智能配網(wǎng)中分布式電源的控制與保護(hù)技術(shù)研究

鄧 昱，趙 劍

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

近年來，由于環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，有關(guān)部門引起了高度重視，對新能源的青睞度也越來越高，新能源因此迎來了全新的發(fā)展機(jī)遇。因分布式電源具有規(guī)模小、可靠性高、靈活性高、無污染等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在智能配電網(wǎng)中，成為現(xiàn)階段一種重要的發(fā)電方式[1]。

1 分布式電源概念

分布式電源是利用分散式新能源發(fā)電的一種較為小型的裝置，主要安裝在用戶的周圍。分布式發(fā)電包含多種形式，如小型風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等無污染發(fā)電方式[2]。但是在這種分布式發(fā)電接入到配網(wǎng)后，會在一程度上影響配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電源輻射網(wǎng)絡(luò)發(fā)生相應(yīng)的變化，使其從單電源變?yōu)槎嚯娫?，對配網(wǎng)的潮流分布造成一定影響，導(dǎo)致電能質(zhì)量出現(xiàn)問題，給配網(wǎng)的保護(hù)和控制帶來不利影響。

2 各種類型分布式電源提供短路電流的大小

不同類型的分布式電源接入到配網(wǎng)后，在發(fā)生故障時，分布式電源將會提供相應(yīng)的電流至故障點(diǎn)。對于繼電保護(hù)而言，發(fā)生故障時需要用一個電源串聯(lián)一個電抗的模型來表示相應(yīng)的分布式電源模型。因此，所研究的對象是故障發(fā)生時分布式電源能夠提供電流的大小程度。由于不同類型分布式電源的電抗值不一樣，表示不同類型分布式電源所提供電流的能力大小不一樣，需要對各種類型分布式電源的電流注入能力進(jìn)行分析。

3 分布式電源對配網(wǎng)保護(hù)的影響

3.1 對原配電網(wǎng)保護(hù)的影響

分布式電源的發(fā)展初期，其運(yùn)行方式僅有一種，即并網(wǎng)運(yùn)行。因此，在電網(wǎng)發(fā)生故障后，配網(wǎng)中的分布式電源都會退出運(yùn)行狀態(tài)，并且各個電源不會獨(dú)立供電，給電網(wǎng)帶來了電能質(zhì)量問題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了滿足配網(wǎng)發(fā)生故障時分布式電源能夠獨(dú)立運(yùn)行，逐漸演變成了2種運(yùn)行方式[3]。

目前，在我國的配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)中，最為常見的就是3段式電流保護(hù)裝置。這種裝置具有相應(yīng)的整定值與動作時間，在配電網(wǎng)的保護(hù)方面有著十分重要的作用。但由于這種保護(hù)裝置的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)屬于單電源輻射網(wǎng)，在接入分布式電源后，配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）也因此發(fā)生變化，一定程度上影響到了傳統(tǒng)的電流保護(hù)。

圖1 分布式電源接入后配電網(wǎng)系統(tǒng)

3.1.1 K2點(diǎn)發(fā)生故障

當(dāng)圖1中K2發(fā)生故障后，B3處并沒有相應(yīng)的電流通過，因此不會影響到相鄰的饋線。經(jīng)過B2處的電流由S和DG提供，在這些助增電流的影響下，會導(dǎo)致饋線的保護(hù)距離延長，甚至失去相應(yīng)的保護(hù)。雖然B1處的電流由系統(tǒng)S直接提供，但故障電流比接入DG之前K2點(diǎn)的短路電流要小，并且在DG的容量變大以后，經(jīng)過B1處的電流會變小，導(dǎo)致B1的靈敏度降低，失去保護(hù)效果。

3.1.2 K1點(diǎn)發(fā)生故障

在K1點(diǎn)發(fā)生故障以后，B2與B3都不會有電流經(jīng)過，對保護(hù)沒有產(chǎn)生任何影響。雖然B1的電流由S直接提供，但是經(jīng)過的電流大小與接入DG時相比較小，導(dǎo)致B1的靈敏度降低，可能會出現(xiàn)保護(hù)失效。

