含分布式電源和儲能的配電網(wǎng)運行故障及對策

文/張浩 黃瑋 胡海琴 汪德義

一般來說配電網(wǎng)主要指電壓等級在110kV及以下的電網(wǎng)，它的基本職能就是向用戶直接供電。研究顯示，配電系統(tǒng)自身故障是導致電力用戶遭受的停電時間的主要原因，因此電力企業(yè)應當提高對電力故障問題的重視。配電網(wǎng)供電的可靠性直接影響用戶用電的安全性和經(jīng)濟性。近年來，隨著世界能源結構的變化，我國社會發(fā)展的目標也發(fā)生了變化，我國開始推行建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展社會的能源發(fā)展戰(zhàn)略。為了充分保證能源發(fā)展戰(zhàn)略的順利推行，我國開始加大對“分布式供能技術”的研究力度，并將其列入我國的長期科研計劃中。分布式電源在未來電網(wǎng)的發(fā)展中將會起到非常關鍵的作用，甚至會成為未來電網(wǎng)發(fā)展的根本動力，這是毋庸置疑的。

1 分布式電源和微電網(wǎng)之間的聯(lián)系

1.1 分布式電源的特點和主要類型

分布式電源( Distribution Resources DR) 通常是分布式儲能裝置和分布式發(fā)電的總稱，一般情況下主要指接入到35kV及以下電壓等級配電網(wǎng)的小型電源。分布式發(fā)電供能是由多個組成部分組成的，它包括分布式電源、電力電子接口、各種控制器、網(wǎng)絡元件等，可與直接相連接的負荷構成微電網(wǎng)。由DG裝置和監(jiān)控、保護等設備匯集而成的并為相應區(qū)域供電的小型發(fā)配電系統(tǒng)構成微電網(wǎng)，相當于一個小型的含分布式電源的配電網(wǎng)。在該微電網(wǎng)中包含兩類參量，一種是和電能相關的電氣參量，另一種是和化學能、熱能、等相關的非電氣參量。風能和太陽能光伏等分布式發(fā)電單元的輸出功率都具有間歇性和隨機性的特點，且負荷的變化也具有隨機性, 這給外部電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)，由于大多數(shù)的DG和儲能元件是通過電力電子裝置接入到配電網(wǎng)之中，而各種電力電子裝置的控制目標也有所不同，其中有直流電源等電子設備，還有時間常數(shù)較大的旋轉設備，因此 整個分布式發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出典型的強非線性特征，且動態(tài)過程的時間常數(shù)之間存在很大差異。因此一旦分布式發(fā)電供能系統(tǒng)中受到干擾，就會產(chǎn)生以秒為級變化的慢動態(tài)過程和以毫秒為級變化的機電暫態(tài)過程，甚至還會產(chǎn)生微秒級快速變化的電磁暫態(tài)過程。

圖1：含儲能裝置的分布式電源并入配電網(wǎng)的基本結構模型

按照目前通常接入配電網(wǎng)的接口類型，可將分布式電源分成逆變型電源、同步發(fā)電機型電源和異步發(fā)電機型電源三類。其中，逆變型分布式電源又有恒功率控制型電源和恒壓恒頻控制型兩種。

1.2 分布式電源的滲透率

分布式電源的滲透率（penetration rate）是指分布式電源發(fā)出的總電量和整個系統(tǒng)消耗電量的比值，用于反映某個系統(tǒng)中分布式電源的影響范圍。分布式電源滲透率的高低受到其所在系統(tǒng)的特性和所考慮系統(tǒng)運行約束條件的影響，像潮流約束（潮流阻塞）、電能質(zhì)量約束、功率因數(shù)約束以及穩(wěn)定性約束等都有可能影響分布式電源滲透率的高低。在實際應用中對配電網(wǎng)中分布式電源滲透率的高低的規(guī)定如下：當所有的非電源元件（母線、饋線、開關、配變等）都正常運行狀態(tài)的情況下，分布式電源退出或出力不足不會影響配電網(wǎng)內(nèi)的負荷，也就不會有停電的狀況出現(xiàn)，這個時候就可以認為是分布式電源處于低滲透率水平的，同樣的，如果情況恰恰相反，則分布式電源處于高滲透率水平。原則上分布式電源總容量不能超過上一級配網(wǎng)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負荷的四分之一，也可以將其看作分布式電源滲透率高低的分界線。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)影響及模型

2.1 分布式電源對配電網(wǎng)的影響

配電網(wǎng)中引入較多DG后，原有的放射狀單電源網(wǎng)絡就會改變其潮流，不再單向地流向各負荷，即轉變成了一個分布有中小型電源的有源網(wǎng)絡，并且這些變化都可能會對配電網(wǎng)的電壓、短路電流分別產(chǎn)生影響，而且短路電流水平變化是與故障點的相對位置、線路阻抗、分布式電源容量之間會產(chǎn)生很大的影響。

