（电力系统及其自动化专业论文）dg容量对现有配电系统保护的影响研究.pdf

a b s t r a c t s o m ec u s t o m e r so f t h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mp l a nt oc o l h i e c td i s p e r s e dg c i e 哪o “d g ) i n t ot h ep r e s e n tn e t w o r k w ；ml o t so fd g si n t e g r a t e d , t h ee l e c t r i c 锄唧p r o d u c t i o no fd g sw i l l t a k ea ni m p o r t a n tp a r to f t h et o t a la m o u n t , a n dc o n s e q u e n t l y , t h er e l i a b l er u n n i n go f d g sw i l lb e s i g n i f i c a n tt ot h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p l y t h ei n t e r c o n n e c t i o no fd g sb r i n g sag r e a tc h a n g et oc o n f i g u r a t i o no f t h eu t i l i l yd i s t r i b u t i o n n e t w o r k a sar e s u l t , t h i sl e a d st oab i gc h a l l e n g ef o ri t sc o n t r o la n dm a n a g e m e n t a tp r e s e 吨 s t a n d a r d sf o ri n t e r c o n n e c t i n gd g 、i t ht h en e t w o r km o s t l ya r eb a s e do i lt h ep r i n c i p l et h a td o s h o u l d n t 晰i l gi n f l u e n c eu p o nt h en o r m a lo p e r a t i o np e r f o r m a n c ef o rt h eu t i l i t yp r o t e c t i o na n d c o n t r o ls y s t e m i nt h i sw a y , i tg u a r a n t e e st h es e c u r i t yo ft h es y s t e m , b u ts a c r i f i c e st h ei n t e r e s t so f t h ep o w 日s u p p l i e r sa n dc u s t o m e r s , s i n c ei tb r i n g sn e g a t i v ee f f e c tt ot h ea t t e m p tf o rw i d e n i n g 撒 a n di m p r o v i n gr e l i a b i l i t yo f p o w e r s u p p l y w i t l iaf a u l to c c u r r e di nt h ed i s t r i b u t e ds y s t e md ow i l lh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c tu p o n p r o t e c t i o n , d e c i d e db yt h en u m b e r , t h el o c a t i o na n dt h es i z eo fi n j e c t e dd gb a s e do nt h e c o n v e n t i o n a lc u r r e n tp r o t e c t i o n 。t h i sp a p e rg i v e sa na n a l y s i st ot h ep r o t e c t i o nf o rt h er a d i a l d i s t r i b u t i o ns y s t e mi n j e c t e dw i t hd oa n & a c c o r d i n gt ob o t ht h er e l a t i o n s h i pb e “v 咖r e l a y sa n d t h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , g i v e sae x p l o r a t i o nt ot h e p r o b l e mo ft h ei n t e