3.1.3 K3點(diǎn)發(fā)生故障

在K3點(diǎn)發(fā)生故障時，電流不會經(jīng)過B2，保護(hù)不會受到任何影響，但是B1處會有DG提供的電流。當(dāng)接入DG的容量較大時，線路中的電流就會相應(yīng)增大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致B1保護(hù)產(chǎn)生錯誤，失去相應(yīng)的選擇性，同時系統(tǒng)也會隨之解體。另外，當(dāng)B3中同時含有S和DG提供的電流時，B3的保護(hù)距離就會相應(yīng)的延長，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致保護(hù)發(fā)生錯誤。

因此，在經(jīng)過以上的分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DG并入到配電網(wǎng)中后，對三段式電流保護(hù)會產(chǎn)生相應(yīng)的影響，其主要表現(xiàn)在線路靈敏度降低，導(dǎo)致保護(hù)發(fā)生拒動現(xiàn)象，保護(hù)范圍延長，保護(hù)失去選擇性，從而擴(kuò)大了事故發(fā)生的范圍。

3.2 對自動重合閘的影響

在以往的配電網(wǎng)故障中，瞬時故障較多，其占比達(dá)到總故障事件的80%以上。應(yīng)用自動重合閘以后，有效提升了供電的可靠性，并在一定程度上降低了停電的概率，對保護(hù)電網(wǎng)電力質(zhì)量有著重要作用，尤其是在配電網(wǎng)單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)中的效果更為顯著。因此，在將分布式電源并入到配電網(wǎng)后，必須在非全電纜線路處增加三相一次重合閘裝置。在分布式電源并入配電網(wǎng)的前期，當(dāng)自動重合閘恢復(fù)故障線路供電時，系統(tǒng)不會受到較大的影響，一般情況下故障線路都會恢復(fù)至正常狀態(tài)[4]。但是在分布式電源并入到配網(wǎng)中后，線路會因故障的原因出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，導(dǎo)致故障線路與電網(wǎng)連接斷開。如果分布式電源在故障后并未與配網(wǎng)連接斷開，則會持續(xù)向負(fù)荷提供電流，此時就會形成相應(yīng)的電力孤島。就電力孤島而言，其功率和電壓都會保持在額定值左右，這些表面上處于正常狀態(tài)的電力孤島在一定程度上會損壞自動重合閘。

分布式電源與系統(tǒng)之間徹底斷開以后，與電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)就會出現(xiàn)異同，導(dǎo)致相位差相差加大，同時非同期重合閘也會產(chǎn)生相應(yīng)的電流和電壓，對配網(wǎng)造成損害，這種現(xiàn)象不允許出現(xiàn)在現(xiàn)階段的電力系統(tǒng)中。此外，當(dāng)分布式電源完全與系統(tǒng)斷開后，還會向故障點(diǎn)提供相應(yīng)的電流，導(dǎo)致線路中產(chǎn)生持續(xù)性電弧，嚴(yán)重影響到自動重合閘。

3.3 對熔斷器保護(hù)的影響

當(dāng)線路中出現(xiàn)較大的電流時，熔斷器就利用電流產(chǎn)生的熱量將熔絲熔斷，從而有效隔離故障線路與正常線路，但它是一次性的。在常規(guī)的配網(wǎng)中，熔斷器安裝的位置一般在配變高壓側(cè)或線路末端、分支出。不含分布式電源時熔斷器之間的配合如圖2所示，在熔斷器F1和F2的相互作用下，有效保護(hù)了配網(wǎng)線路的安全。如果K5發(fā)生故障現(xiàn)象，那么F1和F2中的電流值就相同，但是F1的熔斷時間要大于F2的熔斷時間，有時在F2熔斷以后，F(xiàn)1還未開始熔斷，這種方式就有效保護(hù)了正常線路，提升了選擇性。

