基于選擇不同暫態(tài)阻抗的分布式電源接入容量分析

（上海市電力公司，上海200122）

基于選擇不同暫態(tài)阻抗的分布式電源接入容量分析

盛方正，傅曉飛，陳之琛

（上海市電力公司，上海200122）

含分布式電源（DG）的配電網(wǎng)在發(fā)生短路故障時(shí)，DG注入的電流可能會(huì)導(dǎo)致過電流保護(hù)誤動(dòng)，因此需要根據(jù)電流保護(hù)分析DG的準(zhǔn)入容量問題。首先分析各個(gè)故障點(diǎn)對電流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段保護(hù)可能產(chǎn)生的影響，提出了基于選擇不同DG暫態(tài)阻抗的計(jì)算最大接入容量的方法。對于電流保護(hù)Ⅰ段采用分布式電源的次暫態(tài)阻抗，對于電流保護(hù)Ⅱ段和Ⅲ段則采用分布式電源的暫態(tài)阻抗，得出了DG最大容量的約束條件，最后通過仿真說明了該方法既符合DG實(shí)際的暫態(tài)過程，又能在滿足現(xiàn)有電流保護(hù)不誤動(dòng)的條件下得到DG的最大容量。

暫態(tài)阻抗；分布式電源；電流保護(hù)

0 引言

分布式電源（DG，Distributed Generation）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的功率為數(shù)千瓦至50 MW小型模塊式、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源，具有調(diào)峰、利用再生能源、節(jié)省輸變電投資、降低網(wǎng)損、提高供電可靠性等特點(diǎn)[1-2]。

目前，中低壓配電網(wǎng)大都是單側(cè)電源、輻射型網(wǎng)絡(luò)，線路保護(hù)一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)。DG接入到配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)變成多電源結(jié)構(gòu)，在故障發(fā)生時(shí)可能引起短路電流大小和方向的改變，給繼電保護(hù)的正確可靠動(dòng)作造成一定的影響。當(dāng)分布式電源容量過大時(shí)，可能會(huì)使電流保護(hù)不能正確動(dòng)作[3-5]。

有關(guān)DG容量需滿足過流保護(hù)的研究，一般都是在滿足配電網(wǎng)現(xiàn)有過流保護(hù)、保證保護(hù)不誤動(dòng)的情況下，考察DG可接入的最大容量。目前采用的DG阻抗參數(shù)可謂多種多樣，包括暫態(tài)阻抗、次暫態(tài)阻抗、穩(wěn)態(tài)阻抗[6-9]，而針對不同情況下選擇合適的阻抗參數(shù)，從而既能夠符合DG實(shí)際的暫態(tài)過程，又能在滿足現(xiàn)有過流保護(hù)不誤動(dòng)的條件下研究DG最大容量的相關(guān)研究卻非常鮮見。在此針對過流保護(hù)的不同階段，選擇不同的暫態(tài)阻抗以分析DG接入配電網(wǎng)的最大容量，并考察選擇不同的暫態(tài)阻抗這一方法的意義。

1 選擇不同暫態(tài)阻抗的原理

不同類型的DG在發(fā)生短路故障時(shí)，向配電網(wǎng)注入的短路電流是不同的[10]：逆變電源故障短路電流注入能力達(dá)到其額定電流的100%～400%，持續(xù)時(shí)間取決于控制裝置；同步發(fā)電機(jī)短路電流注入能力達(dá)到其額定電流的500%～1 000%，幾個(gè)周波后衰減到200%～400%；感應(yīng)發(fā)電機(jī)電流注入能力為500%～1 000%，在10個(gè)周波內(nèi)衰減至可忽略程度。由于故障發(fā)生時(shí)DG對配電網(wǎng)注入的短路電流較大，且可能持續(xù)一段時(shí)間，所以在故障時(shí)必須考慮分布式電源對配電網(wǎng)保護(hù)的影響。目前的DG屬于小電源，故障電流衰減較慢且與配電網(wǎng)保護(hù)的電氣距離很近，故障電流衰減時(shí)間可能長達(dá)10個(gè)周波（約0.2 s）。由于在不同的故障電流衰減階段DG對應(yīng)的暫態(tài)阻抗不同，所以在研究DG容量時(shí)根據(jù)故障發(fā)生后的不同時(shí)間階段采用不同的DG阻抗：在考慮電流速斷保護(hù)（電流保護(hù)Ⅰ段）時(shí)采用分布式電源的次暫態(tài)電抗而電流保護(hù)Ⅱ段和Ⅲ段則應(yīng)采用DG的暫態(tài)電抗XD′G。

