分布式電源對配網(wǎng)接地方式的影響分析

王 濤,施 榮

(1.華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司,陜西 西安 710075;2.國網(wǎng)陜西省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著化石能源的消耗和急劇減少,可再生能源的發(fā)展得到了重視,近年來DG快速發(fā)展,接入容量不斷增大,改變了當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)并提高了能源的利用效率,而DG接入配網(wǎng),也同時(shí)帶了一系列的問題[1-2]．DG改變了傳統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu),系統(tǒng)變?yōu)槎嘣淳W(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)潮流發(fā)生相應(yīng)的變化,故障電流分布也有所不同,對繼電保護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定、供電可靠性、電能質(zhì)量都有影響．

DG接入使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變,繼電保護(hù)配置也需改變,文獻(xiàn)[3]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化,提出了適應(yīng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的繼電保護(hù)方案;文獻(xiàn)[4-5]分析了現(xiàn)有配電網(wǎng)接地方式對觸電保護(hù)的影響;文獻(xiàn)[6]分析了接地方式對新型柔性直流配電網(wǎng)的影響；文獻(xiàn)[7-8]研究了分布式發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對配電網(wǎng)可靠性的影響,求取含DG的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的計(jì)算公式,分析了DG對配網(wǎng)可靠性的影響文獻(xiàn)；文獻(xiàn)[9]討論了配網(wǎng)架空線路網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式對供電可靠性的影響;DG通常需要電力電子裝置并網(wǎng),這些電力電子裝置將產(chǎn)生諧波,文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)了DG中電力電子裝置產(chǎn)生的諧波在電網(wǎng)中傳播的特性,分析了DG接入后對配電網(wǎng)諧波特性的影響．DG并網(wǎng)時(shí),配網(wǎng)的接地方式及并網(wǎng)變壓器并網(wǎng)方式不同,對故障電流在網(wǎng)絡(luò)中的流向和分布有較大的影響,對繼電保護(hù)、供電可靠性、電能質(zhì)量都有重要的影響,但在前面的研究中較少考慮接地方式的影響,因此有必要對含DG的配電網(wǎng)接地方式和并網(wǎng)變壓器并網(wǎng)方式進(jìn)行分析,總結(jié)出適合的中性點(diǎn)接地配合方式．

本文首先考慮在過電壓、繼電保護(hù)、諧波等多個因素條件下,并網(wǎng)變壓器連接方式選擇的基本原則；其次討論不同接地配合方式對故障電流分布的影響,總結(jié)并網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)接地方式與中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的配合原則．最后在ATP/EMTP仿真軟件中建立模型,驗(yàn)證理論分析的正確性．

1 中壓配電網(wǎng)接地方式

中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式發(fā)展到現(xiàn)在,主要有兩大類,第一類是大電流接地方式,主要有中性點(diǎn)直接接地、經(jīng)小電阻和小電抗接地;另一類是小電流接地,主要有中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈和大電阻接地．在中壓等級配電網(wǎng)中,主要接地方式是中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈和經(jīng)小電阻接地3種方式[11]．中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)對地絕緣,它屬于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng),結(jié)構(gòu)相對簡單，這種接地方式下發(fā)生單相接地故障時(shí),流過故障點(diǎn)的電流即為系統(tǒng)的對地電容電流，當(dāng)故障為金屬性單相接地故障時(shí),故障相電壓降為零,中性點(diǎn)產(chǎn)生位移電壓,非故障相的相電壓升高至線電壓,目前在我國中壓電網(wǎng)中應(yīng)用較廣[12].中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)又稱為補(bǔ)償電網(wǎng)或者諧振電網(wǎng)，即在中性點(diǎn)和大地之間接入一個電感消弧線圈,由于消弧線圈的作用可產(chǎn)生一個與故障處電容電流大小相等、方向相反的電感電流,通過相互作用補(bǔ)償使得故障處的電流減小,從而盡可能的熄滅電弧,消弧線圈也因此得名．其接地電弧往往不能自熄,易造成弧光過電壓[13];中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式,即中性點(diǎn)與大地之間接入一定電阻值的電阻，由于電阻是耗能元件并帶阻抗特性,對防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓有一定的積極意義,因此在中壓配電網(wǎng)中得到了一定的運(yùn)用[14]．本文主要針對DG接入中壓配電網(wǎng)后對其接地方式的影響的探討,因此主要針對這3種接地方式進(jìn)行討論．

2 DG及其并網(wǎng)變壓器的連接方式選擇

DG是指功率相對較小、模塊式,主要在負(fù)荷端的可再生能源發(fā)電設(shè)備,如風(fēng)電、光伏等小型發(fā)電設(shè)備．DG是區(qū)別于傳統(tǒng)大規(guī)模集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離、大網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電形式,可以靈活接入電網(wǎng),高效利用清潔能源．常見的原動機(jī)主要有風(fēng)輪機(jī)、太陽能光伏、燃料電池等多種可再生能源的轉(zhuǎn)換設(shè)備．DG接入配電網(wǎng)后,改變了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對于系統(tǒng)故障電流造成了巨大的影響,因此有必要對其進(jìn)行研究．

DG并入配電網(wǎng)必須經(jīng)過并網(wǎng)變壓器，并網(wǎng)變壓器對抑制諧波注入有積極的作用.同時(shí)，隔離變壓器的連接方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重大的影響.并網(wǎng)變壓器的4種連接方式如圖1所示.

在選擇并網(wǎng)變壓器的連接方式時(shí)，主要考慮以下幾個方面的問題：

(1) 抑制鐵磁諧振過電壓 以并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)不接地為例進(jìn)行分析，圖2為DG接入電網(wǎng)的示意圖.當(dāng)電網(wǎng)C相f處發(fā)生單相故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)設(shè)備KSG切除供電，如果DG仍然在運(yùn)行，在DG至故障點(diǎn)之間的線路上依然有電壓存在.由于并網(wǎng)變壓器在高壓側(cè)無接地點(diǎn)，典型的鐵磁諧振就會產(chǎn)生.同時(shí)，AB兩個非故障相也會出現(xiàn)過電壓.如果DG側(cè)的繼電保護(hù)設(shè)備KDG不能檢測到故障而DG繼續(xù)超負(fù)荷供電的話，系統(tǒng)中將出現(xiàn)過電壓，這種運(yùn)行狀態(tài)將會嚴(yán)重影響DG的設(shè)備安全.

圖 1 并網(wǎng)變壓器連接方式 圖 2 并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)不接地接入電網(wǎng)Fig.1 The connection mode of grid-connected Fig.2 Ungrounded high voltage side of grid- transformer connected transformer

當(dāng)并網(wǎng)變壓器的高壓側(cè)使用不接地的連接方式時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓，危害電力設(shè)備.在選擇并網(wǎng)變壓器的連接方式時(shí)，應(yīng)保證在系統(tǒng)故障時(shí)，高壓側(cè)有效接地以防止在DG側(cè)發(fā)生嚴(yán)重過電壓.

(2) 對DG繼電保護(hù)的影響 當(dāng)故障發(fā)生在配電線路上時(shí)，對于DG內(nèi)部的保護(hù)裝置而言，其檢測出的短路電流需要足夠大，以便快速正確的切除故障線，使保護(hù)措施更加可靠.并網(wǎng)變壓器的連接方式，對于故障電流有一定的影響，在選擇變壓器的連接方式時(shí)，必須遵循便于故障檢測的原則.以單相短路故障為例，如圖2所示，當(dāng)C相發(fā)生故障時(shí)，短路電流的大小取決于線路的零序阻抗，如果變壓器配網(wǎng)端高壓側(cè)不接地，零序阻抗非常大，短路電流非常小，導(dǎo)致DG側(cè)保護(hù)裝置KDG很難檢測到電網(wǎng)側(cè)的單相故障，DG側(cè)的繼電保護(hù)裝置不會動作，使得DG超負(fù)荷運(yùn)行.因此為了保證DG側(cè)的繼電保護(hù)裝置能有效的檢測到故障電流，在選擇變壓器連接方式時(shí)，應(yīng)遵循配網(wǎng)側(cè)有效接地的原則.

(3) 抑制諧波注入 當(dāng)前DG大部分都具有非線性整流元件和高功率電子器件，這些電力電子變換設(shè)備會產(chǎn)生大量諧波，這些諧波向電網(wǎng)注入會導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量，因此必須抑制諧波的注入.

電力電子變換設(shè)備主要為3k(k=1,2,3,…)次諧波，而3k次諧波會在三角形連接的線圈中循環(huán)而不通過變壓器.選擇并網(wǎng)變壓器的連接方式時(shí)，始終保持三角形連接作為并網(wǎng)變壓器的任意一端的連接模式，就能有效的抑制3k次諧波注入電網(wǎng).