r c o n n e c t e dd gs i z e t h ec r i t e r i o n sa ”t h a tt h ef a u l tc u n 卿s h o u l dn o tb r i n ga b o u tf a l s ea c t i o nf o rf a u l t sd o w n s t r e a m p r o t e c t i v ed e v i c e ss h o u l dn u th a v e m i s so p e r a t i o n sa n dt h er e l a yc l o s e s t t ot h ef a u l tp o s i t i o ns h o u d b eo p e r a t ef i r s tf o rf a u l t su p s t r e a m f i n a l l y , t h em a t ht o o lm a t l a bi s a p p l i e dt os i m u l a t et h e p r o p o s e di d e a t h es i m u l a t i o i lr e s u l 臼r e v e a lt h a tt h ec a p a c i t yo fd os h o u l dh a v es o m er e s t r i c t s o t h e r w i s et h er e l a ym a yh a v eaf a l s ea c t i o no rm i s so p e r a t i o n t h es t u d yo nd gc a p a c i t yi m p a c t i o nu p o nd i s p a t c h e dp o w e rs y s t e ma n dt h ee x p l o r a t i o no f d oc a p a c i t ya 托o f c e r t a i nv a l u et ot h ed oa p p l i c a t i o ni np r a c t i c e t h ep u r p o s ei st o t oa c h i e v et h e p o s i t i v ea p p l i c a t i o n s ，l i g h t e nt h en e g a t i v ee f f e c t i o no f d ga n dm a k et h es y s t e mm o r ee f f i c i e n ta n d r e l i a b l c k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) d o ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) r e l a y ) c o o r d i n a t i o n ) c a p a c i t y ) m 砒l a b ：s 肌u i a t i o n 东南大学硕：t 学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二益玉止导师签名：毒? 吆日 期：塑越 第一章绪论 第一章绪论 1 1 分布式发电的研究背景 面临地球资源的日益枯竭和人口、环境压力的增加，人们认识到可持续发展的重要意义 发展高效、清洁的电力，是解决经济、能源生产与消费和环境问矛盾的一项重要措施。分布 式发电的兴起，是地球环境可持续发展政策与技术发展的产物。当分散独立的小电源效率较 低不能大量麻用时。当它无需联网与大电网无关时，当它数晕很少被浩人的公共电网不计时， 根本没有分布式电源这个名词。只有当新型高效绿色的小型独立电源为可持续发展政策所重 视并日益发展壮大时，分布式发电技术及其名词才应运而生。 2 0 世纪末分布式电源在工业发达国家里热起，有3 个方面的原因：( 1 ) 各种小型分 散型绿色环保电源迅速发展，所【与比重越来越重。对电力系统的潜在影响越来越犬，迫使世 界重视自己；( 2 ) 大电网的发展受到环保和需求的限制，为分布式电源的发展提供了机遇。 各种分布式电源多属清洁可再生可持续技术，适应了地球环境保护可持续发展政策的需要： ( 3 ) 欧美国家放宽了对电力行业的管制，解除了对小型分散式电源的限制，实行了所谓电 力自由化伪 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，大型互联电网由于自身 的缺陷其单一供电已不能满足这种要求。( 1 ) 大型互联电力系统中，局部事故容易扩散。( 2 ) 集中式大电阿不能灵活跟踪负荷的变化。( 3 ) 大电网的发展不能满足对环保和：符能的要求。 目前，大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低 能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是2 l 世纪电力工业的发展方向1 4 l 。 