李毅然 李 杰 李旭暉

（1.三峽大學(xué)，湖北宜昌443000；2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東泰安271000）

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭、環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，傳統(tǒng)能源發(fā)電的負面影響也逐步顯現(xiàn)，全世界能源領(lǐng)域?qū)＜叶荚诜e極研究開發(fā)清潔環(huán)保、可替代的一次能源作為常規(guī)電能供應(yīng)方式的有效補充。目前，太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等新能源均有不同程度地?yīng)用到電力系統(tǒng)中，參與電能供應(yīng)。這類位于用戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10 kV及以下電壓等級接入電網(wǎng)，且單個并網(wǎng)點總裝機容量不超過6 MW的資源綜合利用發(fā)電項目，通稱為分布式電源（Distributed Generation，DG）。根據(jù)分布式電源容量小、隨機性大、類型多的特點，基于電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性與穩(wěn)定性的考慮，分布式電源需要并網(wǎng)運行才能發(fā)揮其最大的作用。然而其應(yīng)用在配電網(wǎng)后，改變了原網(wǎng)絡(luò)的潮流，增加了運行控制的難度，對電網(wǎng)的安全防御帶來了新的挑戰(zhàn)。

分布式電源以不同的裝機容量和電壓等級形式引入配電網(wǎng)，由此對配電網(wǎng)的工作狀態(tài)造成了一定的影響。在此，以某地10 kV中壓配電網(wǎng)為例（圖1），在未接入分布式電源時，為一輻射狀網(wǎng)絡(luò)，電源經(jīng)系統(tǒng)由10 kV母線接入配電網(wǎng)，饋線直接連接末端負荷。保護配置為三段式電流保護，斷路器裝設(shè)自動重合閘，無方向閉鎖，分布式電源經(jīng)逆變器后通過升壓變壓器與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。

圖1 10 kV中壓配電網(wǎng)

1 分布式電源對斷路器行為的影響

1.1 系統(tǒng)側(cè)饋線或母線發(fā)生故障

在未接入分布式電源時，系統(tǒng)側(cè)饋線K1處出現(xiàn)短路故障，系統(tǒng)與配電網(wǎng)連接斷路器斷開，配電網(wǎng)側(cè)斷路器由于沒有故障電流流過，不會動作。當(dāng)接入分布式電源后，電源會通過斷路器QF2向K1提供故障電流，由于QF2沒有方向判別元件，保護不具有方向性。當(dāng)分布式電源容量足夠大時，故障電流超過QF2整定值，會引起其誤動，失去可靠性，有可能造成分布式電源供電的正常線路斷電。

1.2 分布式電源下游發(fā)生故障

當(dāng)K2發(fā)生短路故障時，若系統(tǒng)無分布式電源，為一簡單輻射狀網(wǎng)絡(luò)，故障電流由系統(tǒng)提供，經(jīng)斷路器QF2流向K2，根據(jù)故障位置，QF2的電流保護Ⅰ段或Ⅱ段跳開斷路器，切除故障。由于分布式電源存在，會對故障點提供短路電流。同時，若分布式電源容量足夠大，對網(wǎng)絡(luò)提供的功率會明顯提升接入點電壓，使流過QF2的故障電流減小，QF2靈敏度降低，保護范圍減小甚至拒動，故障無法正常切除。

K3發(fā)生短路故障時，正常工況下應(yīng)斷開斷路器QF6進行保護。系統(tǒng)和分布式電源的故障電流均經(jīng)過QF6，對QF6工作沒有影響，但是該電流同時流經(jīng)QF4，其檢測到的故障電流會增大，QF4很有可能發(fā)生誤動，擴大停電范圍，使保護失去選擇性。

1.3 分布式電源上游發(fā)生故障

無分布式電源時，K4發(fā)生故障，斷路器QF2可配置前加速跳開故障，隨后自動重合閘瞬時性故障。當(dāng)存在分布式電源時，兩電源之間部分由單端供電變?yōu)閮啥斯╇?，需要配置后加速確保選擇性。在K4發(fā)生故障時，有選擇性跳開斷路器QF2，斷路器QF4不應(yīng)跳開。在重合閘之前，應(yīng)當(dāng)確保分布式電源跳開配電網(wǎng)。若分布式電源沒有脫離網(wǎng)絡(luò)，則由故障電流流經(jīng)QF4，當(dāng)大于整定值時，QF4會誤動，使饋線停電。

1.4 同一母線上其他饋線發(fā)生故障

另一饋線K5處發(fā)生故障，在不計分布式電源時，故障電流由系統(tǒng)提供，斷路器QF1動作跳開故障。當(dāng)分布式電源存在時，其故障電流流經(jīng)斷路器QF2。由于系統(tǒng)電源存在，QF2檢測到的故障電流會減小，QF2靈敏度降低，甚至電流會低于整定值而保護拒動，而QF4的定時限電流速斷保護或過電流保護有可能誤動。

2 分布式電源對自動重合閘行為的影響

電力系統(tǒng)故障中，瞬時性故障的比重很高，采用自動重合閘，可以大大提高供電的可靠性，減少負荷停電次數(shù)。然而，當(dāng)引入分布式電源后，如果不對重合閘配置進行調(diào)整，不僅不能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，還很有可能對系統(tǒng)產(chǎn)生更大的沖擊，或者使瞬時性故障轉(zhuǎn)化為永久性故障。

