趙文龍， 徐丙垠， 哈恒旭， 于 洋

(1.山東理工大學(xué) 智能電網(wǎng)研究中心， 山東 淄博 255091；2.中國人民解放軍94326部隊(duì)， 山東 濟(jì)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(wǎng)后，會(huì)改變配電網(wǎng)短路電流的幅值和分布，可能造成保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)[1-3].準(zhǔn)確評(píng)估分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響，可以為保護(hù)配置和整定值的調(diào)整提供依據(jù)，使配電網(wǎng)更好地適應(yīng)DER接入，保證有源配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.而實(shí)際有源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以獲得確切的電網(wǎng)參數(shù)[4]，無法對(duì)故障電流進(jìn)行精確計(jì)算，給評(píng)估DER對(duì)保護(hù)產(chǎn)生的具體影響帶來一定困難.

文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)分布式電源的容量和接入位置等因素，探討了對(duì)配電網(wǎng)短路電流分布和電流保護(hù)的影響，但只考慮了同步發(fā)電機(jī)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(wǎng)類型DER的故障電流特征.文獻(xiàn)[8]利用PSCAD/EMTDC搭建了實(shí)際配電網(wǎng)、分布式電源和電流保護(hù)模型，通過仿真驗(yàn)證DER對(duì)原有電流保護(hù)的影響，但僅驗(yàn)證單個(gè)DER接入的情形，無法適應(yīng)多個(gè)DER接入的情況.文獻(xiàn)[9-10]對(duì)DER接入前后相同位置發(fā)生短路故障時(shí)流過各保護(hù)裝置的短路電流大小和對(duì)保護(hù)的影響進(jìn)行了比較，但其需要依賴復(fù)雜計(jì)算，不適于工程應(yīng)用.

本文在分析DER短路電流特征及其短路電流對(duì)保護(hù)影響的基礎(chǔ)上，提出了考慮DER影響最大的極端情況下對(duì)保護(hù)影響的評(píng)估方法.

1 DER的短路電流特征

配電網(wǎng)故障時(shí)，DER提供的短路電流與其并網(wǎng)接口裝置的類型有關(guān).根據(jù)短路電流的計(jì)算方法，DER并網(wǎng)裝置可以分為同步發(fā)電機(jī)(如熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)組等)、異步發(fā)電機(jī)(如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組)、電力電子逆變裝置(簡稱逆變器，用于光伏發(fā)電等)3種類型.

1.1 同步發(fā)電機(jī)短路電流特征

同步發(fā)電機(jī)的簡化模型可以用電動(dòng)勢(shì)與電抗的串聯(lián)電路表示，其短路電流水平取決于其內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)部電抗以及外部回路阻抗(發(fā)電機(jī)與短路點(diǎn)之間的阻抗).同步發(fā)電機(jī)外部發(fā)生故障時(shí)，其短路電流的變化分為次暫態(tài)(0～50ms)、暫態(tài)(50ms～1s)和穩(wěn)態(tài)(1s以后)三個(gè)階段.

理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明[11-12]，在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，同步發(fā)電機(jī)輸出的起始短路電流最大可達(dá)額定電流的8～10倍，暫態(tài)階段為4～6倍，穩(wěn)態(tài)階段為2～3倍.由于起始階段時(shí)間很短，而保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在1s以內(nèi)，因此，影響保護(hù)的主要因素為暫態(tài)電流.考慮到故障點(diǎn)與DER并網(wǎng)點(diǎn)之間的實(shí)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(fā)電機(jī)短路電流特征

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于異步發(fā)電機(jī)失去了建立磁場所必須的無功功率，不會(huì)向電網(wǎng)提供穩(wěn)態(tài)故障電流.但是，受到剩磁的影響，會(huì)在故障初期向電網(wǎng)提供暫態(tài)沖擊電流.

通過文獻(xiàn)[13]仿真分析可知，在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，異步發(fā)電機(jī)的短路沖擊電流約為發(fā)電機(jī)額定電流的5～7倍，經(jīng)過約3～10個(gè)周波逐漸衰減為零.當(dāng)研究分析電流瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)，需要計(jì)算故障后2～3個(gè)周波內(nèi)的短路電流，應(yīng)選擇暫態(tài)等效電路進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)，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(guān).文獻(xiàn)[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(duì)保護(hù)影響的極端情況

圖1所示為一典型10kV含DER的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖.下面就DER接入后引起保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的情況進(jìn)行分析.

