毕业设计（论文）分布式电源对配电网保护影响的研究

本科毕业设计（论文）分布式电源对配电网保护影响的研究王博燕山大学2011年6月本科毕业设计（论文）分布式电源对配电网保护影响的研究学院（系）电气工程学院专业班级07级电力1班学生姓名王博学号070103030154指导教师荣雅君答辩日期2011年6月24日燕山大学毕业设计（论文）任务书学院电气工程学院系级教学单位电力工程系学号070103030154学生姓名王博专业班级07级电力1班题目名称分布式电源对配电网保护影响的研究题目性质1理工类工程设计（）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）2文管理类（）；3外语类（）；4艺术类（）题目类型1毕业设计（）2论文（）题目题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（）主要内容通过查找资料，依据分布式电源与配电网继电保护的基本原理，建立分布式电源接入配电网的模型，研究分布式电源对配电网保护的影响。通过MATLAB对该模型进行设计和仿真验证。1、了解分布式电源的研究发展现状及趋势。2、了解分布式电源的接入对配电网的影响。3、掌握配电网保护的基本原理。4、设计合理的分布式电源接入配电网模型，并分析故障对配电网保护的影响。5、采用MATLAB仿真。基本要求1、遵守毕业设计期间的纪律，按时答辩。2、独立完成设计任务，培养基本的科研能力。3、完成相关的仿真，并反映在论文中。4、完成A0图纸一张和不少于两万字的毕业设计论文一份。参考资料1、分布式发电技术2、电力系统继电保护原理3、电能质量分析4、MATLAB程序设计与应用周次第14周第58周第912周第1316周第1718周应完成的内容查阅资料，学习分布式发电技术及电力系统继电保护原理学习MATLAB程序设计与应用，并设计总体方案设计合理的分布式电源接入配电网模型，并按继电保护原理进行分析MATLAB仿真程序调试撰写论文准备答辩指导教师荣雅君职称教授2010年12月20日系级教学单位审批年月日摘要分布式发电作为一种新兴的发电技术，以其高效、环保的特点在近几年获得了飞速的发展。然而，分布式电源DISTRIBUTEDGENERATION，DG接入配电网以后，原来简单的单电源辐射网络变为了复杂的多电源网络，导致原有配电网馈线保护出现灵敏度降低、拒动、误动等问题，由此给配电网的运行和控制带来多方面的影响，因此研究分布式电源的引入对配电网保护所带来的影响及提出相应的对策是十分必要的，对于分布式电源的发展和推广有着重要的意义。本文简单介绍了研究课题的背景、发展现状和研究目标，并从DG的容量、类型、位置等因素出发，对配电网馈线保护可能产生的影响进行了定性分析，通过MATLAB仿真软件实现了对建立模型的仿真，验证了定性分析的结果。此外，针对现有的配网保护提出了改进方案，主要是加装方向元件、修改定值或采用纵联差动保护等。关键词分布式电源；配电网；继电保护；馈线自动化；MATLAB仿真；整定原则ABSTRACTTHEDISTRIBUTEDGENERATIONTECHNOLOGYISPREDICTEDTOPLAYANINCREASINGROLEINPOWERSYSTEMOFTHENEARFUTUREINTHELIGHTOFITSCHARACTEROFHIGHEFFICIENCY,ENVIRONMENTALHOWEVER,WITHTHEINTERCONNECTIONOFDISTRIBUTEDGENERATIONDG，THEDISTRIBUTIONSYSTEMHASDEVELOPEDFROMTHETRADITIONALSIMPLESINGLESOURCERADIALNETWORKTOCOMPLICATEDMULTISOURCELOOPNETWORK，BRINGINGTRADITIONALFEEDERPROTECTIONNEWPROBLEMSINDISTRIBUTIONNETWORK,SUCHASSENSITIVITYDECREASE，MISOPERATIONANDMALFUNCTION，WHICHDEEPLYAFFECTSSYSTEMOPERATINGANDCONTROLLINGTHEREFOREITISNECESSARYTOANALYZETHEINFLUENCEOFTHEDGTOTHEDISTRIBUTIONNETWORKPROTECTIONANDPROPOSEITSCOUNTERMEASURES，WHICHISVERYUSEFULTOTHEDEVELOPMENTANDPRACTICALITY，FORTHEDISTRIBUTEDGENERATIONTECHNOLOGYTHISPAPEREXPLAINSTHEBACKGROUND，THERESEARCHPROGRESSESANDRESEARCHAIMS，DISCUSSESTHATDIFFERENTCAPACITYTYPEANDLOCATIONOFTHEDGSOURCEHAVEDIFFERENTIMPACTSONTHECURRENTFLOWINGTHROUGHTHEFEEDERPROTECTIONINDISTRIBUTIONNETWORKALSO,THEMATLABSIMULATIONOFTHEMODELCONFIRMSTHATTHERESULTSOFQUALITATIVEANALYSISARETRUEINADDITION,IMPROVEMENTSCHEMESAREPROPOSEDINTLLELIGHTOFTHEEXISTINGDISTRIBUTIONPROTECTION，MAINLYINCLUDINGINSTALLINGTHEDIRECTIONELEMENT，MODIFYINGTHESETTINGVALUEANDUSINGTHELONGITUDINALDIFFERENTIALPROTECTIONKEYWORDSDISTRIBUTEDGENERATIONDG，DISTRIBUTIONNETWORK,RELAYPROTECTION,FEEDERAUTOMATION，MATLABSIMULATION,SETTINGPRINCIPLES目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112课题研究的目的和意义313国内外研究现状4131分布式发电技术国内外研究现状4132含DG配电网保护的研究现状614论文的主要工作6第2章分布式电源技术821分布式发电的概念822分布式电源的分类8221燃料电池9222微型燃气轮机9223风力发电技术10224太阳能光伏电池1123本章小节12第3章分布式电源对配电网保护的影响1331引言13311分布式电源的类型及容量对配电网保护的影响14312分布式电源的不同接入点对配电网保护的影响15313分布式电源对配网自动装置的影响1732算例分析18321模型参数的选择18322MATLAB仿真软件介绍20323仿真系统模型21324仿真验证2233本章小节29第4章改进后的配网保护方案3041配电网现有保护配置的介绍30411电流速断保护30412限时电流速断保护31413定时限过电流保护3242对现有馈线保护的改进方案3243本章小节33结论34参考文献35致谢37附录138附录243附录348附录451附录556第1章绪论11课题背景社会的发展离不开能源，能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去的200多年中，建立在煤炭、石油、天然气等化工燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而在人们物质生活和精神生活水平不断提高的同时，一次性资源却日益枯竭，环境也不断恶化。为此人类必须寻找新的、清洁、安全、可靠的可持续发展能源。新能源和可再生能源的含义是指除常规能源和大型水力发电之外的风能、太阳能、小水电、潮汐能、生物质能、地热能等能源资源。中国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用。经粗略计算，在现有科技水平下，中国太阳能、风能、生物质能和水能等一年可以获得的资源量大约相当于46亿吨标准煤，为2000年全国一次能源总消耗量128亿吨标准煤的359倍。但目前小水电资源只开发了约33；太阳能的开发利用量还不到可开发量的01；风能资源的开发利用量相当于可开发资源量的009；现代生物质能开发量只有33L万吨标准煤，仅相当于可开发资源量的06；地热能和海洋能的已开发利用量，相对于资源量来说，就更微不足道。目前新能源和可再生能源主要以非商品能源的形式为广大农村地区提供能源供应，但随着社会、经济的发展新能源和可再生能源也正稳步的向商品化能源的方向转变。现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界90的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如科索沃战争和刚刚结束的海湾战争等；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。所以根据西方国家的经验大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法2。当代的分布式电源是指分布在配电网中的功率为10KW30MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源，它具有调峰、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。DG主要包括燃料电池、风力发电、小型水力发电站、太阳能电池阵列以及生物发电等多种形式。分布式发电能源可再生、无污染等一系列优点已引起广泛关注。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，以满足电力系统和用户特定的要求调峰、为边远用户或商业区和居民区供电、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等等。分布式电源的出现还出于以下考虑1由于城市的发展和公众对架空线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。2由于大电网面对不可抗拒的自然或意外灾害表现出的脆弱性，加上对于日益加剧的恐怖活动的担心，为了躲开“多米诺骨牌”式的电网连锁灾难，为了保证电源的安全可靠性，而将电源分散。分布式电源可以在电网崩溃和意外灾害情况下，维持对重要用户的供电。3对边远分散用户，分布式电源与现有配电网增容的方案相比可能要更为经济。