付文秀，高 路，張學(xué)瑾

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）作為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電方式，因投資省、能耗低、清潔環(huán)保、供電靈活等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要[1]。但當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后，配電系統(tǒng)不再是簡(jiǎn)單的單電源網(wǎng)絡(luò)，大量的 發(fā)電機(jī)和負(fù)荷同時(shí)存在，配電系統(tǒng)中的潮流方向理論上可以是任意的，這勢(shì)必要影響配電網(wǎng)保護(hù)的靈敏性和選擇性[2-4]。目前，DG接入配網(wǎng)后保護(hù)方案歸納起來(lái)大致有3種：1）應(yīng)用發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)間信息交換，如文獻(xiàn)[5]，利用廣域保護(hù)技術(shù)和電流綜合幅值的比較將故障范圍縮小到1個(gè)故障搜索區(qū)域之內(nèi)，然后利用該區(qū)域電流間的相位關(guān)系對(duì)故障線段進(jìn)行定位，但該保護(hù)方案在較高程度上依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，一旦通信失效，整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)也隨之失效，況且就目前我國(guó)配網(wǎng)實(shí)際建設(shè)情況而言，若要實(shí)現(xiàn)發(fā)達(dá)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，還得投入大量財(cái)力物力，需要很長(zhǎng)一段時(shí)間；2）對(duì)配網(wǎng)中采用的傳統(tǒng)電流保護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)復(fù)雜的算法和判據(jù)來(lái)提高保護(hù)性能，包括采用自適應(yīng)保護(hù)原理[6]、加裝方向元件[7]，接入故障限流器[8]等，該方案不需要太多的硬件投入，但對(duì)于量大、點(diǎn)多、面廣的配電系統(tǒng)而言，安裝維護(hù)過(guò)于復(fù)雜，且保護(hù)裝置之間的定值整定以及配合都相當(dāng)繁瑣，無(wú)法在DG高滲透率下的配電系統(tǒng)內(nèi)廣泛使用；3）將輸電線路中成熟的保護(hù)原理、方案應(yīng)用于配電系統(tǒng)中。輸電線路中的保護(hù)原理相對(duì)于配電網(wǎng)中的電流保護(hù)更加完善，在DG高滲透下采用改進(jìn)的距離保護(hù)不失為一種有效的保護(hù)方案。

DG的種類很多，按照運(yùn)行方式的不同一般可以將其分為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG和逆變型DG（IIDG）。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的特性一樣，可以等效為電勢(shì)源與阻抗的串聯(lián)；IIDG則與之有很大不同[9-10]。本文研究分布式電源對(duì)3段式距離保護(hù)的影響，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合含IIDG配電系統(tǒng)故障時(shí)的特點(diǎn)，考慮IIDG并網(wǎng)時(shí)最大輸出電流受限于DG容量的影響，分2兩種情況探討了分布式電源的優(yōu)化策略。

1 分布式電源對(duì)距離保護(hù)的影響

距離保護(hù)是一種反映測(cè)量阻抗數(shù)值的下降而動(dòng)作的保護(hù)，測(cè)量元件都具有明確的方向性，相對(duì)于電流保護(hù)性能更加完善，因此適合將其應(yīng)用到含分布式電源的配電網(wǎng)[11]中。距離保護(hù)的整定阻抗，用Zset表示；當(dāng)保護(hù)的測(cè)量阻抗Zk＜Zset時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。為了分析分布式電源對(duì)距離保護(hù)產(chǎn)生的影響，以圖1所示含DG的放射性配電網(wǎng)絡(luò)為例，討論3段式距離保護(hù)在DG容量不變而接入系統(tǒng)位置變化和DG接入位置固定而容量變化時(shí)所受的影響。

圖1 含DG 的放射性配電網(wǎng)絡(luò)

1.1 距離Ⅰ段

距離保護(hù)Ⅰ段瞬時(shí)動(dòng)作，其整定值必須躲開下一段線路出口處故障時(shí)阻抗繼電器的測(cè)量阻抗。距離保護(hù)Ⅰ段整定阻抗為

由此可見(jiàn)，距離保護(hù)同時(shí)反應(yīng)電壓量和電流量，當(dāng)有DG產(chǎn)生助增作用時(shí)，繼電器的測(cè)量電流增大，相應(yīng)的測(cè)量電壓也增大，因此，可以認(rèn)為無(wú)論DG機(jī)組的接入位置和容量是否變化，其對(duì)原有距離Ⅰ段保護(hù)均無(wú)影響。但是距離保護(hù)Ⅰ段只能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng)的80%～85%，必須依靠距離保護(hù)Ⅱ段保護(hù)線路全長(zhǎng)。

