分布式电源接入配电网容量及保护研究

分布式电源接入配电网容量及保护研究

操胜曹杰赵任胡强

操胜曹杰赵任胡强

国网安徽省电力有限公司阜阳供电公司安徽阜阳236000

摘要：分布式电源包括风能、太阳能、生物质能、地热能等多种可再生能源，容量一般为几十kV至几十MV。DG接入配电网后，会使原来的单电源辐射网络变成多电源网络，影响网络结构和潮流分布。当含有DG的配电网发生故障时，系统电源和DG可能同时向短路点提供短路电流，从而使短路水平发生变化。这些变化会影响原来配备的继电保护，DG的存在会使这些保护出现误动、拒动，使保护失去选择性，降低灵敏度。

关键词：分布式电源；配电网；保护

引言

目前，随着风能、太阳能等新能源的蓬勃发展，分布式电源（DistributedGeneration，DG）在配电网中的接入容量越来越大，使得配电网中潮流不再如单电源网络一般沿各辐射支路单方向流动，同时改变了故障情况下短路电流的大小和方向，传统的三段式电流保护可靠性已经无法满足要求，继电保护装置具有误动或拒动的可能性，甚至会造成故障蔓延，扩大停电范围，严重影响配电网的供电可靠性。因此，从高效利用新能源和配电网安全稳定运行综合考虑，对DG在配电网中的接入容量和接入地点的研究，具有十分重要的现实意义。

1分布式电源的主要特点

第一，分布式电源是一种容量特别小的即插即用型发电单元；第二，相对于传统的大机组，分布式电源的本体控制相对于传统大机组比较弱，在一定程度上只是大机组的负负载；第三，分布式电源的接入点和接入方式与传统电源不一样，接入点一般是在配电系统内；第四，分布式电源可以与环境相容，同时还可以实现能源再生利用，对世界上一直关注的环保问题具有重大作用，充分实现能源再生也是分布式电源系统研究的重要方向；第五，分布式电源的快速发展离不开电力电子技术的进步，特别是对电源研究加大了科技投入；第六，分布式电源的接入容易引发电压闪变、谐波等电能质量问题，如何改善这方面的问题也是分布式电源研究的重要项目。

在接入配电系统之后改变了原有的结构，还有接线方式，由一个电源供电变为多个电源，这样就使得系统故障变得复杂了，当有短路时候，两个以上电源都提供短路电流，扰乱了原有的继电保护方式，本文对各种不同情况下分布式电源接入情况进行分析，提出改进方法。

2分布式电源容量对配电网的影响

图1含DG配电网简化图

根据分布式电源接入配电网的容量大小、不同位置，结合保护安装位置、不同点短路，其产生影响各不相同。本文主要考虑同步类型DG接在分段母线处，以一配电网为研究对象，如图1所示，分析在不改变原有配电网保护配置情况下DG接入容量应满足的要求。在图1中，SG为系统电源，DG为分布式电源，母线电压为10.5kV，Zs为母线A到系统等效电源之间的阻抗，Zdg为分布式电源等效阻抗，其他为线路阻抗，忽略运行方式不同产生的影响，分析当线路AB、CD末端发生三相短路故障时（如图1中f1、f3），不同分布式电源容量对电流保护的影响。

设Sdg为DG接入容量，Edg为DG等效相电势，于是，其关系如公式（1）所示：

由公式（6）可以看出，假设Edg标幺值为1，忽略运行方式改变，即Zs不变，忽略相位较小偏差以及负荷电流大小，则Ik与Sdg近似是线性关系。由图1可知，当线路CD出口f3处发生三相短路时，如果短路电流Icd不超过原本整定值范围，必将增强保护的灵敏性，但是短路电流Icd可能超过本线路的Ⅰ段电流值IⅠcd，此时将引起本线路断路器误动，从而使保护失去了选择性。因此，在不改变原有保护配置的情况下，可以通过Ik与Sdg近似线性这一关系，根据接入DG容量Sdg来调整电流保护整定值，确保满足灵敏性和选择性。