4许多利用再生能源的发电装置，如太阳能电池阵列、微型水电等只能分散地接入当地配电系统。根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种技术构成往复式发动机技术、微型燃气轮机技术、燃料电池技术。基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成太阳能光伏发电技术、风力发电技术。混合分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。分布式电源及其应用被认为是本世纪最受重视的高科技领域之一。随着对环境及能源使用效率的进一步重视，分布式电源在我国广泛的应用是可以预见的。目前对电源系统本身的研究已经引起了相当程度的重视，但对与电网有关的技术问题的研究却还非常薄弱。已进行的研究表明，使用分布电源的效益与现场情况关系很大。如果计划不周或选择的地点不当，分布电源会给电力系统和有关用户带来问题，轻则电压闪动，重则使重要设备故障或脱离电网，甚至危及人身安全。12课题研究的目的和意义分布式发电DISTRIBUTEDGENERATION，简称DG是指区别于集中发电、远距离传输、大互联网络的传统发电形式，其功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内，分布在负荷附近的清洁环保的，经济、高效、可靠的发电方式。它可以起到节约能源、削峰填谷、缓建输配电设备、减少线损、提高供电可靠性等经济效益。由于DG容量小，电压低，一般直接通过变压器在配网接入电力系统。DG的引入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络。原有的配电网保护和重合闸设计结构必须进行相应的调整和改变。否则，DG会使配电网的故障无法及时、准确地切除，影响配电系统稳定运行、对供配电设备和DG造成损坏。目前我国的中、低压配电网主要采用变压器中性点不接地或经消弧线圈接地、单侧电源、辐射型供电形式，而且地区之间的继电保护及自动化发展水平很不均衡，整体水平不高。在这种形势下，分布式电源的并网运行将影响配电网络的结构以及配电网中短路电流的大小、流向及分布，由此给配电网的运行与控制带来多方面的影响。对于分布式发电的研究刚刚起步，尚没有成熟的含分布式电源的配电网保护方案，使得各种分布式电源普遍存在“并网难”的问题，这无疑会制约分布式发电技术的推广与发展。因此，必须迸一步深入研究含分布式电源的配电网保护方案，使分布式发电技术给电网带来各种便利的同时，又不降低接入电网的安全性。13国内外研究现状131分布式发电技术国内外研究现状在美国，容量为LKW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的发展趋势。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机10250KW可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。预计到2020年，由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加171012KWH的电，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达56W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下9109几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和风力发电技术等。可以预料，在不久的将来，各种分布式发电技术将在美国得到相当的发展3。在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量L亿KWH的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。天然气进京和“西气东输”工程为发展小型热、电、冷联产开创了新的机遇。在中国，目前工业领域的热电联产总装机容量约2000万KW，预计到2010年可达到5000万KW，到2020年可达到1亿KW。小水电通常是指小水电站及与其相配套的小电网的统称。我国小水电的容量范围一般是5万千瓦以下的小型水电站。小水电资源分布广泛，有些与大电网并联运行，有些分散运行。基本上以满足当地电力需求为主，大部分属于分布式发电。中国小水电资源极其丰富，可开发量约13亿KW，居世界首位。到2002年底，小水电装机达到3104万千瓦，向边远地区提供了大量廉价的电力。2003年启动的“小水电代燃料”工程将进一步推动中国小水电的发展3。光伏发电容量可任意组合，最适合分散使用。由于光伏发电成本高，近期大型集中式光伏发电站的经济性比较差，主要用于人口分散地区的离网独立电源和城市与建筑物结合的并网发电，典型的就是屋顶光伏发电。屋顶光伏发电替代的电力成本是电网供电的零售电价，这是最可能使光伏发电的经济性接近常规能源供电的应用领域。近年来，欧盟、美国和日本等国家的光伏发电发展很快，2000年以来，并网光伏发电的新增容量已经超过离网的分散光伏发电。目前中国的光伏发电主要还在远离大电网的偏僻地区作为分散电源应用，最近建成了一些城市并网光伏发电的示范项目，城市建筑光伏发电的应用市场也会逐步扩大。