路 昱，高 博，汪 玉，羅亞橋，高 亮

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090;2.安徽電力科學(xué)研究院 系統(tǒng)所，安徽 合肥 230601)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含分布式電源(Distributed Generation，DG)的配電網(wǎng)故障分析計(jì)算問(wèn)題的研究還不是很多，常用的精確的計(jì)算機(jī)算法主要有對(duì)稱分量法[1]和端口補(bǔ)償法[2]等.配電網(wǎng)故障時(shí)DG輸出的短路電流(簡(jiǎn)稱DG短路電流)與其并網(wǎng)接口裝置的類型有關(guān).[3]根據(jù)短路電流的計(jì)算方法，實(shí)際應(yīng)用中的DG并網(wǎng)裝置主要包括同步發(fā)電機(jī)(熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)等)、異步發(fā)電機(jī)(異步風(fēng)力發(fā)電機(jī))、雙饋異步發(fā)電機(jī)，以及用于光伏發(fā)電和燃料電池等裝置的電力電子逆變器幾種類型.

配電網(wǎng)中DG的接入會(huì)改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流和故障電流電壓的特征，而支持DG的接入則是智能配電網(wǎng)發(fā)展的方向.本文主要研究DG對(duì)配電網(wǎng)短路電流的貢獻(xiàn)以及對(duì)繼電保護(hù)配置與整定帶來(lái)的影響.

1 分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

DG并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的影響與DG的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級(jí)有關(guān).一般情況下，容量在250 kW及以下的DG接入380 V/400 V的低壓配電網(wǎng);容量在1～8 MW 的 DG接入10 kV等級(jí)中壓配電網(wǎng);容量更大一些的DG則接入更高電壓等級(jí)的配電網(wǎng).具體接入方式為:大容量的DG一般通過(guò)聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上，如圖1所示;對(duì)于小容量的 DG，為了減少并網(wǎng)投資，一般就近并在配電線路上，如圖2所示.其中，內(nèi)含多個(gè) DG且通過(guò)一個(gè)公共連接點(diǎn)(Point of Common Connection，PCC)與主系統(tǒng)相連的有源配電網(wǎng)稱為微電網(wǎng)(如圖1所示).當(dāng)PCC閉合時(shí)，微電網(wǎng)與大系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng) PCC與大系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行.

圖1 DG經(jīng)過(guò)聯(lián)絡(luò)線接在母線上

圖2 DG接在配電網(wǎng)線路上

DG并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的影響主要有以下2點(diǎn):

(1)影響短路電流水平 無(wú)論DG采用何種方式并網(wǎng)，有源配電網(wǎng)中的DG都會(huì)增大配電網(wǎng)的短路電流，故需要提高配電網(wǎng)的斷路器斷開(kāi)容量;

(2)帶來(lái)繼電保護(hù)問(wèn)題 并網(wǎng)DG改變了原先配電網(wǎng)的短路電流值及電流方向，將對(duì)繼電保護(hù)帶來(lái)影響.

2 不同類型DG的短路電流

2.1 同步發(fā)電機(jī)型DG

同步發(fā)電機(jī)型DG一般直接并網(wǎng)或通過(guò)變壓器并網(wǎng)，其短路暫態(tài)過(guò)程與主系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)相似，因此在計(jì)算時(shí)可以完全借用常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)短路暫態(tài)分析方法.同步發(fā)電機(jī)外部發(fā)生短路故障時(shí)，其短路電流的變化分為次暫態(tài)(0～50 ms)、暫態(tài)(0.05～1 s)與穩(wěn)態(tài)(1 s以后)這 3個(gè)階段.理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，[3]在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路約為5(p.u.)，同步發(fā)電機(jī)型 DG提供的短路電流值如表1所示.

表1 發(fā)生在并網(wǎng)點(diǎn)的三相短路的同步發(fā)電機(jī)型DG提供的短路電流值

2.2 異步發(fā)電機(jī)型DG

異步發(fā)電機(jī)型DG并網(wǎng)方式與同步發(fā)電機(jī)型DG相同.但因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流取自電網(wǎng)，故在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，并網(wǎng)的異步發(fā)電機(jī)將失去勵(lì)磁，其輸出的短路電流將經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(300～400 ms)后衰減至可以忽略的數(shù)值.異步發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)短路電流幅值與其啟動(dòng)電流基本相同.如果在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路，異步發(fā)電機(jī)在直接并網(wǎng)情況下輸出的短路電流為額定電流的5～8倍，而通過(guò)變壓器并網(wǎng)時(shí)輸出的短路電流為額定電流的3～7倍.[3]風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路電流特性如圖3所示.