圖1 含DER的10kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 DER引起保護(hù)拒動(dòng)的極端情況分析

故障點(diǎn)(如F1)上游的DER提供的電流會(huì)抬高其并網(wǎng)點(diǎn)(PCC)電壓，使出線斷路器處的保護(hù)感受到的短路電流減少，造成保護(hù)靈敏度降低、保護(hù)區(qū)縮短，嚴(yán)重時(shí)可能引起保護(hù)拒動(dòng).故障點(diǎn)上游DER并網(wǎng)容量越大，出線電流減小值越大，對(duì)保護(hù)的影響也越大.

圖2所示為DER引起保護(hù)拒動(dòng)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(dāng)本饋線上的所有DER接在保護(hù)出口處，即由饋線首端集中接入，故障發(fā)生在線路末端且為三相金屬性短路時(shí)，在這種情況下，相對(duì)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(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)的可能性最大.

圖2 DER引起保護(hù)拒動(dòng)的極端情況

未接入DER時(shí)，線路末端短路時(shí)主電源提供的短路電流為

(1)

圖3 故障點(diǎn)上游線路短路電流等效電路圖

(2)

2.2 DER引起保護(hù)誤動(dòng)的極端情況分析

圖4所示為DER引起保護(hù)誤動(dòng)的極端情況模型.當(dāng)本饋線上的所有類型DER接在保護(hù)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(fā)生在同母線相鄰饋線始端，在這種情況下，相對(duì)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(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)的可能性最大.

圖4 DER引起保護(hù)誤動(dòng)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(duì)保護(hù)影響的評(píng)估方法

3.1 DER引起保護(hù)拒動(dòng)的評(píng)估方法

假設(shè)在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，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(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、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(yùn)行的額定電流，I∑為DER提供的總的短路電流的最大值.

根據(jù)1.1節(jié)分析可知，DER并網(wǎng)后，當(dāng)饋線末端故障時(shí)，流過其上游開關(guān)的短路電流減少的最大值IF.∑為

ΔIF·∑=I∑

(4)

因此，判斷保護(hù)可靠動(dòng)作，不會(huì)發(fā)生拒動(dòng)的條件是

Isc-I∑≥Iset

(5)

在上述情況下，DER的接入，會(huì)降低保護(hù)靈敏度，縮短I段保護(hù)的保護(hù)區(qū)范圍.

假設(shè)配電網(wǎng)的保護(hù)能夠保護(hù)線路全長，保護(hù)范圍的計(jì)算式為

(6)

式中：Eφ為系統(tǒng)等效電源的相電動(dòng)勢(shì)；Zs為保護(hù)安裝處到系統(tǒng)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(shè)新的保護(hù)范圍長度為L′,則保護(hù)范圍的計(jì)算式變?yōu)?/p>

(7)

即

(8)

對(duì)比式(6)和式(7)可得

(9)

如果忽略系統(tǒng)阻抗Z，在極端情況下，保護(hù)范圍的長度L為

(10)

保護(hù)區(qū)縮短的范圍：

(11)

3.2 DER引起保護(hù)誤動(dòng)的評(píng)估方法

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

ΔIR·∑=I∑

(12)

因此，判斷保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)的條件是：

I∑≤Iset

(13)

式(5)和(13)式共同構(gòu)成了DER對(duì)保護(hù)影響的評(píng)估依據(jù).

4 算例仿真

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與算例參數(shù)

如圖5所示為某10kV配電網(wǎng)，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量100MVA，基準(zhǔn)電壓10.5kV，內(nèi)部電抗為L=0.000 4H.線路均為架空線路，導(dǎo)線類型均為LGJ-240鋼芯鋁絞線，線路參數(shù)x1=0.369Ω/km，r1=0.138Ω/km.

圖5 10kV含DER的配電網(wǎng)模型

饋線1上的B、C、D和E四個(gè)點(diǎn)接有并網(wǎng)DER，各DER的參數(shù)如下(未標(biāo)單位的均為標(biāo)幺值)：

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

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

3)風(fēng)力發(fā)電DER4采用雙饋異步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，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(shù)為0.85的負(fù)荷.保護(hù)1的I段整定值為6kA，Ⅲ段整定值為1.2kA.計(jì)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(jù)式(5)和式(13)分別對(duì)DER接入后保護(hù)產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估.經(jīng)計(jì)算可知，饋線1故障時(shí)，保護(hù)1的Ⅲ段保護(hù)能夠可靠動(dòng)作；饋線2故障時(shí)，I段和Ⅲ段保護(hù)均不會(huì)誤動(dòng).但是，I段保護(hù)的靈敏度降低，保護(hù)區(qū)會(huì)縮短，由式(10)計(jì)算得，保護(hù)區(qū)縮短的范圍L%=16.22%.