傳統(tǒng)的旋轉式分布電源在運行的過程中由于其短路電流的配置和變電站的配置基本一致，因此在接入電力系統(tǒng)后其產(chǎn)生的短路電流一般都比較的大。分布式電源并網(wǎng)的配電網(wǎng)拓撲結構和短路電流等會經(jīng)常發(fā)生變化，而且還會影響配電網(wǎng)中保護和自動裝置等設備的運行。因此需要運用逆變器的并網(wǎng)分布式電源有其獨特的接口屬性和控制策略，來改變發(fā)電機故障的相應特征讓其產(chǎn)生的短路電流盡可能地減小。

2.2 含分布式電源的配網(wǎng)模型構建

從電力電子裝置的運行方式和控制策略上看，構建含分布式電源地配網(wǎng)模型時應當進行綜合考慮，尤其是在選取節(jié)點類型時。當含分布式電源的配電網(wǎng)處在非穩(wěn)定運行狀態(tài)時很可能會影響電能地質(zhì)量，對配電網(wǎng)的潮流及無功產(chǎn)生不同程度的影響, 甚至如果沒有及時地對其采取控制措施還可能會導致配電網(wǎng)中某些參數(shù)發(fā)生崩潰，這在很大程度上影響了負荷端的供電穩(wěn)定性。另外，DG的高滲透率的接入，對配電網(wǎng)的故障特性、保護配置構建帶來了深刻的影響。為此，對含分布式電源滲透率不低于30%的配電網(wǎng)建立模型如圖1所示。

多個分布式電源系統(tǒng)組成了一個完整地配電網(wǎng)，其中包含像光伏電池、燃料電池、風電機組這樣能夠提供能量的清潔形分布式電源。研究表明，受分布式電源系統(tǒng)本身位置影響，分布式電源和本地母線之間一般都會有一定的距離，這個距離就會導致二者之間產(chǎn)生一定的線路 阻抗，圖中用Zinei表示； ZLG為電網(wǎng)中的電路阻抗。當電網(wǎng)正常運行時，靜態(tài)開關K 閉合，配電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)；當電網(wǎng)運行出現(xiàn)故障時，K斷開，此時配電網(wǎng)處于獨立運行狀態(tài)。

3 含分布式電源的配電網(wǎng)中的運行分析

配電網(wǎng)接入分布式電源后若出現(xiàn)故障，其影響程度過程趨于復雜，在對含分布式電源的配電網(wǎng)運行狀況進行分析時應當進行全方位的考慮，不僅要考慮分布式電源自身原因，還要考慮是不是傳統(tǒng)的非電源配電網(wǎng)元件發(fā)生故障所造成的。

和傳統(tǒng)的同步電機相比，分布式電源的運行狀態(tài)很可能會受到地理位置變化和氣候改變的影響。由于傳統(tǒng)的故障就按測和故障現(xiàn)象模擬方法已經(jīng)無法滿足電網(wǎng)的運行安全要求，所以在對分布式電源配電網(wǎng)故障特性進行研究時，應當充分考慮分布式電源的接入對大電網(wǎng)系統(tǒng)故障后電氣量特征的影響。

分布式電源受外界因素影響的程度非常大，特別是氣候變化和地理位置的變化，由于配電網(wǎng)保護中配置有自動重合閘，所以在分布式電源接入之后，就很可能會出現(xiàn)非同期重合閘和電弧重燃的情況。這樣一來在高滲透率的分布式電源接入配電網(wǎng)后，可能會造成母線上的電壓超越正常運行電壓的上限，一旦大量的分布式電量脫網(wǎng)，又會導致母線上電壓低于正常運行電壓的下限。分析了分布式電源接入位置和接入功率對電網(wǎng)諧波的影響，對逆變型分布式電源接入電網(wǎng)進行了深入的研究，并對逆變型分布式電源的所提供的短路電流多態(tài)性特征以及等值模型建立等展開了分析。

基于逆變器接口電源在微電網(wǎng)孤島運行時，分布式電源故障特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下PQ 控制模式逆變型分布式電源可以向系統(tǒng)注入功率，但是VF 控制模式逆變型分布式電源卻和系統(tǒng)之間很小功率的交換，因此一旦電源系統(tǒng)發(fā)生短路，所有含 PQ 控制模式逆變型分布式電源側將不會出現(xiàn)明顯的故障特征，也就是電流幅值增大幅度不是很大；但是在 VF 控制模式逆變型分布式電源側電流變化卻表現(xiàn)出完全不同的特征，它的變化幅度非常的大，而且它的幅值受到VF 控制模式逆變型分布式電源容量大小的影響。因此在對PQ 控制模式電源側進行保護時，應當充分考慮實際的電流變化幅值采取適當?shù)膯雍蛣幼髋袚?jù)。