光伏发电小型分散的特点与分布式发电的特征一致。预计到2020年，中国无电地区分散电源、商业用途分散电源和城市并网型光伏发电的总量可达到100万KW4。风力发电已经发展成为除水力发电之外最可靠和清洁的发电方式。美国风能产业开发刚刚起步。美国风电占美国电力供应的L以下，但根据美国风能协会估计，在稳定的政策支持下，可保持年均18的增长幅度，到2020年，风能至少可以提供6以上的全美电力需求量。美国风电装机容量在过去的5年中平均增长率达到28，两位数的平均增长既体现了较强的市场需求，同时也面临许多挑战。中国风能资源丰富，可开发的装机容量约253亿KW，截止到2003年底，全国风能资源丰富的14个省自治区已建成风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达56702MW以完成整机吊装作为统计依据5。132含DG配电网保护的研究现状分布式电源接入配电网后势必会改变配电网络的拓扑结构和潮流方向，使原来简单的单电源辐射型网络变成复杂的多电源网络。现有的基于单端电源系统设计的配电系统保护和自动重合闸装置也必须做出相应的调整，否则由于分布式电源的存在必定使保护出现拒动、误动等问题，影响保护的选择性和灵敏性，甚至对配电系统及设备的安全稳定运行造成破坏。分布式电源的容量、类型及接入点的差异给配电网中的短路电流的分布带来不同的影响，所以定性地分析不同情况下分布式电源对配电网继电保护及配电网自动装置的影响为以后提出更好的继电保护解决方案奠定了基础，新的保护方案的提出更可以给分布式发电技术的发展提供了更广阔的发展空间。由于目前分布式发电己成为一个发展趋势，国内外对分布式电源的引入对配网保护的影响分析做了大量的工作，并提出了很多新的保护原理。文献6对接入分布式电源的配电网的稳定性、对继电保护的影响以及电能质量等方面进行了分析介绍；文献78具体的分析了分布式电源对配电网继电保护的一系列的影响；文献9提出在原保护方案的基础上加装方向元件和修改定值；文献10提出将故障限流器接入配电网，在检测到故障电流后，通过快速改变故障线路的阻抗参数，有效降低故障电流，很好的保证了保护的选择性和灵敏性。14论文的主要工作本文详细分析分布式电源对配电网继电保护和自动装置的影响，并进行了具体的仿真验证。同时，根据现有的保护现状，提出了几种适用于含有DG配电网的保护方案。论文主要内容为1、概述分布式电源应用的意义和它的发展历程及现状，分布式发电技术的研究现状及课题的研究意义。2、介绍目前较为热门的四种分布式电源技术，及各种分布式能源的发电原理、各自的特点及应用场合。3、定性地分析当分布式电源的容量、类型及接入点不同时，分布式电源对馈线各处保护的影响，以及对前加速重合闸装置的影响，并利用MATLAB仿真软件搭建10KV系统模型对以上分析进行仿真验证。4、针对现有配网保护方案加以改进，主要是加装方向元件和修改定值。第2章分布式电源技术21分布式发电的概念目前，国际上对于分布式发电装置DISTRIBUTEDGENERATIONDG并没有一个统一的规范化定义，但是基本的概念是一致的。一般认为，分布式电源指的是直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电，以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。发电规模一般不大，大约在几千瓦至几十兆瓦。22分布式电源的分类在不同的研究领域DG有不同的分类方式。一般可以根据DG的技术类型，所使用的一次能源及与电力系统的接口技术进行分类。根据DG通常所使用的技术可分为柴汽油机组发电、水力发电、风力发电、光伏发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的能源有化石燃料、可再生能源及电能储存元件。若DG与电力系统相连，则可以根据DG并网技术的类型分类，即直接与系统相联机电式和通过逆变器与系统相联两大类。若DG是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电等而逆变器型DG通常指的是将直流电逆变上网的DG如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术和发出高频交流电的DG如微透平机组。在DG的实际应用中，考虑到DG大小对其在电办系统中，应用有直接影响，因此按其大小分为小型100KW）中型100KWLMW）大型1MW三类11。目前，分布式电源研究的热点之一是可再生能源发电技术，其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。对于使用燃料的分布式发电技术，燃料电池和微型燃气轮机是目前大家比较关注的焦点。下面将对目前比较关注的几种分布式发电技术的工作原理和运行方式分别做介绍。221燃料电池燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84。燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同单体燃料电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是，一般电池的活性物质贮存在电池内部，电池容量因此受到限制；而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。