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路電流特性

2.3 雙饋異步機(jī)型DG

雙饋異步機(jī)型DG直接或通過(guò)變壓器并網(wǎng).配電網(wǎng)故障時(shí)雙饋機(jī)輸出的短路電流與其發(fā)電機(jī)以及電力電子電路的設(shè)計(jì)有關(guān).在雙饋機(jī)外部發(fā)生短路時(shí)，由于電磁耦合的影響，在轉(zhuǎn)子上會(huì)引起很大的沖擊電流，這時(shí)轉(zhuǎn)子保護(hù)電路動(dòng)作，使轉(zhuǎn)子繞組短路，以避免損害轉(zhuǎn)子繞組的變換器.在轉(zhuǎn)子繞組被短路后，雙饋機(jī)呈現(xiàn)異步發(fā)電機(jī)的特性，其輸出的短路電流特征和計(jì)算方法與異步發(fā)電機(jī)類似.[4]

2.4 逆變器型DG

逆變器型DG采用逆變器直接或通過(guò)變壓器并網(wǎng).采用電力電子器件構(gòu)成的逆變器，當(dāng)檢測(cè)到有輸出過(guò)電流現(xiàn)象時(shí)(如超過(guò)1.2倍的額定電流)，立即關(guān)斷半導(dǎo)體逆變器件，并在0.5個(gè)周波內(nèi)停止輸出電流.在這種情況下，配電網(wǎng)故障時(shí)逆變器型DG對(duì)短路電流的影響將不予考慮.

3 配電網(wǎng)短路故障時(shí)的保護(hù)

一般來(lái)說(shuō)，有源配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流主要由上游電網(wǎng)提供，DG提供的短路電流可以忽略，但如果該區(qū)域中DG的滲透率較高(如大于10%)，則 DG對(duì)短路電流的影響將不能忽略.

同時(shí)，DG也會(huì)影響到繼電保護(hù)的配置及整定.在圖4所示的配電網(wǎng)中，劃分不同的保護(hù)范圍是必要的，并有必要在保護(hù)范圍的首末端裝設(shè)斷路器.

圖4 保護(hù)范圍的劃分

3.1 分布式電源區(qū)域故障

當(dāng)分布式電源區(qū)域故障時(shí)，保護(hù)在DG保護(hù)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，且變電站的繼電保護(hù)要有完備的后備保護(hù)功能.

分布式電源保護(hù)要識(shí)別并切除其區(qū)域內(nèi)的短路故障，必須快速斷開(kāi)DG在10 kV側(cè)的斷路器.采用方向過(guò)電流保護(hù)(67)可判斷分布式電源區(qū)域內(nèi)的短路電流;也可以配置不帶方向的零序電流保護(hù)(51 N)以判斷分布式電源區(qū)域內(nèi)10 kV側(cè)接地故障，其識(shí)別接地故障的條件是10 kV電網(wǎng)有足夠的電容性接地電流.零序過(guò)電壓保護(hù)(59 N)用于接地故障的后備保護(hù)，并在時(shí)間上與其他的保護(hù)相配合.

DG范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，變電站中的10 kV側(cè)保護(hù)將起到后備保護(hù)的功能.應(yīng)配置帶方向和不帶方向的過(guò)電流(67，51)，帶方向和不帶方向的接地保護(hù)(67 N，51 N，59 N)，見(jiàn)圖 5.

圖5 變電站出線間隔保護(hù)配置

3.2 變電站與DG間故障

變電站與DG間的短路故障應(yīng)由變電站出線間隔保護(hù)和DG的保護(hù)快速切除.當(dāng)變電站和DG間的線路上發(fā)生短路時(shí)，由變電站出線方向的過(guò)電流保護(hù)切除來(lái)自電網(wǎng)的故障電流.DG也向故障點(diǎn)提供電流，但只靠分布式電源的過(guò)電流保護(hù)可能無(wú)法識(shí)別，因?yàn)殡娏骺赡芴?通常，DG僅會(huì)提供較小或比額定電流略大的電流(見(jiàn)圖3)，因此系統(tǒng)通常要求對(duì)DG采用“聯(lián)動(dòng)跳閘”.作為一種替代，也可以在DG保護(hù)系統(tǒng)中選用距離保護(hù)，并設(shè)置距離保護(hù)參數(shù)，以保證用最短時(shí)間(如0.1 s)切除變電站到DG間線路和變電站10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備的短路電流.然而用距離保護(hù)的原理在某些特定情況下可能滿足不了保護(hù)的選擇性.變電站側(cè)配置零序方向過(guò)電流保護(hù)也會(huì)采用聯(lián)動(dòng)跳閘.此外，還必須配置接地和相間故障的后備保護(hù)，DG側(cè)也同樣需要這樣的保護(hù).

