含分布式電源的配電網(wǎng)故障和保護范圍問題分析

路 昱，高 博，汪 玉，羅亞橋，高 亮

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

目前，國內外對含分布式電源(Distributed Generation，DG)的配電網(wǎng)故障分析計算問題的研究還不是很多，常用的精確的計算機算法主要有對稱分量法[1]和端口補償法[2]等.配電網(wǎng)故障時DG輸出的短路電流(簡稱DG短路電流)與其并網(wǎng)接口裝置的類型有關.[3]根據(jù)短路電流的計算方法，實際應用中的DG并網(wǎng)裝置主要包括同步發(fā)電機(熱電聯(lián)產(chǎn)機組、微型燃氣輪機等)、異步發(fā)電機(異步風力發(fā)電機)、雙饋異步發(fā)電機，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對配電網(wǎng)短路電流的貢獻以及對繼電保護配置與整定帶來的影響.

1 分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響

DG并網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響與DG的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級有關.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等級中壓配電網(wǎng);容量更大一些的DG則接入更高電壓等級的配電網(wǎng).具體接入方式為:大容量的DG一般通過聯(lián)絡線接到附近變電所的母線上，如圖1所示;對于小容量的 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，內含多個 DG且通過一個公共連接點(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PCC閉合時，微電網(wǎng)與大系統(tǒng)并網(wǎng)運行，當 PCC與大系統(tǒng)斷開時，微電網(wǎng)孤島運行.

圖1 DG經(jīng)過聯(lián)絡線接在母線上

圖2 DG接在配電網(wǎng)線路上

DG并網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響主要有以下2點:

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

(2)帶來繼電保護問題 并網(wǎng)DG改變了原先配電網(wǎng)的短路電流值及電流方向，將對繼電保護帶來影響.

2 不同類型DG的短路電流

2.1 同步發(fā)電機型DG

同步發(fā)電機型DG一般直接并網(wǎng)或通過變壓器并網(wǎng)，其短路暫態(tài)過程與主系統(tǒng)中的同步發(fā)電機相似，因此在計算時可以完全借用常規(guī)的同步發(fā)電機短路暫態(tài)分析方法.同步發(fā)電機外部發(fā)生短路故障時，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個階段.理論分析與實測結果表明，[3]在并網(wǎng)點發(fā)生三相短路約為5(p.u.)，同步發(fā)電機型 DG提供的短路電流值如表1所示.

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

2.2 異步發(fā)電機型DG

異步發(fā)電機型DG并網(wǎng)方式與同步發(fā)電機型DG相同.但因為異步發(fā)電機的勵磁電流取自電網(wǎng)，故在配電網(wǎng)發(fā)生故障時，并網(wǎng)的異步發(fā)電機將失去勵磁，其輸出的短路電流將經(jīng)過一段時間(300～400 ms)后衰減至可以忽略的數(shù)值.異步發(fā)電機出口短路時短路電流幅值與其啟動電流基本相同.如果在并網(wǎng)點發(fā)生三相短路，異步發(fā)電機在直接并網(wǎng)情況下輸出的短路電流為額定電流的5～8倍，而通過變壓器并網(wǎng)時輸出的短路電流為額定電流的3～7倍.[3]風力發(fā)電機短路電流特性如圖3所示.

圖3 風力發(fā)電機短路電流特性

2.3 雙饋異步機型DG

雙饋異步機型DG直接或通過變壓器并網(wǎng).配電網(wǎng)故障時雙饋機輸出的短路電流與其發(fā)電機以及電力電子電路的設計有關.在雙饋機外部發(fā)生短路時，由于電磁耦合的影響，在轉子上會引起很大的沖擊電流，這時轉子保護電路動作，使轉子繞組短路，以避免損害轉子繞組的變換器.在轉子繞組被短路后，雙饋機呈現(xiàn)異步發(fā)電機的特性，其輸出的短路電流特征和計算方法與異步發(fā)電機類似.[4]

2.4 逆變器型DG

逆變器型DG采用逆變器直接或通過變壓器并網(wǎng).采用電力電子器件構成的逆變器，當檢測到有輸出過電流現(xiàn)象時(如超過1.2倍的額定電流)，立即關斷半導體逆變器件，并在0.5個周波內停止輸出電流.在這種情況下，配電網(wǎng)故障時逆變器型DG對短路電流的影響將不予考慮.

3 配電網(wǎng)短路故障時的保護

一般來說，有源配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，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對短路電流的影響將不能忽略.

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

圖4 保護范圍的劃分

3.1 分布式電源區(qū)域故障

當分布式電源區(qū)域故障時，保護在DG保護系統(tǒng)中實現(xiàn)，且變電站的繼電保護要有完備的后備保護功能.

分布式電源保護要識別并切除其區(qū)域內的短路故障，必須快速斷開DG在10 kV側的斷路器.采用方向過電流保護(67)可判斷分布式電源區(qū)域內的短路電流;也可以配置不帶方向的零序電流保護(51 N)以判斷分布式電源區(qū)域內10 kV側接地故障，其識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.零序過電壓保護(59 N)用于接地故障的后備保護，并在時間上與其他的保護相配合.

