應(yīng)用分散，為有效解決分布式電源并網(wǎng)接入的故障恢復(fù)，必須加強智能算法研究與應(yīng)用，建議將DG間歇出力、潮流波動隨機、儲能以及可控性負荷等因素納入最優(yōu)智能算法，然后將智能算法應(yīng)用于分布式電源協(xié)同優(yōu)化，同時加強主動控制與管理，從而保證整個配電網(wǎng)和分布式電源并網(wǎng)的科學(xué)運行[5]。

4.3 電力大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)應(yīng)用促進配電網(wǎng)故障恢復(fù)

云計算技術(shù)、電力大數(shù)據(jù)的發(fā)展和應(yīng)用為分布式電源并網(wǎng)以及并網(wǎng)后的故障恢復(fù)提供了技術(shù)支持。科學(xué)使用新技術(shù)能夠進一步提升智能電網(wǎng)發(fā)展水平，而智能電網(wǎng)發(fā)展水平的提高又將反饋推動云計算技術(shù)和電力大數(shù)據(jù)技術(shù)的革新，形成閉環(huán)機制，不斷優(yōu)化提升故障恢復(fù)水平。

5 結(jié) 論

分布式電源并網(wǎng)促進了配電網(wǎng)的發(fā)展，但分布式電源并網(wǎng)發(fā)展中也存在一些問題，為進一步加強配電網(wǎng)故障恢復(fù)必須完善相關(guān)模型，加強算法研究與應(yīng)用。同時，云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展也為分布式電源并網(wǎng)和故障恢復(fù)提供了支持，未來將不斷加強該方面研究。