1.2 距離Ⅱ段

距離保護(hù)Ⅱ段的整定按照與相鄰線路距離保護(hù)Ⅰ段相配合，并且考慮到分支系數(shù)Kb的影響的原則整定，即

如圖1所示，DG接于母線C處時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)4處的測(cè)量阻抗由于不受DG分支作用的影響，距離保護(hù)Ⅱ段能夠正確動(dòng)作。保護(hù)3受DG助增分支的影響，如圖1所示，當(dāng)在αZ4（α為短路點(diǎn)到母線C的距離占CD段總長(zhǎng)的百分比）處發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)3繼電器的測(cè)量阻抗為

此時(shí)流過(guò)短路點(diǎn)的電流由主電網(wǎng)和分布式電源共同提供。分流原理為

式中：ZG、ZS分別為DG和系統(tǒng)的等效阻抗值。

記DG額定容量為SG，額定電壓為U，則DG滿足式

當(dāng)DG從母線D處接入時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3均不受DG分支作用的影響，距離保護(hù)Ⅱ段能正確動(dòng)作。保護(hù)4由于DG助增分支的作用，當(dāng)DE段末端短路故障時(shí)的測(cè)量阻抗為

保護(hù)4的測(cè)量阻抗增大，且隨DG容量的增加，距離保護(hù)Ⅱ段靈敏度降低。

DG從母線B、母線E及母線F處接入時(shí)同理可分析，從母線A處接入時(shí)各保護(hù)均不受影響。

1.3 距離Ⅲ段

配電網(wǎng)距離保護(hù)Ⅲ段整定值通常按照按照躲開最小負(fù)荷阻抗minLZ來(lái)整定，其整定值為

因一般DG機(jī)組的容量都很小，向距離保護(hù)Ⅲ段提供的助增電流也很小，并且距離保護(hù)Ⅲ段能夠從時(shí)限上躲過(guò)DG助增電流對(duì)它的影響，因此可認(rèn)為分布式電源的接入對(duì)距離保護(hù)Ⅲ段基本無(wú)影響。

2 分布式電源的并網(wǎng)特點(diǎn)

使用逆變器控制方式的分布式電源并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電單元都是通過(guò)一個(gè)直流部分連接電容器與逆變控制裝置連接再接入電網(wǎng)的，該電容器通過(guò)吸收或釋放能量來(lái)抵消快速的暫態(tài)過(guò)程，直流電壓通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電壓[12]。逆變型分布式電源不同于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG，不能簡(jiǎn)單地等效為電勢(shì)源與阻抗的串聯(lián)，IIDG在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一般采用電流型PQ控制方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)有功電流、無(wú)功電流使其跟蹤參考電流，對(duì)逆變器輸出功率的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)電流的控制問(wèn)題，只要實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的跟蹤，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)參考有功和無(wú)功的跟蹤，采用這種控制方式的IIDG，其供出電流是三相平衡的[13]。圖2為采用PQ控制方式的分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，前端直流部分與單相系統(tǒng)相同，通過(guò)三相逆變器和濾波器將直流電能轉(zhuǎn)化為滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的工頻交流電能，經(jīng)隔離變壓器并入中低壓電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC）。

因此，在進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，可以假定逆變型分布式電源在故障后輸出功率是不變的。另外在逆變器的控制裝置中，大部分都有一個(gè)電流限制裝置，該裝置能夠調(diào)整DG的輸出電流使其保持在某一定值以內(nèi)[14]。

圖3所示的仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，對(duì)于不同容量的DG，其輸出的最大短路電流的受限值不同。

圖2 分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PI限幅增大時(shí)某短路電流

3 基于距離保護(hù)的DG 的優(yōu)化策略

配電網(wǎng)中分布式電源的接入主要對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度產(chǎn)生影響，并且其影響程度隨DG位置和容量的改變而改變，因此采用距離保護(hù)時(shí)有必要對(duì)DG進(jìn)行優(yōu)化?？紤]DG輸出的短路電流受限于某一定值，即受最大輸出短路電流的影響，以下分2種情況進(jìn)行分析。

3.1 不考慮DG 最大輸出短路電流的影響

此種情況主要是適合于DG輸出的短路電流未到達(dá)所對(duì)應(yīng)的定值。

聯(lián)合式（9）～式（12），得到關(guān)于DG容量和位置的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件：

3.2 考慮DG 最大輸出短路電流的影響

對(duì)應(yīng)于一定容量的DG，其輸出的短路電流不能超過(guò)某個(gè)定值，設(shè)為IM。圖1中，記CD段的線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)4，當(dāng)在線路CD段αL4（α為短路點(diǎn)到母線C的距離占CD段總長(zhǎng)的百分比）處發(fā)生短路故障時(shí)，DG的輸出的短路電流為

式中：E為電源電動(dòng)勢(shì)。

考慮DG受限于其最大輸出短路電流，可令GM=II，得到對(duì)應(yīng)于DG輸出最大短路電流時(shí)CD段距離保護(hù)的測(cè)量阻抗值：

從選址的角度來(lái)考慮時(shí)，令x＝Z4或者x＝Z3代入式（18），同樣，求出x的范圍后，由于x只能取各段線路阻抗值，需根據(jù)這些離散點(diǎn)進(jìn)一步確定x的取值，最終確定DG的合適接入位置；從定容的角度來(lái)考慮時(shí)，由于DG容量SG與IM有關(guān)，令x＝IM代入式（18），求出IM的范圍后，需根據(jù)SG與IM的實(shí)際關(guān)系，選定DG的容量。