DG范圍內發(fā)生故障時，變電站中的10 kV側保護將起到后備保護的功能.應配置帶方向和不帶方向的過電流(67，51)，帶方向和不帶方向的接地保護(67 N，51 N，59 N)，見圖 5.

圖5 變電站出線間隔保護配置

3.2 變電站與DG間故障

變電站與DG間的短路故障應由變電站出線間隔保護和DG的保護快速切除.當變電站和DG間的線路上發(fā)生短路時，由變電站出線方向的過電流保護切除來自電網(wǎng)的故障電流.DG也向故障點提供電流，但只靠分布式電源的過電流保護可能無法識別，因為電流可能太小.通常，DG僅會提供較小或比額定電流略大的電流(見圖3)，因此系統(tǒng)通常要求對DG采用“聯(lián)動跳閘”.作為一種替代，也可以在DG保護系統(tǒng)中選用距離保護，并設置距離保護參數(shù)，以保證用最短時間(如0.1 s)切除變電站到DG間線路和變電站10 kV開關設備的短路電流.然而用距離保護的原理在某些特定情況下可能滿足不了保護的選擇性.變電站側配置零序方向過電流保護也會采用聯(lián)動跳閘.此外，還必須配置接地和相間故障的后備保護，DG側也同樣需要這樣的保護.

3.3 10kV開關設備故障

開關設備故障需要有自己的保護，10 kV開關設備可選用GIS設備，通常GIS形成額定電弧需要1 s，因此其內部故障必須在1 s內切除.為了限制內部短路，基本的母線保護通常使用反方向連鎖保護.如果DG提供的電流比電流保護的定值低，反方向聯(lián)鎖保護將不能切除開關設備的故障.因此，變電站要采用特殊的母線-聯(lián)鎖跳閘保護，即如果一個過電流保護符合母線保護跳閘的給定方向，則會發(fā)送“母線-聯(lián)鎖跳閘-信號”給其他間隔的保護(見圖5)，同時當?shù)碗妷簵l件(母線短路時相間電壓降低)也滿足時，則由其跳開對應斷路器.

針對內部接地故障，基本母線也采用反方向連鎖保護，然而這種保護只能保護母線，故障時會跳開變電站側斷路器，并不能覆蓋整個GIS，斷路器和電纜終端之間的故障也不能覆蓋到.這也是對DG需要采用聯(lián)動跳閘的另一個原因.含有DG的變電站中，每一個間隔的保護跳閘功能都會發(fā)送聯(lián)動跳閘信號給DG側的斷路器，而從故障發(fā)生、識別、站內跳閘、信號發(fā)送，以及DG側跳開的全部時間應在1 s以內.因此，整個GIS均會有快速保護覆蓋，同時也滿足建立電弧限定時間1 s的要求.另外，DG采用距離保護也可以是一種替代聯(lián)動跳閘的選擇方案.當然其他后備保護功能也是必不可少的.

3.4 上一級配電網(wǎng)及輸電網(wǎng)故障

DG的保護系統(tǒng)也要反映電網(wǎng)側的故障.當上一級配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)發(fā)生故障時，為保持電網(wǎng)的穩(wěn)定，DG須與電網(wǎng)保持一定時間(通常要大于2 s)的連接，為電網(wǎng)保護切除故障留有足夠的時間.但當DG和變電站之間的線路或變電站10 kV開關設備發(fā)生故障時，保護裝置必須快速動作跳閘(如帶0.1 s延時).這兩個條件通常并不容易都滿足，但它對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.因為切除大量的DG可能會等價于切除一個大型電站.

4 結語

本文主要分析了根據(jù)DG接入的位置劃分相關繼電保護的保護范圍及其配合關系.在DG范圍內發(fā)生故障時，變電站側的出線保護起后備保護作用，應配置帶方向和不帶方向的過電流保護;在上一級配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)發(fā)生故障時，DG需與電網(wǎng)保持一定時間的連接，為電網(wǎng)保護切除故障留有足夠的時間.

變電站與DG間的短路故障應由變電站出線間隔保護快速切除.而開關設備故障應配置專門的保護，內部故障應在1 s內切除，可采用母線-聯(lián)鎖跳閘保護.

[1]吳爭榮，王鋼，李海峰，等.含分布式電源配電網(wǎng)的相間短路故障分析[J].中國電機工程學報，2013，33(1):130-136.

[2]徐丙垠，李天友，薛永瑞.智能配電網(wǎng)建設中的繼電保護問題——配電網(wǎng)故障分析計算問題及其發(fā)展[J].供用電，2012，29(2):15-22.

[3]Uk by Kama Ltd. The contribution to distribution network fault levels from the connection of distributed generation[R].Report prepared for department of tread information，2005.

[4]張學廣，徐殿國，李偉偉.雙饋發(fā)電機三相短路分析[J].電機控制學報，2008，12(15):15-18.