3.3 10kV開(kāi)關(guān)設(shè)備故障

開(kāi)關(guān)設(shè)備故障需要有自己的保護(hù)，10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備可選用GIS設(shè)備，通常GIS形成額定電弧需要1 s，因此其內(nèi)部故障必須在1 s內(nèi)切除.為了限制內(nèi)部短路，基本的母線保護(hù)通常使用反方向連鎖保護(hù).如果DG提供的電流比電流保護(hù)的定值低，反方向聯(lián)鎖保護(hù)將不能切除開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障.因此，變電站要采用特殊的母線-聯(lián)鎖跳閘保護(hù)，即如果一個(gè)過(guò)電流保護(hù)符合母線保護(hù)跳閘的給定方向，則會(huì)發(fā)送“母線-聯(lián)鎖跳閘-信號(hào)”給其他間隔的保護(hù)(見(jiàn)圖5)，同時(shí)當(dāng)?shù)碗妷簵l件(母線短路時(shí)相間電壓降低)也滿足時(shí)，則由其跳開(kāi)對(duì)應(yīng)斷路器.

針對(duì)內(nèi)部接地故障，基本母線也采用反方向連鎖保護(hù)，然而這種保護(hù)只能保護(hù)母線，故障時(shí)會(huì)跳開(kāi)變電站側(cè)斷路器，并不能覆蓋整個(gè)GIS，斷路器和電纜終端之間的故障也不能覆蓋到.這也是對(duì)DG需要采用聯(lián)動(dòng)跳閘的另一個(gè)原因.含有DG的變電站中，每一個(gè)間隔的保護(hù)跳閘功能都會(huì)發(fā)送聯(lián)動(dòng)跳閘信號(hào)給DG側(cè)的斷路器，而從故障發(fā)生、識(shí)別、站內(nèi)跳閘、信號(hào)發(fā)送，以及DG側(cè)跳開(kāi)的全部時(shí)間應(yīng)在1 s以內(nèi).因此，整個(gè)GIS均會(huì)有快速保護(hù)覆蓋，同時(shí)也滿足建立電弧限定時(shí)間1 s的要求.另外，DG采用距離保護(hù)也可以是一種替代聯(lián)動(dòng)跳閘的選擇方案.當(dāng)然其他后備保護(hù)功能也是必不可少的.

3.4 上一級(jí)配電網(wǎng)及輸電網(wǎng)故障

DG的保護(hù)系統(tǒng)也要反映電網(wǎng)側(cè)的故障.當(dāng)上一級(jí)配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為保持電網(wǎng)的穩(wěn)定，DG須與電網(wǎng)保持一定時(shí)間(通常要大于2 s)的連接，為電網(wǎng)保護(hù)切除故障留有足夠的時(shí)間.但當(dāng)DG和變電站之間的線路或變電站10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置必須快速動(dòng)作跳閘(如帶0.1 s延時(shí)).這兩個(gè)條件通常并不容易都滿足，但它對(duì)限制附近的分布式電源損失和維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性都很重要.因?yàn)榍谐罅康腄G可能會(huì)等價(jià)于切除一個(gè)大型電站.

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了根據(jù)DG接入的位置劃分相關(guān)繼電保護(hù)的保護(hù)范圍及其配合關(guān)系.在DG范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，變電站側(cè)的出線保護(hù)起后備保護(hù)作用，應(yīng)配置帶方向和不帶方向的過(guò)電流保護(hù);在上一級(jí)配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，DG需與電網(wǎng)保持一定時(shí)間的連接，為電網(wǎng)保護(hù)切除故障留有足夠的時(shí)間.

變電站與DG間的短路故障應(yīng)由變電站出線間隔保護(hù)快速切除.而開(kāi)關(guān)設(shè)備故障應(yīng)配置專門的保護(hù)，內(nèi)部故障應(yīng)在1 s內(nèi)切除，可采用母線-聯(lián)鎖跳閘保護(hù).

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