在對(duì)DG進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，對(duì)是否會(huì)發(fā)生2種情況下對(duì)應(yīng)的優(yōu)化關(guān)系式（13）和式（18）所包圍的區(qū)域相互越界的情況分析如下：由式（13）、式（15）和式（18）可以看出，計(jì)算的優(yōu)化方向?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)f(x)增大的方向，不妨首先設(shè)Z4''≤Z4'，即DG輸出的短流電流已達(dá)到受限值IM，此時(shí)應(yīng)采用DG的優(yōu)化算法關(guān)系式（18），可以看出，隨著f(x)的逐漸增大，Z3逐漸減小，Z4逐漸增大，而Z4逐漸減小，計(jì)算情況會(huì)逐漸趨于越界，進(jìn)入關(guān)系式（13）的區(qū)域范圍內(nèi)，即Z4''＞Z4'，此時(shí)隨著f(x)的增大，Z3逐漸減小，Z4逐漸增大，但不會(huì)再出現(xiàn)Z4''≤Z4'的情況?？梢钥闯?，此時(shí)如果再考慮DG容量選擇的問(wèn)題，則有可能又使得優(yōu)化方向由關(guān)系式（13）返回到式（18）的范圍內(nèi)。

因此，在對(duì)DG進(jìn)行選址定容時(shí)，首先要進(jìn)行DG容量的選擇，容量確定后，再按照式（15）考慮DG最大輸出電流受限的情況計(jì)算，然后進(jìn)行選址判斷。如果計(jì)算結(jié)果落在關(guān)系式（18）所包圍的區(qū)域內(nèi)，則在優(yōu)化計(jì)算時(shí)有可能要進(jìn)入關(guān)系式（13）的區(qū)域內(nèi)繼續(xù)優(yōu)化；而如果進(jìn)入到關(guān)系式（13）所包圍的區(qū)域內(nèi)，則不會(huì)再返回到關(guān)系式（18）的區(qū)域中，此時(shí)在關(guān)系式（13）區(qū)域范圍中的解即為最優(yōu)解。

4 算例分析

圖4 某10 kV 配電系統(tǒng)

1）DG接于母線B處，如圖4所示，其容量SG在0～50 MVA內(nèi)變化，當(dāng)BC末端（k處）發(fā)生三相短路故障時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2的測(cè)量阻抗值Z1k、Z2k如表1所示。其中，DG容量為0，表示未加入DG時(shí)原配電網(wǎng)的阻抗參數(shù)。

由表1可以看出：保護(hù)2的測(cè)量阻抗值保持不變，不受DG并入的影響；保護(hù)1的測(cè)量阻抗值隨DG出力的增加而增加，對(duì)于原配電網(wǎng)，保護(hù)的整定值不變，因而保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度降低。

2）DG固定接于母線B處，其容量SG在0～50 MVA內(nèi)變化，保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段的整定值及靈敏度隨其出力的變化關(guān)系如表2所示。

表1 各保護(hù)測(cè)量阻抗值與DG 出力變化關(guān)系

表2 保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段整定值及靈敏度與DG 出力變化關(guān)系

由表2可以看出：當(dāng)DG容量在0～50 MVA內(nèi)變化時(shí)，保護(hù)1距離Ⅱ段的靈敏度隨DG出力的增大而增大，但DG容量小于40 MVA時(shí)保護(hù)的靈敏度均小于1.25，不滿足要求；當(dāng)DG容量為50 MVA時(shí)，靈敏度大于1.25，滿足要求。因此，對(duì)于本例的配電網(wǎng)，DG的容量可選取50 MVA及以上。

表3 DG 容量為10 MVA 時(shí)的最大輸出短路電流及相應(yīng)的測(cè)量阻抗值

表4 DG 容量為50 MVA 時(shí)的最大輸出短路電流及相應(yīng)的測(cè)量阻抗值

5 結(jié)論

鑒于對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行整定值修改的復(fù)雜性，本文提出將輸電線路中較為成熟的距離保護(hù)應(yīng)用于含分布式電源的配電系統(tǒng)中，分析了DG位置和容量變化對(duì)3段式距離保護(hù)的影響，結(jié)果表明DG的并網(wǎng)主要影響距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)逆變型DG的并網(wǎng)特性，考慮其接入配電網(wǎng)后短路電流與DG容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分2種情況提出了DG的優(yōu)化策略，即通過(guò)保證DG接入前后距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度來(lái)對(duì)DG進(jìn)行選址定容。結(jié)合PSCAD仿真軟件，通過(guò)某10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該優(yōu)化策略的有效性和可行性。