1 2 分布式发电的简介 在国际上。分布式发电也可以称为嵌入式发电( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ，e g ) ，它形象地 描述了将分布式电源。嵌入”到配电系统之中；同时也可称为分散发电( d i s p e r s e d g e n e r a t i o n ) ，它强调的是与“集中发电”相区别的发电形式。 至今对d g 仍然没有统一的定义。国际大型电力系统委员会( c i g r e ) 将分布式发电定 义为“非经规划的或中央调度型的电力生产方式，通常与配电网连接，一般发电规模在5 0 1 0 0m w 之间。”分布式发电系统可以定义为：所有不直接与国家电网连接、不由中央配电 系统进行配送、不经电网调频的发电系统。这个定义和目前意大利对输电网的定义相符，按 照这个定义，输电网的主要功能是连接发电厂和配电系统。从这个意义上说，现在只有高压 和超高压线路才被看作输电线，这些线路只与1 0m w 以上电厂连接。因此目前认为将来只 有1 0m w 以上才可以直接参与电力市场( 即：售电) 因此这样说来1 3 1 3 应该包含所有发 电能力在l om w 以下电厂1 5 , 6 i 。本文所使用的分布式发电概念指的是位于用户附近的各种小 型的、模块化的电能生产或存储技术仍沿用d g 作为其名称，它们中的大部分可通过并网 设备与电网相连。 1 3 分布式发电的分类 在不同的研究领域d g 有不同的分类方式一般可以根据d o 的技术类型，所使用的一 东南大学硕士学位论文 - l 第一章绪论 次能源及和电力系统的接口技术进行分类。根据d g 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、太阳热发电、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。目前，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。 若i x 与电力系统相连，则可以根据i x 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d g 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、太阳热发电等；而逆变器型d g 通 常指的是将直流电逆变上网的d g ( 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i x ( 微透平机组) 但在d g 的实际应用中，考虑到d g 大小对其在电力系统中应用有直接影响，因此按其 大小分为小型( i o m w ) 一小型水电( 1 0 m w ) 太阳能 生物能 地热能 8 0 3 5 5 3 0 0 5 5 3 2 3 0 7 我国分散发电分布式功能的各个领域都已有一些示范项目。但不论在规模、技术水平、 国产化程度、经济性、应用广度方面都有与国际水平有较大差距。不过从发展眼光看，中国 的分布式发电有良好的发展前景，理由如下： 1 强劲的需求：来自电力行业的一份数据显示，目前电力空调负荷已经能高达到了电 力负荷的4 0 ，国内有一些城市的电力空调负荷已经超过5 0 。由此可见，中国具有发展冷 热联供分布式能源的有利条件和强劫需求。此外。今年来缺电的形势客观上将促成分布式发 电在中国的大力发展。 2 政策：据了解，正在修订的电力法中将加入有关热电联供的条款。并且一些地 方正在制定促进分布式功能发展的具体措施。北京、上海等城市已经在政府层面支持下，颁 布了鼓励发展的优惠政策、制定了发展计划。 3 资源：我国有丰富的新能源和可再生能源，现在世界上已进入规模性开发的风能、 地热、太阳能、水能，我国的资源量或可开发量都很可观。 4 发电设备：我国在发电设备的制造上已有一定基础。在分散发电的各个领域( 包括 可再生能源与非可再生能源) 都已建有一些示范项目，并积累了经验。 1 6 课题的意义和各章节的主要内容 随着能源和环境问题日益突出，人类发展可再生能源将是大势所趋，而利用可再生能源 的分布式发电技术必将得到广泛应用。d g 的引入使得配电系统从放射状无源网络变为分布 有中小型电源的有源网络，配电系统的控制和管理将变得更加复剁1 s 2 0 , 2 2 。目前，国内外现 行的1 3 ( 3 并网运行规程【2 1 大多数是基于d g 并同不影响原有配电网保护控制系统正常工作 东南大学硕士学位论文 - 5 - 第一章绪论 的原则提出的。这些原则包括：要求d g 不能主动参与调压；配电网发生故障时，d g 必须 迅速退出配电网以保证配电网继电保护正确动作等。这些规程虽然极大限度地保证了电力系 统的安全性，但在一定程度上局限甚至破坏了d g 的正常运行。损害了d g 发电商和d g 用 户的经济利益，对提高供电范围及供电可靠性也是不利的田i 配电网发生故障时，d g 对继电保护有重大影响，影响大小与d g 数量、接入位置及容 量有关。