綜上所述，選擇并網(wǎng)變壓器的連接方式，有以下的基本原則：

(1) 并網(wǎng)變壓器的配網(wǎng)側(cè)需要接地，以防止DG側(cè)不能檢測到故障電流；

(2) 并網(wǎng)變壓器的配網(wǎng)側(cè)的接地應(yīng)選擇直接接地或經(jīng)小電阻接地的方式；

(3) 始終保持三角連接作為并網(wǎng)變壓器的任意一端的連接模式.

因此，圖1中滿足上述條件的方案為①,③,④，但方案①有直接的中性點(diǎn)，而③,④需要另接接地變壓器，在實(shí)際中，方案①得到了更為普遍的運(yùn)用，因此本文以方案①進(jìn)行后續(xù)的討論及分析.

3 含DG的中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式理論分析

當(dāng)DG的接入,使得系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,接地方式也變得多樣,如圖3為DG接入配電網(wǎng)的示意圖,無DG接入時(shí),配網(wǎng)只在A處有接地點(diǎn),DG接入后,DG側(cè)B處也有接地點(diǎn),因此需要對兩者的接地配合方式進(jìn)行討論．

圖 3 DG接入配網(wǎng)示意圖 圖 4 f處故障時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)圖 Fig.3 The schematic diagram of DG connected Fig.4 Compound sequence network of to distribution network failure point f

繪出f處發(fā)生單相接地故障時(shí)配電網(wǎng)的復(fù)合序網(wǎng)圖如圖3所示,正序、負(fù)序和零序阻抗分別用下標(biāo)括號內(nèi)的1,2,0表示．將DG考慮為電流源,其值與電壓和時(shí)間相關(guān),其故障情況下輸出的正序電流和負(fù)序電流分別為iDG(1)和iDG(2)．ZDG(0)為DG輸入阻抗,主要由并網(wǎng)變壓器接地方式?jīng)Q定:以圖1中方案①為例,當(dāng)高壓側(cè)不接地時(shí),在DG側(cè)無接地點(diǎn),因此ZDG(0)近似無窮大;當(dāng)高壓側(cè)直接接地時(shí),在DG側(cè)有金屬性的接地點(diǎn),ZDG(0)近似為零;當(dāng)并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)經(jīng)阻抗接地時(shí),在DG側(cè)有接地點(diǎn),其接地阻抗由接地方式?jīng)Q定[15]．從圖4的復(fù)合序網(wǎng)圖可知,故障點(diǎn)f的故障電流為

(1)

式中：Z(0)=(ZS(0)+αZAB(0))//(ZDG(0)+(1-α)ZAB(0))；ES、ZS分別為配網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)的等值電勢和阻抗；ZAB為輸電線AB的等值阻抗,故障點(diǎn)f距離A母線間線路的等值阻抗為αZAB．

配網(wǎng)母線出口處零序電流為

(2)

故障電流受到零序阻抗Z(0)的影響,而Z(0)受到ZS(0)和ZDG(0)的影響,所以DG并網(wǎng)變壓器的接地方式與系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)接地方式的配合對故障發(fā)生時(shí),系統(tǒng)中的故障電流分布具有重要的影響．根據(jù)選擇,以圖1中的方案①進(jìn)行討論,在并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)有效接地,討論系統(tǒng)側(cè)與并網(wǎng)變壓器的中性點(diǎn)接地方式配合．

3.1 并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地

并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)直接接地,ZDG(0)為0,分布式電源側(cè)零序阻抗遠(yuǎn)小于系統(tǒng)側(cè)零序阻抗．在中壓系統(tǒng)中,系統(tǒng)零序阻抗遠(yuǎn)大于線路的零序阻抗,因此分流系數(shù)K約等于0,在故障發(fā)生時(shí),饋線出口處的零序電流相對系統(tǒng)總零序電流比例最小,其幅值也相對較小,使得上游零序電流保護(hù)不易檢測到故障電流而發(fā)生拒動,使得保護(hù)可靠性降低．同時(shí),DG接入后,系統(tǒng)總?cè)萘孔兇?故障電流相應(yīng)增加,若保護(hù)不能有效動作,對人身和設(shè)備都是潛在的威脅．因此不論配電系統(tǒng)側(cè)采用何種接地方式,在DG并網(wǎng)變壓器的高壓側(cè)均不會采取直接接地方式.

