分布式能源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

王磊,王興剛,孫承祥,汪春莉,彭慶軍

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217;2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003; 3.云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,昆明 650011;4.云南電網(wǎng)公司博士后工作站,昆明 650217)

分布式能源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

王磊1,2,王興剛3,孫承祥1,2,汪春莉1,2,彭慶軍4

(1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217;2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003; 3.云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,昆明 650011;4.云南電網(wǎng)公司博士后工作站,昆明 650217)

研究了分布式電源對配網(wǎng)繼電保護(hù)的配合及靈敏度的影響,以及通過逆變器并網(wǎng)的分布式電源對配網(wǎng)電壓波動與諧波共振的影響,并提出了應(yīng)對措施。

分布式電源;配電網(wǎng);配網(wǎng)保護(hù);電能質(zhì)量

1 前言

分布式能源 (distributed energy sources,DES)接入低壓配電網(wǎng),對提高供電可靠性、降低配電網(wǎng)網(wǎng)損、支撐配網(wǎng)電壓具有一定作用,但同時也帶來了新的問題和挑戰(zhàn),尤其是對配電網(wǎng)繼電保護(hù)和電能質(zhì)量的影響最為突出,本文將針對分布式電源接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)及電能質(zhì)量的影響展開研究,并提出應(yīng)對措施[1]。

2 對配電網(wǎng)保護(hù)的影響

分布式電源 (distributed generation,DG)接入配電網(wǎng)以后,如果DG所發(fā)電能不能被就近全部消納,剩余電能流向電網(wǎng),則會改變電網(wǎng)潮流的分布,使電網(wǎng)由垂直結(jié)構(gòu)變?yōu)槠叫薪Y(jié)構(gòu)。對于典型的垂直結(jié)構(gòu)的輻射形配電網(wǎng),傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護(hù)是根據(jù)輻射形潮流和饋線短路電流水平設(shè)計的[2-4]。

2.1 對輻射型配網(wǎng)的保護(hù)方案

1)采用傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)方案。即：瞬時電流速斷保護(hù)、定時限電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù);

2)采用反時限的過電流保護(hù)方案。

由于配電網(wǎng)故障中絕大多數(shù)為瞬時性故障,因此對非全電纜線路,無論采用以上何種保護(hù)方案,都應(yīng)配置三相一次自動重合閘裝置,以保證線路在發(fā)生瞬時性故障后能快速恢復(fù)供電。

然而,DG接入配電網(wǎng)后,當(dāng)饋線某處發(fā)生短路時,配網(wǎng)饋線中的電流方向?qū)l(fā)生改變,短路電流的水平也將增加。DG對配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響主要有：上下游斷路器的不配合、熔斷器保護(hù)失靈、繼電保護(hù)保護(hù)范圍減小、誤跳閘增多等。

來自DG的額外短路電流會引起非故障區(qū)域的斷路器跳閘,造成上下游斷路器之間失去配合。

圖1 保護(hù)配合失效示意圖

圖1給出了保護(hù)配合失效的示意圖。根據(jù)IEEE13節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)定,當(dāng)652節(jié)點附近發(fā)生短路,如果DG1不存在,則斷路器A檢測到來自650節(jié)點的短路電流,斷路器A動作將故障點隔離。當(dāng)DG1提供的短路電流足夠大,斷路器B或重合閘裝置R將動作或者二者全部動作,造成斷路器之間失去配合,擴大停電范圍。

圖2 保護(hù)靈敏度降低示意圖

圖2給出了保護(hù)靈敏度降低的示意圖。根據(jù)IEEE13節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)定,當(dāng)故障發(fā)生在684節(jié)點與671節(jié)點之間,則故障處的短路電流由DG1和來自650節(jié)點的短路電流共同提供,與DG接入前相比,671節(jié)點處繼電保護(hù)檢測到的短路電流變小,使其靈敏度降低,保護(hù)范圍減小。在671節(jié)點處斷路器D動作切除故障后,此時DG1繼續(xù)向611節(jié)點、684節(jié)點和652節(jié)點供電,形成電力孤島,無法保證用戶的電能質(zhì)量,這也不符合IEEE Std 519-1992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,反孤島保護(hù)應(yīng)動作,及時切除DG1。

熔斷器保護(hù)失靈也是配電網(wǎng)中一個非常嚴(yán)重的問題。在配網(wǎng)中,熔斷器與斷路器配合使用保護(hù)電網(wǎng)安全。熔斷器的工作過程要與饋線斷路器的動作速度相配合,斷路器的動作速度與發(fā)生暫時故障 (如雷擊)時相鄰熔斷器的熔斷時間有關(guān),即為減少因暫時故障更換熔斷器熔絲的頻率,在熔絲熔斷前,斷路器應(yīng)先動作切除故障。但由于接在饋線上的DG會持續(xù)向熔斷器輸送短路電流,造成這一配合過程失效[5]。

為了保障DG接入后配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,對傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行必要改進(jìn)。