当然，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池可按电解质的性质可分为聚合电解质膜电池PEM、碱性燃料电池AFC、磷酸型燃料电池PAFC、固体电解质燃料电池SOFC和熔融碳酸盐燃料电池MCFC，其中磷酸型燃料电池最接近商业化，新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电方式。作为21世纪的一种新型能源，燃料电池的先进性和实用性已经得到公认，在加大对燃料电池的开发、研究与利用力度方面尽管还存在一些问题，比如电极材料、制造成本、催化剂等问题，但是瑕不掩瑜，加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。随着燃料电池技术不断成熟，其在各个领域的作用会越来越明显，发展潜力十分巨大12。222微型燃气轮机微型燃气轮机是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000RMIN，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500，其发电效率可达30，实行热电联产，效率可提高到75。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。微型燃气轮机是目前最成熟、最有竞争力的分布式发电设备之一。微型燃气轮机排放的CO和NOX的体积百分含量都小于9。微型燃气轮机发电单元610运行时即可在本地监控，也可由中心监控站来管理；当出现故障时，由于重量轻，安装快，可以马上整机替换，然后把故障机组整体运往维修中心维修。其原理12很简单，如21图所示。涡轮回热器永磁发电机废气燃烧炉输入燃料压缩器大气图21微型燃气轮机原理图223风力发电技术风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是一种清洁能源。和光伏电池一样，它的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。风力发电技术的原理是天然风吹转叶片形如风轮，带动发电机的转子旋转而发电。风力发电系统中最主要的组成部分是风机和发电机。风力发电机的风轮机多采用水平轴、三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长，目前世界上最大的旋转叶片的直径达66M，塔架高度达80M。功率调节是风轮机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。目前，兆瓦级风力发电机组普遍采用绕线式异步发电机的变速恒频风力系统。这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仪仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到发电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用。这种方式可供电网达不到的边远农村、牧区、海岛等地区使用，一般单机容量数百到数千瓦。并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发电场，发出的电能全部经变压器（应是逆变器吧）送至电网，如图22所示。这是目前风力发电的主要方式13。风轮发电机尾舵电缆支架充电控制器蓄电池组逆变器图22风力发电系统结构图224太阳能光伏电池太阳能作为清洁无污染的新能源方式之一，具有广阔的发展前景，在我国太阳能发电主要以光伏发电为主。近年来我国太阳电池的生产能力得到了较大的提高，据统计到2002年底我国的光伏系统累计容量达40MW，但是多晶硅太阳能电池还仅仅处于少量的试生产阶段。与国外相比我国的光伏生产和开发研究还有很大的差距，太阳能发电还处于小规模利用阶段。太阳能发电可分为太阳能光伏电池发电和太阳能热发电两大类。太阳能光伏电池发电是利用半导体材料的光伏效应直接将太阳能转换为电能，其主要设备是太阳能电池。白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。采用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。光伏电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响，系统的频率和电压对其基本上没有影响。光伏发电容量可任意组合，最适合分散使用。因为光伏发电成本高，大型集中式光伏发电站的经济性比较差，所以光伏电池主要用于人口分散地区的离网独立发电和城市与建筑物相结合的并网发电，典型代表就是屋顶光伏发电。一般情况下，由若干太阳能电池组件按串并联方式连接形成较大容量的方阵，称为太阳能光伏阵列。目前，太阳能光伏发电方面主要研究方向包括晶硅转换速率的研究；薄膜太阳能电池和各种新型太阳能光电池的研究；太阳能电池阵列组成形式；变换器结构；光伏电站蓄电池的充放电策略的研究；并网研究；风光混合系统控制等等14。