另外由于配電網(wǎng)一般離系統(tǒng)電源的電氣距離比較遠(yuǎn)，在最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的短路容量變化不大，故假設(shè)系統(tǒng)側(cè)的10 kV母線最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式的短路容量相同，即不考慮系統(tǒng)電源對運(yùn)行方式的影響。

2 不同故障方式對電流保護(hù)的影響

2.1 典型配電網(wǎng)

圖1是典型的10 kV配電網(wǎng)，電源由系統(tǒng)電源和1個(gè)DG構(gòu)成，線路由2條饋線組成，母線4和母線6位于饋線末端，直接與負(fù)荷相連，DG通過變壓器T接入配電網(wǎng)，斷路器下方編號1，2，…，5分別表示斷路器對應(yīng)的保護(hù)1，保護(hù)2，…，保護(hù)5。F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)5表示故障點(diǎn)。

圖2是配電網(wǎng)的等效電路，ZS為系統(tǒng)電源的等效阻抗，Z1—Z5為各線路阻抗，XT是與DG相連的變壓器短路電抗，XDG為DG的等效電抗，在配電網(wǎng)故障時(shí)一般為次暫態(tài)阻抗或者暫態(tài)阻抗下面考慮當(dāng)在F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)5發(fā)生故障時(shí)，DG對各處保護(hù)的影響。

圖1 典型10 kV配電網(wǎng)示意圖

圖2 配電網(wǎng)等效電路

2.2 線路L4上發(fā)生短路故障

F3點(diǎn)發(fā)生短路故障，此時(shí)DG將通過線路L1向故障點(diǎn)提供反向短路電流，可能引起保護(hù)1的誤動(dòng)作，顯然當(dāng)F3位于線路L4出口處時(shí)對保護(hù)1的影響最大，此時(shí)流過保護(hù)1故障電流是：

一般來說，由于電流Ⅲ段動(dòng)作時(shí)間較長，在其動(dòng)作前，保護(hù)4的電流Ⅰ或Ⅱ段已經(jīng)動(dòng)作且將故障切除，故不考慮式（4）對DG接入容量的約束。值得說明的是，由于所以相比使用參數(shù)，在不導(dǎo)致保護(hù)1誤動(dòng)情況下，按照式（2）—（4）計(jì)算DG最大接入容量的值可以更大。

2.3 L5發(fā)生短路事故

其中故障點(diǎn)F1表示L5出口處短路，F(xiàn)2表示L5線路末端短路。當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)4電流保護(hù)Ⅰ段可能誤動(dòng)，當(dāng)F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)4電流保護(hù)Ⅰ，Ⅱ段，保護(hù)5電流保護(hù)Ⅰ段都有可能發(fā)生誤動(dòng)。

當(dāng)F1點(diǎn)故障時(shí)，流過保護(hù)4和保護(hù)5的電流是：

當(dāng)滿足：

保護(hù)4電流保護(hù)Ⅰ段不會(huì)誤動(dòng)。

當(dāng)F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，流過保護(hù)4和保護(hù)5的電流是：

保護(hù)4和保護(hù)5的電流保護(hù)Ⅰ段不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

當(dāng)滿足：

當(dāng)滿足：

保護(hù)4的電流保護(hù)Ⅱ段不會(huì)誤動(dòng)。

對于保護(hù)4與5的電流Ⅲ段，由于DG對其電流的助增作用，會(huì)提高電流保護(hù)Ⅲ段的靈敏性，所以不必對DG接入容量進(jìn)行限制。

2.4 線路L1或L2上發(fā)生短路故障

故障點(diǎn)為F4，在保護(hù)1的電流Ⅰ段或Ⅱ段的保護(hù)范圍內(nèi)，可以由保護(hù)1切除故障，并且此時(shí)DG產(chǎn)生的故障電流不流經(jīng)保護(hù)1，所以對保護(hù)1的動(dòng)作特性無影響。