4.2 仿真結(jié)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(lián)的形式表示各并網(wǎng)類型DER的簡化模型，以保證使其能夠提供最大短路電流設(shè)置模塊參數(shù).F1與F2分別表示可能給保護(hù)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(fā)生三相金屬性短路時(shí)，保護(hù)感受到的短路電流.

表2 饋線不同位置三相短路時(shí)流過保護(hù)的短路電流

由表2可知，DER接入配電網(wǎng)之后，當(dāng)饋線末端發(fā)生三相短路時(shí)，流經(jīng)出線保護(hù)的短路電流有所減少，保護(hù)區(qū)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(jīng)過仿真得出的保護(hù)區(qū)縮短范圍較之前評(píng)估方法計(jì)算得到的值有所減少，誤差約為5%.如果同步發(fā)電機(jī)比例較大且多接在饋線上游，則誤差將會(huì)變小，更接近計(jì)算值.

圖6 含DER簡化模型的仿真示意圖

F2點(diǎn)發(fā)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(diǎn)三相短路時(shí)流過保護(hù)的短路電流

由表3可知，DER接入之后，當(dāng)相鄰線路靠近母線處發(fā)生三相短路時(shí)，當(dāng)前情況下，DER提供的反向短路電流值小于保護(hù)整定值，保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作.

5 結(jié)束語

含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)影響評(píng)估對(duì)于DER更好地接入配電網(wǎng)具有重要意義.本文針對(duì)DER對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的具體影響，提出了對(duì)保護(hù)影響的評(píng)估方法.該方法的主要特點(diǎn)是不需借助于復(fù)雜的潮流計(jì)算和故障分析獲得故障電流，僅需建立含DER的對(duì)保護(hù)影響最大情形的極端情況的配網(wǎng)模型，將DER所能提供的短路電流作為一個(gè)整體進(jìn)行估算，計(jì)算出DER接入對(duì)I段保護(hù)保護(hù)區(qū)的縮短范圍，判斷相鄰線路故障時(shí)本線路的反向短路電流是否引起保護(hù)誤動(dòng).該評(píng)估方法原理簡單、通用性強(qiáng)，且計(jì)算速度快，適合于工程上進(jìn)行評(píng)估.

[1] 孫景釕，李永麗，李盛偉，等.含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)方案[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009,33(1)：81-84.

[2] 黃偉，雷金勇，夏翔，等.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)相間短路保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008,32(1):93-97.

[3] 劉健，張小慶，同向前，等.含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013,37(2):36-48.

[4] 徐丙垠，李天友，薛永端.智能配電網(wǎng)建設(shè)中的繼電保護(hù)問題[J].供用電，2012,29(6):15-25,69.

[5] 王成山，孫曉倩.含分布式電源配電網(wǎng)短路計(jì)算的改進(jìn)方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012,36(23):54-58.

[6] Gomez J C, Nesci S M. Effect of the presence of distributed generation on the studies of overcurrent protection coordination[C/OL]. 22ndInternational Conference on Electricity Distribution. [2013-06-10]. http://www.cired.net/publications/cired2013/pdfs/CIRED2013_0545_final.pdf.

[7] 王江海，邰能靈，宋凱，等.考慮繼電保護(hù)動(dòng)作的分布式電源在配點(diǎn)網(wǎng)中的準(zhǔn)入容量研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010,30(22):37-43.

[8] 周龍，王新濤，史吏，等.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)影響的仿真研究[J].現(xiàn)代電力，2012,29(6):7-10.

[9] 陶順，肖湘寧，彭聘.有源智能配電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[10] Jafari R, Naderi M S, Gharehpetian G B, et al. Compensation of DGs impact on overcurrent protection system of smart micro-grids[C/OL]. 22ndInternational Conference on Electricity Distribution. [2013-06-10]. http://www.cired.net/publications/cired2013/pdfs/CIRED2013_0924_final.pdf.

[11] 陶順，肖湘寧，彭聘.有源智能配電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[12] Freitas W, Xu Wilsun, Affonso C M,etal. Comparative Analysis Between ROCOF and Vector Surge Relays for Distributed Generation Applications[J]. IEEE Transations, 2005,20(2):1 315-1 324.

[13] 撖奧洋，張哲，尹項(xiàng)根.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障電流特性的仿真研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,37(9):105-108.

[14] 劉健，林濤，同向前，等.分布式光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)短路電流影響的仿真分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013,37(8):2 080-2 085.