3.2 并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)通過小電阻接地

并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)經(jīng)小電阻接地時(shí),相較于并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地方式,當(dāng)采用經(jīng)一定阻抗值接地時(shí),使得分流系數(shù)K增大,Z(0)增大,這時(shí)故障點(diǎn)的零序電流減小,需要對流過饋線出口的零序電流進(jìn)行分析,以討論合理的接入阻抗范圍．

(1) 系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)不接地 當(dāng)系統(tǒng)側(cè)為中性點(diǎn)不接地方式時(shí),ZS(0)近似無窮大,分流系數(shù)K較小,流過饋線的零序電流較小,易造成系統(tǒng)零序電流保護(hù)拒動或降低保護(hù)的靈敏度．因此當(dāng)系統(tǒng)側(cè)中心點(diǎn)不接地時(shí),DG側(cè)的接地電阻應(yīng)當(dāng)足夠大,使得分流系數(shù)增大,使系統(tǒng)的零序電流保護(hù)能夠有效動作．

(2) 系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地 當(dāng)采用消弧線圈欠補(bǔ)償時(shí),ZS(0)呈現(xiàn)為容性,系統(tǒng)側(cè)的阻抗過大,分流系數(shù)K較小,流過饋線的零序電流較小,與不接地系統(tǒng)類似,對保護(hù)的可靠性有影響．當(dāng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈全補(bǔ)償接地時(shí),Zs(0)為近似無窮大,流過故障點(diǎn)的電流為零,故障相全線流過的電流為零,線路對地電容電流全部經(jīng)中性點(diǎn)接地消弧線圈流過,但此時(shí)系統(tǒng)易產(chǎn)生諧振過電壓;當(dāng)采用過補(bǔ)償時(shí),ZS(0)呈現(xiàn)為感性,此時(shí)故障處的故障電流與脫諧度成正比,隨著脫諧度增加而變大．

(3) 系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地 當(dāng)系統(tǒng)側(cè)為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地時(shí),ZS(0)的值為3倍中性點(diǎn)電阻與系統(tǒng)對地電容并聯(lián),故障點(diǎn)電流與中性點(diǎn)阻值成反比,隨著中性點(diǎn)電阻值增大不斷減?。?dāng)ZS(0)>ZDG(0)時(shí),分流系數(shù)較小,流過饋線的零序電流也較小,不利于保護(hù)的識別．因此DG側(cè)接地采用的小電阻阻值應(yīng)大于系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)電阻值．

總結(jié)上述的分析,當(dāng)配電網(wǎng)有DG接入時(shí),系統(tǒng)接地方式配合的原則是:在并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)以不同的接地方式而引入的DG零序阻抗值一定要比系統(tǒng)側(cè)的零序阻抗更大或者至少相等．

圖 5 DG接入10kV配網(wǎng)仿真模型Fig.5 The simulation model of DG connected to 10 kV distribution network

在中壓配電系統(tǒng),若在系統(tǒng)側(cè)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或小電阻接地方式時(shí),DG并網(wǎng)變壓器可以采用小電阻接地或者不接地方式進(jìn)行配合．采用小電阻接地方式時(shí),其電阻值應(yīng)大于系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)電阻值,確保不影響保護(hù)裝置的靈敏度．采用不接地方式時(shí)需要配備遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng),配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí),DG能獲取故障信息并采取相應(yīng)的保護(hù)措施．

4 DG接入對配電網(wǎng)影響的仿真分析

為了分析DG接入后對中壓配電網(wǎng)接地方

式的影響,以0.69 kV風(fēng)電并入10 kV配網(wǎng)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證．在ATP/EMTP仿真軟件中建立如圖5所示的仿真模型．

配網(wǎng)側(cè)的變壓器連接方式為Y/D,在母線A處設(shè)置接地變壓器．在母線B處接入DG．配網(wǎng)側(cè)變壓器容量為40 MVA,而并網(wǎng)變壓器容量為1 MVA.線路長10 km,對應(yīng)參數(shù)為R1=0.172 3 Ω·km-1,R0=0.322 3 Ω·km-1,L1=0.327 6 Ω·km-1,L0=1.146 6 Ω·km-1,C1=0.008 μF·km-1,C0=0.005 μF·km-1.