考慮線路L2末端發(fā)生故障，故障點(diǎn)為F5，此時(shí)流經(jīng)保護(hù)1和保護(hù)2的故障電流分別是：

顯然，由于DG對流經(jīng)保護(hù)1的短路電流有汲流作用，而對流經(jīng)保護(hù)2的故障電流有助增作用，所以DG對保護(hù)1與2的動(dòng)作特性都有影響：DG的汲流作用使保護(hù)1的保護(hù)范圍減小，降低其靈敏性，可能使保護(hù)拒動(dòng)，但不影響其選擇性；DG對保護(hù)2的電流助增作用使得流過保護(hù)2的短路電流增加，增大其保護(hù)范圍，可能會(huì)使電流保護(hù)Ⅰ段誤動(dòng)；對于保護(hù)2的Ⅱ段，由于F4本來就位于其保護(hù)范圍內(nèi)，不存在誤動(dòng)的問題；對于保護(hù)2的過流Ⅲ段保護(hù)，DG的助增作用使其靈敏性增加，故對電流Ⅲ段無明顯負(fù)面影響，所以L2末端發(fā)生故障時(shí)只需考慮DG對保護(hù)2的電流Ⅰ段的影響。

當(dāng)滿足式（10）時(shí)DG對保護(hù)2的電流保護(hù)Ⅰ段無影響。計(jì)算式（10）時(shí)，XDG取暫態(tài)阻抗

2.5 線路L3上發(fā)生短路故障

此時(shí)DG對通過保護(hù)2和保護(hù)3的電流起到助增作用，類似于線路L5發(fā)生故障時(shí)DG產(chǎn)生的故障電流通過保護(hù)4和保護(hù)5的情況；而對于保護(hù)1的影響，類似于線路L2上發(fā)生故障時(shí)DG起到的故障電流汲取作用，故不再贅述。另外，對于末端線路L3有時(shí)僅僅安裝過流Ⅲ段保護(hù)，此時(shí)DG的助增作用使其靈敏性增加，可以不計(jì)其對DG容量的約束。

以上式（2）—（10）構(gòu)成了存在DG時(shí)，原有配電網(wǎng)電流保護(hù)對可以接入其中的DG容量的約束，下面通過仿真求出在一定參數(shù)條件下可接入DG的最大容量。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)如圖1所示。線路參數(shù)x1=0.347 Ω/km，r1=0.27 Ω/km；線路L1—L5長度分別是5，5，5，6，6 km；系統(tǒng)電壓10.5 kV，內(nèi)部電抗為L=0.005 H，系統(tǒng)電源容量為S=500 MVA；變壓器T的容量為100 MVA，變比為10 kV/690 V，短路電壓百分比為10%；DG出口電壓為690 V，饋線1與2分別帶有額定功率因數(shù)為0.85、額定容量為6 MVA的負(fù)荷。取分布式電源

3.2 模擬線路L4發(fā)生短路故障

L4上發(fā)生短路故障時(shí)為使DG對原有線路保護(hù)1電流Ⅰ段不產(chǎn)生影響，需分析分布式電源容量和通過保護(hù)電流的關(guān)系。由于考慮的是電流Ⅰ段，所以此時(shí)應(yīng)考慮使用次暫態(tài)阻抗，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，最大可接入的DG容量為16.5 MW。

圖3 L4發(fā)生故障時(shí)DG容量與故障電流的關(guān)系

當(dāng)L4發(fā)生短路故障時(shí)為避免保護(hù)1的電流Ⅱ段動(dòng)作，根據(jù)以上分析，研究電流保護(hù)Ⅱ段時(shí)采用的DG阻抗應(yīng)該為仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中曲線1和曲線2分別表示使用次暫態(tài)阻抗和暫態(tài)阻抗的計(jì)算結(jié)果，可以看出此時(shí)使用暫態(tài)阻抗求出的DG最大接入容量（29.6 MW）要明顯大于使用次暫態(tài)阻抗的計(jì)算結(jié)果（5.8 MW），這說明計(jì)算DG容量時(shí)區(qū)別使用和是有意義的。

圖4 L4發(fā)生故障時(shí)DG容量與故障電流的關(guān)系

3.3 模擬F1點(diǎn)故障

模擬F1點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)4電流保護(hù)Ⅰ段工況，此時(shí)應(yīng)使用次暫態(tài)阻抗計(jì)算。仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出在所選參數(shù)的條件下，F(xiàn)1點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)4的電流保護(hù)Ⅰ段不會(huì)誤動(dòng)，即此時(shí)該約束條件不會(huì)對DG接入容量的選擇產(chǎn)生影響。