含分布式電源的配電網(wǎng)保護配置如圖2所示。

2.1 饋線發(fā)生瞬時性故障

圖2 含分布式電源配電網(wǎng)保護配置

當(dāng)K1發(fā)生瞬時性故障（雷擊線路絕緣子引起沿面閃絡(luò)等），在未引入分布式電源的情況下，QF1斷開后經(jīng)自動重合閘消除瞬時性故障，相對于中壓配電網(wǎng)，系統(tǒng)可以視為無窮大系統(tǒng)，未發(fā)生波動，可以可靠地繼續(xù)供電。引入分布式電源后，若QF1跳開后，在自動重合閘之前，分布式電源脫離配電網(wǎng)，繼續(xù)作為電源向負荷供電，則會形成單電源供電網(wǎng)絡(luò)。由于負荷大小與類型改變，分布式電源很有可能加速或減速，與原系統(tǒng)存在頻差。重合閘后，分布式電源與系統(tǒng)失去同步，有很大的相角差，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生振蕩，形成很大的沖擊電流。在此沖擊電流的作用下，電流保護可能會再次動作，重合閘不再動作，導(dǎo)致饋線斷電。同時，沖擊電流會對電力設(shè)備、線路絕緣等造成嚴(yán)重傷害，縮短運行壽命。

2.2 分布式電源與配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線發(fā)生瞬時性故障

K2發(fā)生瞬時性故障，斷路器QF5跳開。分布式電源如果沒有停運，為維持額定功率和電壓，會持續(xù)向故障處提供電流，使電弧難以熄滅，存在持續(xù)性電弧，最終導(dǎo)致瞬時性故障發(fā)展為永久性故障，自動重合閘失敗，持續(xù)性電弧會威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還有可能導(dǎo)致其他非電氣量事故（如電弧作用于非金屬性短路）。如果采用人工重合閘，由于DG退出系統(tǒng)，很有可能加速，重合后會出現(xiàn)沖擊電流。

3 分布式電源引起電力系統(tǒng)不正常工作狀態(tài)

除了引發(fā)或加強故障，分布式電源的不合理配置也有可能使配電網(wǎng)處于不正常工作狀態(tài)。

3.1 抬高負荷節(jié)點電壓，發(fā)生電壓偏移

分布式電源往往是就近接入中低壓配電網(wǎng)，電能傳輸距離短，在電力線路上，線路阻抗參數(shù)中，R?X，線路呈現(xiàn)電阻特性。因此，有功功率對電壓偏差的影響不能忽略，分布式電源的輸出功率會造成饋線負荷節(jié)點電壓升高。

3.2 自然條件影響分布式電源工作狀態(tài)

不同的分布式電源，分別受到相關(guān)的自然條件影響，其出力、啟停都具有波動性與隨機性，隨著分布式電源滲透率的提高，增加了系統(tǒng)控制的難度，同時也存在誘發(fā)系統(tǒng)發(fā)生不正常工作狀態(tài)的可能性。

對于風(fēng)電場來說，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速或高于切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機會退出運行。而霧霾、陰雨等則會影響光伏發(fā)電單元的出力；光伏陣列的大規(guī)模、長時間積污會損害發(fā)電單元。這些均有可能使電力系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

3.3 分布式電源的不協(xié)調(diào)運行

接入位置、接入容量與運行方式的不協(xié)調(diào)，會影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。傳統(tǒng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)中電壓按照潮流方向逐步降低，引入分布式電源后，潮流分布會發(fā)生改變，在部分區(qū)域有可能出現(xiàn)潮流反向，不同接入位置對電壓分布影響不同，多個分布式電源接入同一個負荷節(jié)點會明顯影響潮流，改變電壓分布。因此，不合理的接入位置、接入容量有可能會使電壓偏差超限。

3.4 分布式電源引起三相電壓不平衡

大容量的分布式電源單元往往是三相發(fā)電機，或經(jīng)逆變后的三相平衡正弦波，對系統(tǒng)三相平衡的影響不大。然而，在饋線的末端，可能會接入小容量單相發(fā)電單元，在抬升末端電壓的同時，由于其數(shù)量多、隨機性高，會造成三相電壓不平衡。

4 含分布式電源配電網(wǎng)的安全策略

為了減少分布式電源對配電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅，降低對繼電保護的不良影響，應(yīng)該調(diào)整繼電保護配置策略，同時對分布式電源進行限制。

（1）在分布式電源上游出現(xiàn)永久性故障時，系統(tǒng)和分布式電源均由兩端向故障點提供電流，因此，需要在線路兩端設(shè)置保護裝置，并配置方向判斷元件，保證切除故障具有方向性。

（2）在分布式電源下游出現(xiàn)永久性故障時，本級上游電流保護有可能拒動，或者下游電流保護誤動，擴大停電范圍。需要根據(jù)系統(tǒng)運行方式重新設(shè)置整定值，保證斷路器正常動作。

（3）同一母線上其他饋線發(fā)生永久性故障時，上游斷路器的定時限電流速斷保護或過電流保護有可能誤動，需要配置方向判別元件。

（4）針對瞬時性故障的恢復(fù)，配電網(wǎng)側(cè)重合閘配置檢無壓裝置，分布式電源側(cè)配置檢同期裝置，在配電網(wǎng)側(cè)接入點確保無壓，待分布式電源與系統(tǒng)無頻差、無相角差、無電壓幅值差后投入并列。同時，分布式電源配置低壓、低頻解列裝置。

（5）規(guī)劃分布式電源接入位置、運行方式，限制接入容量，采取無功補償措施，抑制電壓偏差與故障電流，保證配電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)。