4.1 不同并網(wǎng)變壓器連接方式仿真分析

為比較不同變壓器的連接方式對故障電流的影響,在ATP中建立仿真模型,系統(tǒng)側(cè)選擇以不接地方式運(yùn)行,簡化分析,隔離變壓的Y側(cè)均以小電阻接地,D側(cè)均不接地,對不同的連接方式進(jìn)行仿真.流經(jīng)DG側(cè)保護(hù)裝置的故障電流,如表1所示.諧波掏效果如圖6所示.

圖 6 3次倍諧波抑制效果Fig.6 The effect of three times harmonic suppression

連接方式(SG-DG)故障電流/ADG故障電流/A Y/Y105.813.8D/Y108.13.7Y/D721.140.3D/D102.15.6

從表1可以看出,對于高壓側(cè)中性點(diǎn)具有有效接地的連接方式Y(jié)/Y、Y/D在DG保護(hù)裝置處測得的故障電流明顯大于在高壓側(cè)不接地的連接方式D/Y、D/D,有利于DG能有效檢測到故障并啟動保護(hù)．從圖6可知,一側(cè)具有三角形連接模型的并網(wǎng)變壓器,能夠有效地抑制三次諧波的注入,上述的仿真結(jié)果與理論分析相互驗(yàn)證．在選擇變壓器的連接方式時(shí),盡可能的在高壓側(cè)選擇有效的接地,即Y/Y、Y/D的連接方式,以保證DG側(cè)的保護(hù)能夠正常動作．若選擇Y/Y連接方式時(shí),需采取其他措施對三次諧波進(jìn)行抑制．

4.2 配網(wǎng)接地方式與并網(wǎng)變壓器接地方式配合仿真

為研究配網(wǎng)接地方式與并網(wǎng)變壓器接地方式的配合,在仿真中,選擇并網(wǎng)變壓器以Y/D連接方式接入,高壓側(cè)以電阻接地．討論配網(wǎng)側(cè)不同的接地方式進(jìn)行仿真分析,以選擇合適的配網(wǎng)接地方式,得到圖7～圖9的分析結(jié)果.為了更好比較3種情形下的故障電流及過電壓,統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果表2所示.

圖 7 系統(tǒng)側(cè)不接地方式下故障點(diǎn) 圖 8 系統(tǒng)側(cè)經(jīng)消弧線圈接地方式下故障點(diǎn) 的三相電壓波形 的三相電壓波形 Fig.7 The three-phase voltage waveform Fig.8 The three-phase voltage waveform of of fault point with system side fault point with system side grounded ungrounded via arc suppression coil

圖 9 系統(tǒng)側(cè)經(jīng)小電阻接地方式下故障點(diǎn) 三相電壓波形Fig.9 The three-phase voltage waveform of fault point with system side grounded via resistance

表2的仿真結(jié)果中可以看出,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的發(fā)生故障時(shí),其過電壓值大于其他兩種接地方式．相較于小電阻接地方式而言,經(jīng)消弧線圈接地在故障時(shí)刻的過電壓明顯更?。?jīng)消弧線圈接地方式在抑制過電壓現(xiàn)象上具有更積極的意義,同時(shí)其故障電流相較于其他接地方式也相對較?。?/p>

5 結(jié) 論

DG接入配網(wǎng)后,對配網(wǎng)的各個方面都產(chǎn)生了一定的影響．針對DG接入電網(wǎng)后對其接地方式的影響,本文通過理論分析及仿真驗(yàn)證,得到了DG接入中壓配電網(wǎng)后,并網(wǎng)變壓器連接方式的選擇方法及系統(tǒng)接地方式與DG接地方式的配合原則:

(1) 當(dāng)線路中發(fā)生故障時(shí),為確保DG側(cè)的本地保護(hù)能檢測到足夠的故障電流,使保護(hù)正確動作,并網(wǎng)變壓器的高壓側(cè)應(yīng)當(dāng)提供有效的接地點(diǎn)；

(2) 盡量保持三角連接作為并網(wǎng)變壓器的任意一端的連接模式以抑制三次諧波,若選擇Y/Y連接方式時(shí),需采取其他措施對三次倍諧波進(jìn)行抑制；

(3) 當(dāng)配電網(wǎng)有DG接入時(shí),并網(wǎng)變壓器高壓側(cè)接地方式引入的DG零序阻抗一定要比系統(tǒng)側(cè)的零序阻抗更大或者至少相等,以保證繼電保護(hù)系統(tǒng)的有效動作．

表 2 單相接地故障仿真結(jié)果