圖5 F1發(fā)生故障時(shí)DG容量與故障電流的關(guān)系

3.4 模擬F2點(diǎn)故障

模擬F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)4和保護(hù)5的電流保護(hù)Ⅰ段工況。此時(shí)應(yīng)該按照式（7）—（8）判斷。根據(jù)圖5的仿真結(jié)果，F(xiàn)1點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)4電流保護(hù)Ⅰ段不會(huì)誤動(dòng)，所以F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)4的電流Ⅰ段不可能發(fā)生誤動(dòng)，僅需考慮保護(hù)5的動(dòng)作情況。此時(shí)仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)5也不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。同理分析當(dāng)F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)4的電流保護(hù)Ⅱ段的工況，此時(shí)應(yīng)該考慮式（9）的約束，仿真時(shí)采用的DG阻抗應(yīng)該為仿真結(jié)果表明保護(hù)4的電流保護(hù)Ⅱ段也不會(huì)誤動(dòng)。

圖6 F2發(fā)生故障時(shí)DG容量與故障電流的關(guān)系

3.5 模擬線路L2末端發(fā)生故障時(shí)DG對保護(hù)1和保護(hù)2的影響

根據(jù)以上分析，此時(shí)僅需考慮DG對保護(hù)2的電流保護(hù)Ⅰ段有無影響即可，此時(shí)應(yīng)選用次暫態(tài)阻抗計(jì)算。仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出此時(shí)只有在DG容量小于8.0 MW時(shí)才不會(huì)對保護(hù)2的電流Ⅰ段產(chǎn)生影響。

圖7 F5發(fā)生故障時(shí)DG容量與故障電流的關(guān)系

綜合考慮以上仿真和分析結(jié)果，在圖1所示的配網(wǎng)系統(tǒng)中，接入DG的容量小于8.0 MW時(shí)不會(huì)對原有配電網(wǎng)電流保護(hù)產(chǎn)生影響，即可接入該配電網(wǎng)的分布式電源最大容量為8.0 MW。

4 結(jié)語

在存在DG的配電網(wǎng)中，DG下游發(fā)生短路故障時(shí)，對下游的保護(hù)測量電流產(chǎn)生助增作用，對上游的保護(hù)測量電流產(chǎn)生汲流作用，這樣會(huì)增大下游保護(hù)的保護(hù)范圍而可能引起誤動(dòng)并減少上游保護(hù)的靈敏度。在此提出了基于選擇不同DG暫態(tài)阻抗的方法，以研究DG的最大接入容量。通過有針對性的選擇DG的阻抗參數(shù)，確保在滿足原有電流保護(hù)約束的情況下獲得最大的DG接入容量，通過仿真給出了系統(tǒng)可接入DG最大容量的計(jì)算分析過程。

通過仿真還可以看到，并不是所有的電流保護(hù)都可能會(huì)對DG的接入容量形成約束。另外，通過分析不同電流保護(hù)整定值之間的關(guān)系，可以對部分故障點(diǎn)是否會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)行判斷，從而減少了仿真計(jì)算和分析的復(fù)雜程度。

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（本文編輯：楊勇）

Analysis on Distribution Generation Integration Capacity Based on Selection of Different Transient Impedances

SHENG Fang-zheng，F(xiàn)U Xiao-fei，CHEN Zhi-chen
（Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China）

When the short circuit fault occurs in the distribution network with distributed generation（DG）connected，the DG injection current may cause misoperation of overcurrent protection.Therefore,the DG integration capacity needs to be analyzed on the basis of current protection.Firstly，the impact of each failure on current protection sectionⅠ，ⅡandⅢare analyzed and the method of computing the maximum integration capacity based on selection of different transient impedances of DG is proposed.The DG sub-transient impedance is used to analyze the influence on protection sectionⅠand the transient impedance is used to analyze that on sectionⅡandⅢ.The constraints on the maximum capacity of DG have been obtained.The simulation results show that the method is consistent with the actual transient process of DG and can help obtain the maximum capacity of DG without misoperation of the existing current protection.

transient impedance；distributed generation；current protection

TM715

：A

：1007-1881（2012）09-0005-05

2012-02-01

盛方正（1979-），男，山東威海人，博士，工程師，從事變電運(yùn)行工作。