2.2 配電網(wǎng)的新型保護(hù)方案

1)在不增加額外設(shè)備的情況下,通過的新的保護(hù)方案與整定值算法使繼電保護(hù)的整定值具有自適應(yīng)性。

文獻(xiàn) [6]提出根據(jù)電力系統(tǒng)當(dāng)前的運行方式和故障狀態(tài),通過保護(hù)背側(cè)等效阻抗表現(xiàn)DG接入及切除對整定值計算的影響,實時計算整定值。文獻(xiàn) [8]將含DG配電網(wǎng)分區(qū),每個由斷路器隔開的區(qū)域的DG容量與負(fù)荷基本平衡,當(dāng)發(fā)生故障時,由分區(qū)斷路器檢測故障類型與位置,斷開相應(yīng)隔離斷路器。此類方法投資小、改造周期短,但對DG的接入容量有一定的限制。

2)增加方向原件,實現(xiàn)方向保護(hù)。

文獻(xiàn) [7]提出在DG的上游區(qū)域為每個保護(hù)裝置增加方向元件及保護(hù)加速元件,根據(jù)方向元件的判斷結(jié)果,相應(yīng)的保護(hù)模塊可以自適應(yīng)地啟動并動作,不改變配電系統(tǒng)原有斷路器配置的前提下快速地將故障線路從兩端切除。但是此方案有其局限性,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路時,此方案失效,仍需按傳統(tǒng)的定時限過電流保護(hù)來切除故障。

3)將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與現(xiàn)有配網(wǎng)保護(hù)相結(jié)合的新型保護(hù)方案。

文獻(xiàn) [9]提出將基于配電網(wǎng)自動化的多A-gent技術(shù)應(yīng)用于含分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)。此方案需在全網(wǎng)的保護(hù)實時同步采樣的前提下,利用SCADA系統(tǒng)的通信功能和各Agent之間的協(xié)作能力提高保護(hù)的可靠性、靈活性,對配電網(wǎng)的自動化與信息化水平要求較高。文獻(xiàn) [10]利用IP廣域網(wǎng)實現(xiàn)電網(wǎng)廣域信息的實時交換;利用多Agent系統(tǒng)在解決分布式在線問題的合作求解能力,實現(xiàn)保護(hù)之間動作的協(xié)調(diào)。目前在高壓輸電網(wǎng)上,將無線傳輸、GPS時鐘授時數(shù)據(jù)同步、相量測量單元PMU等與繼電保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的廣域保護(hù)已有應(yīng)用,但其投資過高,于配電網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用仍有待時日。

3 對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

DG接入配電網(wǎng)后對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響與眾多因素有關(guān),如DG的類型、其接入配電網(wǎng)的接口類型、DG的容量、運行的控制模式、輸出功率的波動性、DG總的接入容量、接入點處負(fù)荷與DG輸出功率的比例以及饋線的電壓管理[11],主要表現(xiàn)為電壓波動、電壓閃變、諧波。

3.1 含DG配電網(wǎng)的電壓波動與閃變

當(dāng)某線路上傳輸?shù)墓β氏嗔繛镾=P+jQ時,設(shè)其線路阻抗Z=R+jX,并以首端電壓U1為參考電壓時,則線路的首端和末端的電壓降落值為

其中ΔU和啄U分別為電壓降落的縱分量和橫分量,為末端電壓相量。由式 (1)可知,當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后,接入點注入的功率增加或減少,將導(dǎo)致線路上傳輸功率的變化,電壓降落也將發(fā)生改變。而電壓降落隨著DG注入接入點功率的變化發(fā)生變化的變化量為：

由 (2)式可知,當(dāng)DG本身的啟?；蜃⑷虢尤朦c的功率波動較大時,如出力分別受風(fēng)速和太陽輻射強度變化影響較大的風(fēng)力和光伏發(fā)電,如果其接入線路的參數(shù)不合適,電壓降落值會十分明顯,這將引起DG接入點較大的電壓波動和閃變。由以上分析可知,電壓波動與閃變主要是由DG輸出功率的間歇性與波動性引起。

3.2 含DG配電網(wǎng)的諧波

DG多通過電力電子裝置接入配電網(wǎng),運行中不可避免地向配電網(wǎng)注入諧波。最常采用的是三相電壓型PWM逆變器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,L為輸出濾波器,R是濾波器阻抗。T1～T6位電力電子裝置,C為直流環(huán)電容,通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相角來獲得需要的有功與無功。