太阳能电池组逆变器蓄电池组太阳能控制器12V/24V/48VDC110V/220VAC图23光伏系统示意图23本章小节面对能源枯竭和环境污染等问题，人类对新型发电技术的研究和开发愈加重视。目前的分布式电源种类繁多，潜力巨大。本章首先介绍了分布式电源的概念以及目前的应用情况，然后对各种分布式电源从所使用的一次能源、输出、并网技术、大小等方面进行分类。并详细介绍现在较为热门的四种分布式电源技术，主要包括燃料电池、微型燃气轮机、风力发电技术、太阳能光伏电池，分别介绍了各种分布式能源的发电原理，分析了它们各自的特点及应用场合。第3章分布式电源对配电网保护的影响31引言对于配电系统，无论是辐射式还是环网结构，DG的接入都将极大地影响电网中的潮流和电压。在传统的供电方式中，功率从高电压等级传送到低电压等级，通过配电变压器分配到用户。配电系统的设计、运行及其保护控制都是基于这样的供电方式。当大量DG接入时，配电线路上的潮流可能反向。配电系统不再是简单的电能配送工具，而是集发电、配电功能于一身，其电压、潮流分布不仅取决于负荷，而且取决于DG。以图31所示分布式发电条件下的配电系统以下简称为分布式发电系统为例，热电联产装置CHP向系统输送有功功率，同时它有可能发出或吸收无功功率，这取决于装置中励磁调节器的参数设置风力发电机组发出有功，同时很可能吸收无功，这主要是由于机组中的异步感应电机在运行时需要吸收一定的无功；光伏电池阵列PV可以看作是一个恒压源，它还可以以某个设定的功率因数发送有功和无功功率，但同时容易产生较多的谐波。所以在这个配电系统中的潮流分布可以是任意方向的，这取决于负荷功率和DG的发电功率。AP,QP,QP,QPVCHPSP，QP，/Q图31分布式发电系统DG对配电系统的影响可能是积极的也可能是消极的，这主要取决于系统和DG的运行特性总的来说积极作用主要体现在改善系统运行方式，支持系统高效、可靠地运行15上，具体包括1分布式电源增加了电网的可用容量，具有削峰填谷、平衡负荷的功能；2分布式电源的大量出现减轻了不断新建大型发电厂的需要，节省了建设电厂和输变电设备的投资；3分布式发电使电能生产更靠近负荷，降低了电能传输中的网损；4分布式发电可以带负荷孤岛运行。当系统故障时，分布式电源继续向部分负荷供电。这样可以减小停电范围，提高供电可靠性。然而，这些DG的积极作用在实际中并不能够轻松实现，它要求DG必须具有很高的运行可靠性、可以接受调度，而且具有合适的接入位置和容量，此外还需满足其他一些运行限制。由于大多数DG不是电网公司所有，而且利用太阳能、风能等气候性能源发电本身就具有功率不确定的特点，所以这些条件很难保证。事实上，由于一些条件常常得不到满足，DG的接入反而对配电系统造成诸多不利影响，尤其是对继电保护和自动控制装置。下面从分布式电源的容量、类型以及接入配电网的不同位置等方面对配网保护及自动装置的影响进行分析。311分布式电源的类型及容量对配电网保护的影响分布式电源对配电网主要的影响是在发生故障时将对故障点提供故障电流。不同类型的分布式电源提供的短路电流不同。从研究继电保护的角度而言，分布式电源模型可以用一个电源串联电抗的模型来表示，因此需要考虑的是，在故障发生时分布式电源能够提供多大的故障电流。不同类型的分布式电源其电抗值是有差别的，它表征了该电源的故障电流注入能力。文献7中作者分析了几种类型分布式电源的故障电流注入能力，如表31所示。将该表中最大的故障电流注入数据用于短路计算就可以确定最严重的故障情况。表31不同类型的DG故障电流注入能力DG类型故障电流注入百分比换流器100400，持续时间取决于控制装置，某些换流器可能小于100同步电机5001000，逐渐衰减到200400感应电机5001000，过10个周波衰减至可忽略此外，在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的改变，发生短路故障时，配电网中的短路电流有着较大的改变。与不接分布式电源相比，在同一点发生故障，流过分布式电源下游保护的短路电流增大，在不改变保护定值的情况下，这将使下游保护的保护范围增大；随着容量的增加，分布式电源的助增能力越大，伸入下一段保护的范围越大，继电保护的选择性将得不到满足16。312分布式电源的不同接入点对配电网保护的影响分布式电源接入配电网中，会改变其附近节点的短路容量。分布式电源对配电网继电保护的影响可从多个方面来考虑。分布式电源相对于保护的位置不同，会有不同的影响效果。下面针对分布式电源位于保护的上游位置、下游位置，在不同点发生故障进行考虑，配网图见图32。当DG位于B点时，保护1位于其上游，保护2，3位于其下游，保护4在相邻馈线始端。ADCBF3F1F2F4FEED112345FEED2系统DG图32分布式电源相对于保护不同位置时对继电保护的影响分析图当无分布式电源接入时，如上图所示，故障发生在馈线2上时，有以下关系成立（3SI123IF1）其中系统故障电流；SI流过保护1的电流；流过保护2的电流；流过保护3的电流；I流过故障点的电流。F1分布式电源对上游保护的影响当故障发生在DG上游的FL点时，因为DG也要给故障点提供故障电流，所以，不仅使得故障点的故障电流，F增大，而且使得AB线路变成了双侧供电线路，但此时流过保护的短路电流，2仍为零。在这种情况下，虽然保护1的短路电流与无DG时的变化不大，方向也没有改变，对保护1影响不大。