为了更好地发挥d g 的积极作用，本文基于传统电流保护原理，对接有d g 的放射 状配电网络的保护进行了研究，从影响保护配合性及供电可靠性角度初步探讨了d g 注入容 量的问题，使电力系统更加高效、可靠地运行 2 0 , 2 q 论文主要包括以下几个方面的内容： 1 第一章绪论：概述了分布式发电的概念，介绍了分布式发电技术的分类、特点及其 应用发展形势。 2 第二章分布式发电对传统电网的影响：首先介绍了分布式发电对电力系统产生的积 极作用，然后从电能质量、继电保护、短路电流，可靠性、铁磁谐振、电网效益等各方面阐 述了d g 的不利影响。 3 第三章分布式发电系统保护控制现状：简要分析了d g 接入对传统的配电网保护系 统的各种影响，综述了分布式发电系统保护配置现状。提出d g 接入数量以及接入位置对配 电网保护有很大的影响。 4 第四章分布式发电对配电网保护配合性的影响：介绍了传统的电流保护配合方式， 然后分析了单个d g 的接入对传统保护配合性的影响，并讨论了多个d g 接入的情况。提出 保护的配合性与d g 容昔的大小有关。 5 第五章分布式发电机容鬣要求的研究：从保护配合性出发，详细研究了分布式电源 的容量大小对传统保护配合性的影响。首先推导了单个d g 接入电网时，d g 容掇对传统保 护配合性的影响，然后分析了两个d g 接入电网时的容量影响，并推广到了多个d g 接入的 情况 6 第六章d g 容量对配电冈保护影响的算例仿真：对第四章和第五章所提出的观点和 计算方法进行仿真。从仿真结果分析分布式发电的接入及其容量对传统保护的影响。 7 第七章结论与展望：对论文展开的工作进行总结。并对今后工作予以展望 东南大学硕士学位论文 6 - 第二章分布式发电对传统电网的影响 2 1 引言 第二章分布式发电对传统电网的影晌 d g 的接入使配电网中并支路的潮流不再是单方向地流动因此，i x 3 的引入将会给整 个电网带来深刻的影响。除了各种形式的d o 技术本身还有进一步研究和完善外，从d o 与 传统电网连接的角度，必须针对含有d o 的电网规划与运行方式、继电保护、安全及稳定性， 对控制中心的影响等一系列问题进行深入的研究 2 2 分布式电源接入对电力系统的影响 对于配电系统，无论是辐射式还是环网结构，d g 的接入都将极大地影响电网中的潮流 和电压。如图2 1 所示，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 圈2 1 传统的供电方式 当大量d g 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d g 。 田2 2 分布式发电系统 以图2 2 所示的分布式发电条件f 的配电系统( 以下简称为分布式发电系统) 为例，热 点联产装置( c l i p ) 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 东南大学硕士学位论文 - 7 第二章分布式发电对传统电喇的影响 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d g 的发电功率。 2 2 1d g 的积极作用 d g 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d g 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、可靠地运行口乃i 发展d g 的重要意义主要包括以下几个方面p i ： 1 经济性。由于d g 可朋发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的阶梯利用， 从而可提高能源的利用效率( 达7 0 9 0 ) ，此外还可降低初投资者费用和网损； 2 环保性。因其采用天然气做燃料，或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害 物的排放总量，减轻环保压力；大量的就近供电减少了大容嗣远距离高电压输电线的建设， 因此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少 了对线路f 树木的砍伐，有利于环保# 3 能源利用的多样性。分布式发电可利用多种能源，如洁净能源( 天然气) 、新能源( 氢) 和可再生能源( 风能和太阳能等) ，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因 此是解决能源危机和能源安全问题的一种很好的途径； 4 调峰作用。夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气 轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供热与供冷的需要，同时也提供了一部 分电力，由此可降低电力峰荷，起到了电力调峰的作用。此外，也部分解决了天然气的峰谷 差过火问题，发挥了天然气与电力的互补作用； 5 安全性和可靠性。当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系 统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性； 6 电力市场问题。