3考虑电流保护可靠性的分布式电源准入容量分析模型

当电网发生短路故障时，同步电机型分布式电源的注入电流对系统短路电流大小和方向的影响最显著。目前，研究分布式电源接入配电网对短路电流的影响时多采用电压源串联电抗的模型来代表DG的短路电流模型，且视同步发电机的暂态电抗和次暂态电抗为固定值，与容量无关，与实际情况不一致。本文利用DigSILETT/Powerfactory电力系统仿真软件的机电暂态功能计算同步发电机型分布式电源接入配电网后的短路电流。首先在DigSILENT中建立1MW的小型同步发电机模型，然后通过增加并列机组数来改变分布式电源的容量，构成如图2所示的配电网结构。

若单个DG接入2号母线，综合考虑因DG接入点和故障点的相对位置（上游、下游、相邻线路）的差异，对电流保护装置动作灵敏度造成的不同影响，建立配电网对分布式电源的最大准入容量的数学模型，以最大可接纳容量maxSDG为目标函数进行分析。当故障发生在不同位置时，所配置的电流保护装置是否应该动作的逻辑如表1所示。表1中，Ki（i=1，…，5）是配电网内5条线路所配置的电流保护装置。每段线路长度均为4km。假设外部电网短路容量为100MV·A，根据三段式电流保护的整定原则对保护装置各段的动作电流及动作时限进行整定计算，并进行灵敏度系数校验，结果如表2所示。

表2保护各段动作电流及时限

为不失一般性，首先考虑分布式电源接入2号母线时，故障发生在不同位置时各电流保护装置的动作与否和分布式电源的最大准入容量，仿真结果如表3所示，其中“/”表示该保护装置对分布式电源的准入容量没有限制。

表3DG接入母线2时的最大可接入容量

若分布式电源接入1号母线，经仿真分析得其最大可接入容量如表4所示。

由表4可知，若分布式电源接入1号母线，线路3~4之间或4号母线处短路，由于保护K2上游的分布式电源对流过保护K2的短路电流有助增作用，有可能使K2的保护范围延伸到下游线路而发生误动。在这种情况下为保证保护装置动作可靠性，最多可以接入1号母线17MV·A的同步发电机。同理可以计算得到分布式电源接入3~6号母线时，在保证电流保护装置可靠动作前提下，各母线对分布式电源的准入容量如表5所示。

表4DG接入母线1时的最大可接入容量

表5各母线对DG的准入容量

由表5可以看出，1号母线（系统母线）对分布式电源的准入容量最大，在不改变现有三段式电流保护整定值的前提下，最多可以接入17MV·A的同步电机型分布式电源，其次是5号和6号母线。其余母线对DG的准入容量有限，比如2号母线和4号母线分别仅有1MV·A和3MV·A。

4改进措施

在分布式电源两侧加装一些元件，在保护的那侧加装断路器，当一段线路两端功率一负一正，则可以判断为这个区域内故障，对于下游的可以将它当做增助电源，重新进行整定，第二就是加装故障限流器。

结语

DG为电网引进了可持续发展的、洁净的新能源，但同时给电网继电保护运行带来了很大的挑战。如何有效地管理和控制DG，使其对电网稳定运行的影响尽可能小，是未来分布式电源继续发展的研究重点。本文首先分析了配电网接入DG后继电保护特性的改变情况，并理论分析了不同接入容量和不同接入地点对继电保护特性的不同影响，同时结合目前已有的研究成果讨论了DG未来的研究方向，并给出了有益的建议。

参考文献：

[1]张艳霞，代凤仙．含分布式电源配电网的馈线保护新方案[J]．电力系统自动化，2009，33（12）：71－74．

[2]杨义，周羽生．含分布式电源的配电网继电保护配置改进[J].电力建设，2012，33（4）：20－23．