三相PWM型逆變器產(chǎn)生的諧波電壓主要有兩部份組成,低次諧波與控制器參數(shù)、系統(tǒng)擾動及死區(qū)有關(guān),高次諧波與PWM調(diào)制方式和輸出濾波器的濾波有關(guān)。由此可見連接配電網(wǎng)與DG的逆變器有很寬的諧波頻譜[12],相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,通常關(guān)注50次以下諧波,但在當(dāng)前的研究,一般只研究25次以下諧波。DG逆變器產(chǎn)生的諧波電壓主要影響其接入點電壓。在配電網(wǎng)中,如果接入點處同時有多個逆變器在向配電網(wǎng)注入功率,則接入點處電壓易超出限值。而由于諧波電壓的加入,使接入點電壓進(jìn)一步升高,將使逆變器過電壓保護(hù)動作,將DG切除。同時一些連接在接入點的電子設(shè)備可能被燒毀,甚至是逆變器中的功率開關(guān)設(shè)備。而這些現(xiàn)象經(jīng)常容易誤導(dǎo)運行人員,使其忽略諧波問題。而當(dāng)諧波電壓被配電網(wǎng)線路與負(fù)荷阻抗轉(zhuǎn)化為諧波電流,則會對接入點外的其他線路節(jié)點造成影響。除了損壞設(shè)備、造成系統(tǒng)誤動作,諧波電壓與電流還會加速電氣設(shè)備絕緣老化的速度,縮短其使用壽命。同時,諧波也可能對通信系統(tǒng)造成干擾。

圖3 DG逆變器機結(jié)構(gòu)圖

DG接入配網(wǎng)后使諧波諧振現(xiàn)象變得更加復(fù)雜。文獻(xiàn) [15]分析了配電網(wǎng)串聯(lián)與并聯(lián)諧振對并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生諧波的影響,指出并聯(lián)諧振使DG連接點電壓畸變升高,而串聯(lián)諧振使電流畸變增加。文獻(xiàn) [16]分析并網(wǎng)逆變器輸出阻抗與配電網(wǎng)阻抗的動態(tài)相互作用,通過DG系統(tǒng)測試平臺證實了這種相互作用會產(chǎn)生某些頻率的附加諧振。同時指出這種附加諧振不但會產(chǎn)生嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題,而且能導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)誤導(dǎo),毀壞敏感設(shè)備。

3.3 含DG配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理措施

為了改善DG接入配電網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響,本文提出以下三點改進(jìn)措施：

1)優(yōu)化選擇接入電壓等級和接入點。

接入點的短路容量越大,越能夠承受DG造成的電能質(zhì)量擾動。文獻(xiàn) [13]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法優(yōu)化單個DG的接入位置,將DG輸出功率波動引起的母線電壓波動降到最低。文獻(xiàn)[17]通過對IEC、IEEE和英國G5/4等標(biāo)準(zhǔn)中電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析,提出應(yīng)綜合考慮諧波源的諧波水平與接入點的短路容量,選擇合理的接入點與電壓等級,以保證系統(tǒng)諧波不超出相關(guān)規(guī)定的允許值。

2)化逆變器控制策略,降低輸出諧波。

文獻(xiàn) [14]用多功能四線電容中點逆變器作為DG并網(wǎng)逆變器,采用預(yù)測電流控制技術(shù),可以同時實現(xiàn)功率交換與改善電能質(zhì)量,如降低電流總諧波畸變率,提高功率因數(shù),消除直流分量。

3)裝電能質(zhì)量治理裝置。

采用有源電力濾波器、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器等電力電子裝置對配電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合治理。

4 結(jié)束語

1)DG接入配電網(wǎng)后,有可能會造成配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合失效、保護(hù)靈敏度降低等問題,為保證配電網(wǎng)安全運行,建議優(yōu)先采取新的保護(hù)方案與整定值算法,必要時增加方向原件,而遠(yuǎn)期則可以考慮逐步實施將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與現(xiàn)有配網(wǎng)保護(hù)相結(jié)合的新型保護(hù)方案。

2)DG輸出功率波動性引發(fā)的電壓波動與閃變,并網(wǎng)逆變器帶來的諧波污染,都會嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過優(yōu)化選擇DG接入電壓等級和接入點、優(yōu)化逆變器控制策略、加裝電能質(zhì)量治理裝置等方法,可以有效改善配網(wǎng)電能質(zhì)量。

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Research on Impact and Solution of Distributed Energy Sources on Protection and Power Quality in Distribution Network

Wang Lei1,2,Wang Xinggang3,Sun Chengxiang1,2,Wang Chunlin1,2,Peng Qingjun4
(1.Graduation Workstation of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650271; 2.School of Electrical&Electronic Engineering,North China Electrical Power University,Baoding,Hebei 071003; 3.Yunnan Grid Planning and Research Center,Kunming 650011; 4.Post-doctoral Workstation of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650271)

In-depth study of the impact of DG integrated into distribution network on protection and power quality of the distribution network has important practical significance.To This end,based on IEEE13 node standard network,impact on protection coordination and sensitivity of distribution network is researched;Secondly,the impact of DG through the inverter accessing distribution network on voltage fluctuations and harmonic resonance of distribution network is studied.Based on these studies and give some response.

distributed generations;distribution network;distribution protection;power quality

TM73

B

1006-7345(2014)03-0071-04

2014-03-10

王磊 (1987),男,碩士研究生,云南電網(wǎng)公司研究生工作站,研究方向為分布式能源發(fā)電 (e-mail)wl06152324@163.com。