分布式发电是一种适应电力市场发展的需要，由多家来办电的良好 方式； 7 投资风险。分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短。因此可避免类似大型发 电站建设周期带来的投资风险： 8 边远地区的供电闯题。我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向 其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系统( s t a n d - a l o n es y s t e m ) 不失为一种优选的方法。 然而，这些i x 的积极作用在实际中并不能够轻松实现，它要求d g 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d g 不是电网公司所有，而且利用太刚能、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， d g 的接入反而对配电系统造成诸多不利影响。 一 2 2 2d g 对配电网的影响 当分布式发电与配电网并网运行时，会产生一些问题，主要包括以下几个方面 2 6 1 ： 1 电能质量问题t 2 7 - 2 9 1 由于d g 是由_ j 户来控制的。因此根据其自身的需要启动和停运d g ，这可能使配电网 的电压常常发生波动。d g 的频繁起动会使配电网线路上负荷潮流变大，从而加大电压调整 东南大学硕七学位论文 8 第二章分布式发电对传统电网的影响 的难度，调节不好会使电压超标 电力系统为保证电能质量，对配电线路的终端电压有严格的要求，线路的设计、选型都 是依据了这一要求。近年来，电力系统趋向予更高效地利用供电网络，在保证供电质量的前 提下，使每条线路的潮流接近于最大输电能力1 3 0 3 1 i 。 图2 3 是一个典型的辐射式配电线路的电压曲线。可以看出，d g 接入以前，线路上的 电压沿着远离配变的方向不断卜降。为了保证终端用户的电压水平，在实际运行中一般利用 调压变压器调节分接头使电压曲线提升。当d g 接入线路以后，线路上的潮流发生改变，电 压曲线随之变化。当负荷非常小时，d g 的输出功率有可能流回到系统侧，在这种情况下， 线路上的电压从配变到d g 接入点不断上升电压增量可以由( 2 i ) 式近似表示： 圈2 3 d g 对线路电压的影响 a v = ( p r + x q ) v ( 2 i ) 其中p 、q 是线路上的有功、无功功率足、x 是线路的电阻和电抗，y 是额定电压。 为了限制d g 对线路过电压的威胁，许多国家和组织对d g 接入容量进行了限制，根据 不同的电压等级和接入方式，对允许接入的d g 最大单机容量制定了详细的要求。大型i x 的接入点应该选择在配变的低压母线或者直接接入中高压线路小型的i x 可以直接在馈线 接入。各国对于d g 接入容量具有类似的要求，表2 1 是一个常见的例子。 袁2 - l 欧盟对烈；接入客量的要求 接入位置允许接入的d g 最人单机容量 4 0 0 v 线路5 0k 蜩 4 0 0 v 母线2 0 0 2 5 0k 、，a 1 l k v 线路 2 3 m v a 1 1 k v 母线8 m 、，a 1 5 2 0 k v 线路和母线 6 5 1 0m v a 6 3 9 0 k v 线路 1 0 4 0m 、，a 根据现行的d g 并两运行规程f l 2 1 ，当配电网发生故障时。d g 必须迅速退出配电网以 保证配电网继电保护l e 确动作，这可能会造成电压在故障后的跌落。图2 g a ) 删g 含d g 的一简单系统图，其中r e c l o s e r 是自动重合闸装置。正常运行时的馈线电压如图所示 东南大学硕士学位论文 9 - 第二章分布式发电对传统电阿的影响 u i ) 故障前的线路电压 i b 故障后的线路电压 圈2 4 故障后的线路电压降落 图2 4 ( b ) 是故障切除后的系统图。当线路上发生瞬时性故障自动重合闸装置动作，同 时d g 在重合闸闭合前退出运行由于d g 的退出，线路电压出现降落，其降落程度与d g 的容量大小成正比 未来的d g 可能大量采用电力电子型电源电压的调节和控制方式与常规方式会有很大 不同( 有功和无功可分别单独调节，用调节晶闸管的触发角的方式来调无功。且调节速度非 常快) ，需要相应的控制策略和手段与其配合。对于电压骤降，d g 是否有用取决于它的 安装位置、容量大小等，一般而言，d g 对其安装母线处的电压骤降可能有助，对远方的电 压骤降可能无助。当d g 切换成孤岛方式运行时，如储能元件或其能量太小，就易使用户负 荷发生电压闪变。此外，电力电子型的分布式电源易产生谐波，造成谐波污染，造成明显的 电压畸变。文献【1 仲规定了对d g 引入谐波的限制，如表2 2 所示 2 对继电保护的影响 配电网中大鬣的继电保护装置早已存在，不可能为了新增的d g 而做大量改动，d g 必 须与之配合并适应它，文章第四章和第五章对这个问题作了详细分析。当配电网的继电保护 装置具有重合闸功能时，则当配电网系统故障时，d g 的切除必须早予重合闸的第一次合闸。 