圖2 不含分布式電源時熔斷器之間的配合

如果線路中存在分布式電源，則配電網(wǎng)就會形成相應(yīng)的多電源網(wǎng)絡(luò)，熔斷器之間的配合如圖3所示。在K4點(diǎn)出現(xiàn)故障以后，雖然F1和F2處的電流相同，但是為了保護(hù)選擇性，在K4點(diǎn)故障發(fā)生以后，要使F2的熔斷時間大于F1的熔斷時間，讓F1率先熔斷；在K5發(fā)生故障以后，要求F1的熔斷時間大于F2的熔斷時間，讓F2率先熔斷，這樣就導(dǎo)致上下游的熔斷器不能有效配合，無法保護(hù)選擇性。

圖3 含分布式電源時熔斷器之間的配合

4 含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)方案

當(dāng)分布式電源的容量較小時，其通過的電流也會相應(yīng)減小，對于原有電流的保護(hù)而言，并沒有太大的影響；當(dāng)分布式電源的容量較大時，其通過的強(qiáng)電流就會對保護(hù)產(chǎn)生一定程度上的影響，導(dǎo)致靈敏性和選擇性降低，從而使得傳統(tǒng)的電流保護(hù)失效?；谶@種情況，研究人員已經(jīng)提出了相應(yīng)的保護(hù)方案，其主要分為2種保護(hù)形式，一種是改進(jìn)傳統(tǒng)的電流保護(hù)，另一種是在輸電網(wǎng)中設(shè)置距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)等。雖然研究成果已經(jīng)得到了較好的發(fā)展，但是在實(shí)際運(yùn)用的過程中還受到相應(yīng)的限制[5]。

4.1 改進(jìn)的電流保護(hù)

在分布式電源接入到配網(wǎng)后，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致單電源輻射網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫摧椛渚W(wǎng)。因此，為了防止分布式電源上游的線路失去保護(hù)作用，在線路安裝的過程中應(yīng)安裝3段式方向性電流元件，以此實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)，確保動作具有選擇性。此外，為了避免下游線路保護(hù)出現(xiàn)誤動現(xiàn)象，各線路之間的電流保護(hù)要做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)分布式電源的電流注入量。

4.2 距離保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)

相比較電流保護(hù)而言，輸電網(wǎng)成熟的距離保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)的性能更加完善，并且這2種保護(hù)方式不會受到系統(tǒng)的影響。此外，在線路中使用方向元件后，在一定程度上保護(hù)了線路的全長，有效避免了含分布式電源配網(wǎng)中上游保護(hù)的誤動現(xiàn)象。但是這種方法在使用過程中存在一定的局限性，尤其是太陽能發(fā)電這種電源所產(chǎn)生的電能大小會受到自然因素的影響，電源的本身會隨著自然條件的變化而變化，導(dǎo)致線路故障時會產(chǎn)生相對較小的電流，從而造成保護(hù)拒動。雖然這2種保護(hù)方式具有一定的優(yōu)勢，不會受到系統(tǒng)運(yùn)行的影響，但是當(dāng)配網(wǎng)接入分布式電源后，并不能在發(fā)生故障時做出及時的修正，造成保護(hù)產(chǎn)生拒動。同時，故障點(diǎn)的電阻與距離保護(hù)之間還會產(chǎn)生排斥現(xiàn)象[6]。除了上述幾種保護(hù)方案之外，國內(nèi)外的研究學(xué)者針對這一問題還研究出了一系列保護(hù)方案，如自適應(yīng)電流保護(hù)、廣域保護(hù)等。

5 結(jié) 論

通過分析分布式電源對配網(wǎng)保護(hù)的影響后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的配網(wǎng)電流保護(hù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的配網(wǎng)要求。因此，探索新型的配網(wǎng)電路保護(hù)方式是現(xiàn)階段需要重視的問題，此后需對該方面的內(nèi)容進(jìn)行深入研究。