但是上游AB线路只装设保护1就不能真正切除故障了，必须要在对侧装设断路器，将两侧断路器都跳开，才能切除故障。当F4点故障时，DG的存在使故障点故障电流增大，流过保护1的故FI障电流为分布式电源向故障点提供的故障电流，而且功率方向从负荷侧1I流向系统侧。在此种情况下，分布式电源对保护1有影响，会造成反方向故障的误动作。所以，不能单独地采用电流保护，必须采用方向性的电流保护才能满足选择性的要求。系统故障电流、流过保护的故障电流、故SI1I障点的故障电流之间具有下面的关系式成立FI（3FIDG2）（313）（3FIS14）2分布式电源对下游保护的影响当DG下游的F2点发生故障时，由于DG的助增作用，故障点的短路电流增大，流过DG至短路点之间保护的电流、也是增大的，分布式电源2I3对继电保护有影响，造成各个保护的保护范围延伸，失去选择性。系统故障电流、流过保护的故障电流、，故障点的故障电流之间具SI1I23FI有下面关系（35FSDG1I）（3I236）（37S2）（38I3）其中为DG提供的故障电流。为了让下游保护正确动作，必须按DGI照有助增电源的情况对下游各个保护重新进行整定。3分布式电源对相邻馈线保护的影响当相邻馈线上的F3发生故障时，故障点的电流增大，因为DG会提供故障电流通过保护1流向故障点。如果该电流足够大，而且保护1未加装方向元件的话，将有可能造成保护1的误动作。而保护4流过的故障电流的增大，有可能会使保护4的保护范围延伸到下一段线路，与保护5失去配合，无法保证选择性。313分布式电源对配网自动装置的影响1分布式电源所在馈线发生故障ADCBF1F2FEED112345FEED2系统DGZCHZCH图33分布式电源所在馈线发生故障时对重合闸装置的影响分析图在电力系统中发生的故障大多数都是瞬时性故障，因此重合闸在电力系统中应用得非常广泛。如图33所示，两条馈线均采用前加速自动重合闸装置，分别装设在保护1、4处。当馈线AB、BC、CD上任何一段线路发生故障时，第一次均由保护1瞬时动作予以切除；之后保护1瞬时动作重新合上断路器，清除瞬时性故障恢复供电。在断路器跳闸后，必须有充分的时间使故障点的电弧熄灭才能保证重合闸成功。但是当分布式电源接入B点后，任何一段线路发生瞬时性故障时，保护1跳开后，分布式电源仍然向故障点提供电流，故障点的电弧持续燃烧。如果这时分布式电源处的保护没有在重合之前检测到故障并将DG从电网上断开的话，将导致保护1前加速装置重合不成功，有可能导致永久性故障，扩大停电范围。2相邻馈线发生故障ADCBF3FEED112345FEED2系统DGZCHZCH图34相邻馈线发生故障时对重合闸装置的影响分析图当相邻馈线上的F3发生瞬时性故障时，保护4的前加速动作瞬时跳开断路器4，之后重合成功恢复供电。但DG接入后，如果分布式电源向F3提供的故障电流过大，有可能引起本馈线保护1的误动作，由于保护1处装设有前加速自动重合闸装置，所以也会引起保护1自动重合闸装置的误动作。由上述两种情况的分析可见，分布式电源所在馈线发生瞬时性故障时，分布式电源的存在会导致前加速重合闸装置重合失败，会形成永久故障、扩大停电范围。而相邻馈线故障有可能会引起分布式电源所在馈线出口保护和重合闸装置的误动作17。32算例分析321模型参数的选择以某10KV配电网为例，额定电压为105KV。系统基准容量为500BSMVA，基准电压为105KV，模型如图35所示，参数如下BUADCBF3F1F2FEED112345FEED2系统DGFGE图35含分布式电源的配电网模型图1系统电源参数系统侧电压选取10KV配电网的额定电压105KV，即KVSE3510系统最大运行方式和最小运行方式的系统阻抗值为，即1260X9MASIN。04L29MAXSIN。2线路参数包括架空线路和电缆线路。一般电缆线路故障多为永久性故障，所以全电缆线路上不装设重合闸装置，只装设电流保护装置。对于架空线路，一般装设三段式电流保护和前加速自动重合闸装置。选取架空线路型号及参数R027/X0347/选取电缆线路型号及参数R0259/X0093/如图35所示，模型为含分布式电源的二馈线的配网图，馈线末端为负荷。馈线2的AB、BC段为2公里的架空线路，CD、DE为电缆线路，分别为7公里和14公里。分布式电源从母线C接入电网。馈线2由两段线路组成，AF为4公里的架空线路，FG为6公里的电缆线路。得出各段线路的参数表表32模型阻抗参数表线路阻抗值（）线路阻抗值（）AB054JO694DE3626J1302BC054J0694AF108J1388CD1813J0651FG1554J05583负荷参数配电网中负荷参数选取的依据为限制每条馈线上电流有效值不超过200A。因此本文采用恒阻抗模型代替负荷30J157，相当于单条馈LDZ线上所带负荷约为4MVA。322MATLAB仿真软件介绍20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CLEVEMOLER为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由LITTLE、MOLER、STEVEBANGERT合作成立了的MATHWORKS公司。MATHWORKS公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、FORTRAN）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本论文应用MATLAB仿真软件搭建含分布式电源的配电网模型，对定性分析的各种情况进行仿真，并验证其正确性。