东南大学硕士学位论文 一i o 第二章分布式发电对传统电嘲的影响 当d g 的功率注入电网时，会使原来的继电保护区域缩小，从而影响继电保护装置正常t 作。 如原配电网继电器不具备方向敏感性能( 原系统为放射型的，末端无电源不会产生转移电 流而无须具备方向敏感性能) ，则当其他并联分支故障时，会引起安装有d g 的分支上继电 器的误动。造成该无故障分支失去主电源。这些问题将在第三章中详细分析。 表2 2 i e e e 对d g 引入谐波的限嗣 谐波次数最大含量( 与基波的百分比) 1 】t h4 l l t h t o 1 7 t h2 1 7 t ht o 2 3 r d1 5 2 3 r dt o 3 5 t i io 6 3 5 t ho rg r e a t e x0 3 谐波总鼙 5 绍移 4 铁磁谐振问题 当d g 通过变压器、电缆线路、开关等与配电网相连时。一旦配电网发生故障( 如单相 对地短路) 而系统侧开关断开时，d g 侧开关也会断开，假如此时i x ；变压器未接负荷。变 压嚣的电抗与电缆的大电容可能发生铁磁谐振而造成过电压，还可能引起丈的电磁力，使变 压器发出噪声或使变压器损坏i 。 如图2 6 ( a ) 所示，当配电网发生故障时，通过断开d g 接入点的断路器将d g 与配电网 隔离，这样就留下了d g 、变压器和电缆的开口串连电路。由于地下电缆存在较大的对地电 容，与变压器的励磁电感构成串连回路( 图2 耐b ) ) ，在参数满足一定条件时，产生串连谐 振，造成高电压大电流冲击。而在实际中，为了保证配电网的保护系统正常运行，d g 可能 东南大学硕士学位论文 i i 第二章分布式发电对传统电州的影响 面临的频繁的投退过程，因而d g 、变压器和电缆在不断遭受谐振冲击以后容易损坏。 在一些国家。为了避免这种谐振的产生，常常要求连接变压器能够始终带一定量的本地 负荷以避免谐振发生豹参数条件，防止不必要的冲击 “) d g 、变压器和电缆的开口串连电路 h ) 等效电路 圈2 6 谐振 5 可靠性问题 3 4 , 3 f l 有时i x 3 会对可靠性产生不利的影响，但有时d g 会对可靠性产生有利的作用，要视具 体情况而定，不能一概而论。 不利情况为：大系统停电时有些d g 的燃料会中断，或供给d g 辅机的电源会失去， d g 会同时停运，仍无法提高供电的可靠性。d g 与配电网的继电保护配合不好，可能使继 电保护误动作，反而使可靠性降低。不适当的安装地点、容量和连接方式会使配电网可靠性 变坏。 有利情况：d g 可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加输配电网的输电裕度。在适 当的d g 布置和电压的调节性能。特殊设计的d g 可使它在大电力输配电系统发生故障时， i x 仍能保持运行。这些都有利于提高系统的可靠性水平。 6 变压器的连接和接地问题 当d g 采用不同的变压器连接方式与配电网相连时，或其接地方式与配电网的接地方式 不配合时，就会引起配电网侧和d g 侧的故障传递问题，及d g 的三次谐波传递到系统侧的 问题，而且，d g 侧继电保护也会检测剑系统侧的故障而动作，由此可能引起一系列婀题。 7 电网效益问题 d g 的接入可能使配电网的某些设备闲置或成为备用。如：当d g 运行时，与配电网系 统相连的配电变压器或电缆线路常常冈负荷小而轻载，导致配电系统部分设备成为相应的 d g 的备用设备，从而使配电网的成本增加，供电局的效益下降。另外还可能使配电系统负 荷预测更加困难。 东南大学硕士学位论文 一1 2 - 第二章分布式发电对传统电网的影响 8 配电系统的实时监视、控制和调节问题 原先配电系统的实时监视、控制和调度是由供电部门统一来执行的，由于原配电网是一 个无源的放射犁电网，信息的采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单。d g 的接入 使这些过程复杂化，需要增加哪些信息，这些信息是作为监视信息、还是作为控制信息。由 谁来执行等，均需要依据d g 并网规程重新予以审定，并通过具体d g 的并网协议最终确定。 9 ，其他问题 配电网电容器投切应与d g 的励磁调节相配合，否则会出现挣抢调节的现象( 即h u n t i n g 现象) 。当配电网故障时，d g 有可能采取解列运行的方式，但解列后再连接时的判同期问 题成为减少对配电网的冲击所必须考虑的重要问题，应有一定的控制策略和手段来给予保 证。另外，分布式发电的市场体系、相应的法律、法规和行业规范等等体制都需要进一步的 完善和发展 2 4 2 5 瑚翮。 2 3 本章小节 本章主要分析了d g 接入对现有配电网的各种影响。总的来说，随着电力系统规模的曰 益扩大、用户对电能需求的日益增大，分布式发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在现 代电力系统中占有越来越重要的地位，可以预见，分布式发电将是2 1 世界电力：i ：业发展的 方向。如何减小本章所分析的d g 接入对配电网产生的各种不利影响，是值得每一位电力科 技工作者认真思考的。 