在逆變型分布式電源并入配電網(wǎng)運行之后發(fā)生故障的電氣特征會受到故障點與電源位置的影響，主要分為以下幾種情況：

第一種，分布式電源都在故障點同一側，這個時候的故障電流主要是由配電網(wǎng)提供的，再加上和逆變型分布式電源容量相比，配電網(wǎng)的容量要大的多，所有逆變型分布式電源接入點電壓也會比無配網(wǎng)連接時高，隨著短路點距離逆變型分布式電源距離的不斷拉近逆變型分布式電源的輸出電流會逐漸達到極限。

第二種，分布式電源位于故障點兩側。受傳統(tǒng)配網(wǎng)開環(huán)運行的影響。配電網(wǎng)電源只能在其中一側，即大電源側，這一側故障特征與傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障特征相似。小電源側的故障特征則和微電網(wǎng)孤島運行時的故障特征大致相似。

4 含分布式電源的配電網(wǎng)的運行控制策略和建議

從配電網(wǎng)調(diào)度運行模式、可再生能源消納、市場政策因素和需求側管理的角度來看，電力企業(yè)必須針對分布式電源并網(wǎng)運行模式和孤島運行模式，采取科學有效的措施來對系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，在不同的運行方式下應采取不同的控制策略。

在并網(wǎng)正常運行時，應當首先計算凈負荷的值，根據(jù)凈負荷的值來采取不同的控制策略，如果凈負荷大于零，那么就由剩下的非可再生能源分布式電源和大電網(wǎng)根據(jù)優(yōu)化調(diào)度算法計算的結果依次補給。如果凈負荷小于零，就要對儲能系統(tǒng)蓄電池進行充電，充滿后將富余電能輸送往配電網(wǎng)。二是在孤島運行條件下，要首先考慮自然條件發(fā)電，像風能、太陽能等。當局部微網(wǎng)中分布式發(fā)電單元的發(fā)電量無法滿足所有的負荷需求時，考慮通過蓄電池放電來滿足。如果通過采用蓄電池放電還是不能滿足負荷需求，就要對各個分布電源的輸出功率進行整體的優(yōu)化控制。

此外對配電網(wǎng)故障定位的方法較多樣化，但需依據(jù)各種分布式電源接入配電網(wǎng)短路故障處理性能進行統(tǒng)籌考慮，并結合調(diào)度支持系統(tǒng)以及配電自動化系統(tǒng)的告警和數(shù)據(jù)，綜合配變、DTU、FTU、故障指示器等裝置信息進行判斷定位故障和隔離處理。

（1）故障隔離。對于含分布式電源的配網(wǎng)故障快速定位和隔離，應把故障的影響隔離在最小范圍，減小故障元件的損壞程度，縮短負荷的低電壓時間，一旦發(fā)現(xiàn)分布式電源發(fā)生故障，應當及時準確的對其進行切除，充分保障配電網(wǎng)內(nèi)非故障區(qū)域的正常供電，進而使配電網(wǎng)和分布式電源得以安全運行。

（2）故障恢復?；谙冗M的技術支持平臺，建立了涵蓋分布式電源影響的配電網(wǎng)故障恢復模型，對模型集合內(nèi)各方案進行定量計算分析，列出優(yōu)先級次序，并在此基礎上改進了交叉和變異算子，有助于運行指揮人員根據(jù)實際情況迅速采取合理的恢復方案，做到對故障的高效處置。

5 結語

分布式電源作為傳統(tǒng)集中電源的補充，有助于改善配電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟性和抗災性，但是分布式電源接入地區(qū)配電網(wǎng)后，不僅會改變配電網(wǎng)的潮流結構和短路電流幅值及流向，還將引起配電網(wǎng)容量不足和保護配置不完備等不利因素，同時分布式發(fā)電系統(tǒng)結構的特殊性和功率輸出的不確定性導致了其網(wǎng)絡模型和穩(wěn)定性計算趨于復雜，這些都給配電網(wǎng)的管理控制和運行故障處理方面帶來新的困難與挑戰(zhàn)。因而，我們要繼續(xù)深入對各類分布式電源在實際運行中的問題研究，進一步優(yōu)化算法，完善對策措施，實現(xiàn)配電網(wǎng)對分布式電源的消納的技術能力的有效提升。