323仿真系统模型图36MATLAB搭建的含分布式电源的配电网模型图324仿真验证本节拟通过仿真软件MATLAB对分布式电源对配电网的影响进行仿真验证，其中选取最恶劣的短路条件，即系统最大运行方式下发生三相短路的情况进行仿真验证。先考虑无DG的情况。对于三相短路故障，可以完全用正序参数进行计算分析。根据321节的电流参数的设置，得到系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流，如表33所示。表33系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流线路故障电流（）A线路故障电流（）AAB6362DE823BC3311AF3310CD1687FG1820根据表42得出的故障电流按照电流保护整定公式进行各保护的电流速断保护整定可靠系数12。由于电流保护保护范围随系统运行方式K的变化而变化，一般按系统最小运行方式下两相短路来校验保护范围，可以得出各处保护电流速断保护整定值及保护范围，如表34所示。表34配电网电流速断保护整定值保护速断保护整定值（）A速断保护范围（）1763466239733832024484397238限时电流速断保护用来切除本线路上电流速断保护范围以外的故障，并于下一段的电流速断保护相配合。另外，为了能够保护线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时具有足够的反应能力灵敏度。本节所用系统模型各处保护限时电流速断保护整定值可靠系数11及灵敏度如表35所示。“K表35配电网限时电流速断保护整定值及灵敏度保护限时电流速断保护整定值A保护范围末端故障电流A灵敏度1437055091262222628671293108714611344200228661043由以上的分析看出无DG的情况下，算例模型进行的保护配置满足了对保护选择性和灵敏性的要求。1分布式电源容量变化对配电网保护的影响由于分布式电源的引入，流过配电网中的短路电流将发生较大的变化，这些变化不仅仅是数值上的变化，在某些情况下，短路电流的方向也可能发生变化，从而影响原有配电网电流保护的正常运行。首先研究分布式电源容量对配电网保护的影响，下面本文采用同样的网络参数，在确定分布式电源的位置之后，改变分布式电源容量的大小来进行短路试验。选择系统最大运行方式下发生三相短路来分析对保护的影响。C点接入DG后，在FL、F2点发生三相短路时的电流幅值如下表36所示。表36C点接入DG时的短路电流/MVADGS故障点/ADGI/A1I/A2I/A3I01F063630027406363729163195763639402051F135263631329297170363631674360201685168516852F37915341534187832490148714871936569314001400203972F870132113212130仿真结果表明，在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的改变，配电网中的短路电流有着较大的改变。如表36所示，在FL点故障时，随着分布式电源容量的增加，分布式电源注入故障点的电流逐渐增大，流过保护2的逆向短路电流增大。当容量增大到一定值时，DGI流过保护2的电流可能超过整定值，保护2将误动作于跳闸。在F2点发生故障时，分布式电源注入故障点的电流逐渐增大，流过保护3的故障电流DGI逐渐增大，但是流经保护L、保护2的故障电流、却是逐渐减小的。与1I2不接分布式电源相比，在同一点发生故障，流过分布式电源下游保护的短路电流增大，这将使下游保护的保护范围增大；流过分布式电源上游保护的短路电流减小，使得上游保护的保护范围减小。仿真数据还表明，当分布式电源的容量为5MVA时，在F2发生三相短路故障时，流过保护3的短路电流达到2039A，而保护3的电流速断保护整定值为2024A，在此情况下，本段线路的电流速断保护将动作。当分布式电源容量大于5MVA，保护3的保护范围将伸到下一级线路。随着容量的增加，分布式电源的助增能力越大，伸入下一段保护的范围越大，继电保护的选择性将得不到满足。所以DG下游的线路的保护应考虑助增电流的影响。2分布式电源位置变化对配电网的影响给定分布式电源的容量为5MVA，将分布式电源接入配电网的位置从搭建的系统模型中从馈线AB的首端向末端移动，选取模型中己设好的F2点故障位置，计算配电网中的短路电流。下面的短路计算同样是考虑系统最大运行方式下的三相短路。图37DG位于AB段首端F2点故障时的短路电流图38DG位于AB段末端F2点故障时的短路电流由图37、38所示仿真结果表明，在分布式电源容量一定、故障位置不变时，改变分布式电源接入位置，馈线中短路电流的分布将发生较大的变化。随着分布式电源的移动，分布式电源的注入电流将逐渐增大。DGI即当分布式电源越靠近故障点，分布式电源对故障电流的影响越大。3分布式电源对上游保护、下游保护和相邻馈线保护的影响设DG接入C点，则保护1、2位于上游，保护3在下游，保护4位于相邻馈线1FL点故障图39DG位于BC段末端F1点故障时流过保护2的故障电流图310DG