东南大学硕七学位论文 1 3 - 第三章分布式发电系统保护控制现状 3 1 引言 第三章分布式发电系统保护控制现状 传统的配电系统总体上采取了单电源、辐射式结构电能由高电压流向低电压，经馈线 送达用户。在这种运行方式下。单向的潮流成为了配电网保护控制系统设计的基本条件。分 布式发电接入配电网后，辐射式的网络将变为一遍布电源和用户互联的网络，潮流也不再单 向地从变电站母线向各负荷。配电网的根本性的变化使得电网各种保护定值与机理发生了深 刻变化。 3 2 分布式发电对配电网保护系统的影响 近年来，国内外学者针对分布式发电系统在实际运行中暴露出的诸多问题进行了大量的 研究工作，研究结果表明：d g 接入对配电网保护系统存在多方面的影响，其中最为典型的 影响包括以下几个方n t 3 8 】： 3 2 1 引起保护拒动作 分布式电源提供的故障电流降低了所在线路保护的检测电流值，使相应保护因达不到动 作值而不能启动。 3 2 2 引起保护误动作 d g 接入引起保护误动的基本原理如图3 1 所示，相邻线路发生故障时，分布式电源的 反向电流使其所在的健康运行线路的保护误跳闸。图中短路故障发生在线路2 。但引起线路 l 跳闸。这是因为线路l 上的d g 通过母线向线路2 的短路点提供短路电流，引起线路l 上 的过电流保护动作。 圈3 1d g 接入引起保护误动 3 2 3 影响所在线路保护灵敏度 当1 3 1 3 接入配电线路时，线路保护感知到的故障电流可能会增加或减弱，某些情况下引 起保护拒动口忡i 。 假设将某d g 接入一条馈线上，如图3 2 所示，当馈线上a 点发生故障时。故障电流来 东南大学硕士学位论文 1 4 - 第三章分布式发电系统保护控制现扶 自于系统电源s 和分布式电源d g 。图中各阻抗的意义如下： z s 一一系统阻抗； z 一一d g 的阻抗； z i 一一馈线阻抗。 z s 7 z o o 假设没有d o 接入时，馈线保护1 感知到的故障电流为- 系统电源提供的故障电流 为，则= 厶；d g 接入的情况下，保护l 感知到的故障电流为，系统电源提供的故 障电流为，d g 贡献的故障电流为，则= + 。显然，由于d o 的接入，故障 电流大于不接i x 时的故障电流0 保护l 感知的故障电流增大所以保护i 的灵敏 圈3 3d g 接入降低馈线保护灵敏度 如图3 3 所示。d g 从不同的位置接入a 点发生故障时，故障点的故障电流由系统电 源和分布式电源一起提供，但是。保护1 感知的故障电流，? 要小于不接d g 时a 点的故障 电流，所以保护i 的灵敏度会降低 根据图3 2 与图3 3 中对故障电流的分析可知，i x 的接入位置对保护灵敏度的影响较 大 东南大学硕士学位论文 - 1 5 - 第三章分布式发电系统保护控制现状 3 2 4 影响保护之间的协调性 1 熔断器之间的配合 在传统的配电系统中，由于只有单侧的系统电源，所以故障电流只可能从电源侧流向负 荷侧，通过设置相互配合的保护整定值可以实现继电保护的选择性动作当d g 接入配电系 统以后，故障电流不仅来自于系统侧电源，而且来自于负荷侧的d g ，这样造成保护的协调 配合变得复杂。下面以配电系统中常见的过电流保护为例简单说明d g 接入对保护协调配合 影响h “。 图3 4 显示了一个典璎的过电流保护的协调配台方式。图3 4 ( a ) 中，f u s e l 和f u s e 2 是两 条馈线分支上的过电流保护元件( 熔断器) ，熔断器能够在线路中出现不被允许的大电流时， 由电流流过熔体或熔丝产生的热量将熔体或熔丝熔断，实现线路故障区段的隔离。为了保证 f u s e l 和f u s e 2 的选择性，在馈线分支上发生任何故障，f u s e l 都应比f u s e 2 先动作。圈3 4 ( b ) 是f u s e l 和f u s e 2 的动作特性曲线，可以看出对应于故障电流从最小故障电流( i f m i n ) 到 最大故障电流( i f m a x ) 的范围内。f u s e l 的动作时间都比f u s e 2 的动作时间快，而且保持一 定的裕度。因此通过这样的参数设置能够实现f u s e i 和f u s e 2 的协调配合。 0 v 匡 窖 世 霄 ( i ) 典型的馈线过电流保护结构 1 电流( 1 【a ) 1 0 ( b 过电瘴镍护整定值 圈3 4 传统的过电流保护的配合方式 当d g 接入以后。配电网中的故障电流分布发生变化，故障电流可能来自于下游的d g 这意味着当上游馈线段发生故障时，过电流保护也有可能感受到来自下游的故障电流。 图3 , 5 是一个简单的配电系统。在d g 接入以前，过电流保护f l f 2 ，f 2 _ f 3 ，f 3 一 f 4 。f 5 一f 6 都应按照图3 4 ( b ) 中的关系进行配合。当d g i 、1 3 ( 3 2 、d g 3 接入该系统以后， 将使电流保护的配合性不再保持，下面的简单例子可以说明。 东南丈学硕士学位论文 1 6 第三章分布式发电系统保护控制现状 c 蹴h 卜 2 重合闸与熔断器之间的配合 重合闸与熔断器配合的馈线自动化保护反感。利用了重合闸能够重合，而且其开断特性 具有双时性的特点1 4 2 1 。 重合闸与熔断器的典型配合见图3 6 ( a 。r e c l o s e r 为重合闸，重合闸整定为。一快一慢”， f u s e l 和f u s e 2 是熔断器。重合闸与熔断器的t - i 曲线见图3 6 ( b ) 。 当a 点发生故障时，根据图3 6 ( b ) 中的配合关系，r e c l o s e r 首先按照快速特性动作分闸， 由于动作时间小于f u s e l 和f u s e 2 的熔断时间。两台熔断器都不会熔断，r e c l o s e r 随后第一 次重合。如果是瞬时性故障。重合成功，如果是永久性故障r e c l o s e r 、f u s e l 和f u s e 2 再次 感受到故障电流，r e c l o s e r 按照慢速动作特性分闸，由于动作时间大于f u s e l 的熔断时间。 所以在r e c l o s e r 分闸前，仅由f u s e i 熔断将故障点a 隔离。线路其余点故障的动作原理类 似。 t i ) 一个简单的系统结构 东南大学硕士学位论文 - 1 7 - 第三章分布式发电系统保护控制现状 0 庭 富 避 需 1 电漉( k a ) 1 0 c a ) 重合带与熔断嚣的t i 特性曲线 圈3 6 重合闸与熔断器的配合 d g 引入后( 见图3 6 ( a ) ) 。a 点发生故障，重合闸感受到的故障电流减少，熔断器感受 到的故障电流增加，结合图3 6 ( b ) 可以发现，当两者之间的差值达到一定程度时，熔断器的 熔断时闯小于重合婀快速动作特性卜的动作时间，熔断器将在重台闸未分闸之前熔断，重合 闸与熔断器失去配合。因此，必须限制引入d g 的容量，才能使重合闸与熔断器保持正确的 配合关系这些问题将在第四章和第五章中详细讨论 3 2 5 引起配电网故障水平的变化 分布式电源既可能造成故障电流的增加，也可能造成故障电流的减少。若某配电区域的 分布式电源容鼙很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高断路器的容量和升级保 护装置。本文的第五章详细分析d g 容量对现有配电网保护的影响。 3 2 6 对重合闸的影响 配电网的故障8 0 9 0 的部分是瞬时性的。重合闸的应用对提高系统供电可靠性， 减少电网维护i = 作量有着相当重要的作用。在辐射式配电网结构下，重合闸在迅速恢复瞬时 性故障线路供电时，不会对配电系统产生任何冲击和破坏。当分布式电源接入配电线路后， 除了3 2 4 常分析的对协调性的影响外，还有对重合闸其他方面的影响。如果线路囡故障跳 闸后，分布式电源所形成的电岛保持了功率和电压在额定值附近运行，分布式电源极有可能 在重合闸动作时没有跳离线路。这将产生两方面的威胁p “。 1 非同期重合闸。由于电网电源的失去，电力孤岛很难与电网保持完全同步。在电网 电源跳开后至重合闸时的这段时间内，两者之间的相角差可能出现在0 3 6 0 。之间的任何一 个位置。当相差不为o 。时，保护会检测到冲击环流，在此电流的作用下，线路保护可能会 发生误动作，而使重合闸失去了迅速回复瞬时故障的能力。 2 故障点电弧重燃。在失去电网电源后，故障点可能由于分布式电源的维持而没有消 除。当进行重合闸时，由于电网电源的作用，可能引起故障电流跃变，引起故障点电弧重燃， 导致绝缘击穿，迸一步扩大事故。 按i e e e l 5 4 7 的标准规定，分布式电源在电网电源失去后，必须跳离线路 3 2 7 引起非计划孤岛 在某些情况下( 如跳闸、断线等) ，一部分电网突然与大系统断开，这部分小电网内的 d g 将l 临时向负荷独立供电，这种状态就是非计划的孤岛运行 4 3 , 4 4 1 ( 图3 6 ) 东南大学硕t 学位论文 1 8 - 第三章分布式发电系统保护控制现状 9 孤岛 圈3 6 非计划孤岛运行 由于非计划强岛的出现具有不可预知性，运行条件缺乏事先规划，因而绝大多数不能满 足电力系统安全可靠性的要求，将会带来许多问题： 1 电能质量f 降：孤岛小系统内功率不平衡，频率和电压都发生变化，很难保证电能 质最。 2 威胁公众及运行人员的安全：由于非计划孤岛的范围不确定，不能明确系统元件、 线路是否带电，造成了对维修人员、运行人员、公众的安全威胁。 3 影响自动重合闸：形成孤岛运行后，分布式电源可能仍对跳闸线路的另一端供电， 造成检无压重合闸失败，或冈孤岛与主系统失步，检同期合闸失败，从而引起不必要的停电。 所以为了保障电力系统的安全可靠性，各国瞥遍不允许非计划孤岛运行，并在d g 并网 运行的规约1 1 2 1 中。对于反孤岛保护提出了明确的要求。这些规程虽然极大限度地保证了电 力系统的安全性，但在一定程度上局限甚至破坏了d g 的正常运行，损害了d g 发电商和 d g 用户的经济利益，对提高供电范围及供电可靠性也是不利的田i 无意中形成的孤岛，可能会对系统、用电设备、维修职员等造成危害，而且低劣的电能 质最会损害孤岛中的负荷。但是，随着孤岛控制技术的发展，孤岛能保持足够的调节容量用 来应付干扰，具有足够的动态有功无功调节能力和维持运行能力的话，那么孤岛对于d g 发 电商、一些重要负荷以及整个电力系统的供电可靠性都是有利的。 3 3 分布式发电系统的保护配置 分布式发电厂改变了配电网线路单电源辐射型特征，成为一个具有不平衡