高渗透率分布式电源接入下电网面临的问题及保护技术PPT课件.ppt

高渗透率分布式电源接入下电网面临的问题及保护技术 2010年8月 华中科技大学电气与电子工程学院尹项根 张哲 撖奥洋 1 主要内容 DG接入下电网面临的主要技术问题 2 4 2 1概述 3 1背景及研究内容 一 国家层面的战略规划加快可再生清洁能源的发展和高效利用已成为我国能源领域的重点发展战略之一 分布式供能为实现这一目的 提出了技术上的可能 1 1课题的背景 4 1背景及研究内容 二 现有电网存在重大事故风险近年来美加 8 14 大停电 我国南方冰灾大停电等一系列严重事故 促使世界各国特别是经济发达地区积极开展有别于集中传输模式的分布式供能技术的研究 期望能优化电网资源 提高供电可靠性 美加大停电时纽约的夜景 冰灾时贵州线路受损严重 5 1背景及研究内容 三 我国将分布电源列为重点攻关课题例如 国家电网公司在其 十二五 科技发展规划中 7个研究领域中的3个支撑研究领域 大电网安全与控制 网源协调 配用电中都涉及到了分布式能源新技术 在网源协调技术和配用电技术中 分布式供电更是单独作为一个重要研究方向被提出 6 大规模新能源发电并网基础平台研究建设 分布式新能源与配用电协调发展技术 新能源智能发电技术研究 新能源智能调度支撑技术 新能源发电及接入 新能源发电输送技术 新能源发电及接入 大电网安全与保护技术 网源协调技术 配用电技术 新能源 分布式电源仿真建模 分布式供电 DG的特性及并网 含DG的配电网技术 微网关键技术 虚拟电厂技术 分布式供电 微网关键设备 DG供电试验及示范工程 国家电网公司 十二五 科技发展规划三个研究领域 1背景及研究内容 7 1背景及研究内容 以含有分布式发电 DG 的电网系统为研究对象 1 论述高渗透率DG接入下电网面临的主要技术问题 2 探讨继电保护领域关注的问题和双馈风电场并网保护相关技术 1 2报告研究的主要内容 8 2高渗透率DG接入下电网面临的主要技术问题 9 2DG接入电网面临的技术问题 相对于大电网 DG存在着并网运行 大电网故障时故障穿越运行 解列组网自治运行 重新并网等多种运行状态 DG的大规模接入必将对大电网的稳态潮流分布 暂态故障电流分布产生重大影响 在大电网的规划设计 调度运行和保护控制等方面带来新的问题 总体上看 需要研究的重点主要包括 含高渗透DG的大电网运行与控制技术 含高渗透DG的大电网的优化规划与可靠性评估 含高渗透DG的大电网的继电保护与安全自动控制技术 含高渗透DG的大电网的电能交易模式与技术 分布式电源与大电网相互作用机理 10 2DG接入电网面临的技术问题 2 1分布式电源与大电网相互作用机理 关键课题 1 不同微电源的外特性以及运行约束条件2 建立适用于静态动态分析的DG系统等值计算模型 1 DG接入大电网的功率传输极限2 高渗透率下DG随机切入切出对大电网造成的低频振荡模式3 高渗透率DG低压穿越运行对大电网稳定影响 11 1 公共连接点处以稳态电能质量扰动产生的机理和分布规律2 DG投退与切换 负荷冲击 故障等暂态过程中 电压或电流短时严重偏离其额定值或理想波形的暂态电能质量扰动产生机理和传播特性 1 研究DG故障暂态特性2 建立能够表征DG故障特性的暂态模型3 故障穿越运行的DG影响大电网原有保护及紧急控制装置的机理 2DG接入电网面临的技术问题 12 研究适合于高渗透率DG接入的配电网网架结构 提出新型配电网网架经济性评估方法 考虑有分布式电源支撑的新的供电可靠性评估方法 研究不同类型DG接入后配电网的无功优化方法 研究DG接入后对传统的无功补偿市场格局的影响 针对不同的无功电源供应商的具体特点 建立完备的无功补偿市场规范 研究DG对外部所呈现的功率输出变化特性 构建相应模型 研究在规划年限内大量DG不断接入下的中长期负荷预测的基本方法 研究常规发电能力与分布式发电能力间优化协调策略 研究高渗透率下DG接入后含环境因素的新经济性评价标准 2 2含高渗透DG的大电网的优化规划与可靠性评估 关键课题 2DG接入电网面临的技术问题 13 2 3含高渗透率DG的大电网运行与控制技术 关键课题 研究分布式电源的功率输出随机特性及其对大电网负荷预测的影响 研究高渗透率下含DG的大电网短期负荷预测新算法 研究高渗透率下DG并网对大电网经济运行的影响 考虑对目前大电网调度技术与规范的改进措施 研究高渗透率并网条件下DG的优化调度方法 2DG接入电网面临的技术问题 14 研究含DG的大电网黑启动模式 研究DG故障或退出情况下 大电网对关键负荷紧急支援的控制策略 2DG接入电网面临的技术问题 15 新型保护系统构建研究含有高渗透率DG的大电网保护的基本理论 构建模式 整定配合原则 探讨新的保护理论 方法 为保证大电网的运行安全提供理论和技术支撑 新型电网运行方式及保护配合机制根据DG的类型 接入方式和其在配电网中的作用 从保证大电网和DG运行安全的角度出发 研究不同分布式电源解列和故障穿越运行的基本原则 以及配电网保护与DG保护的协调配合机制 对原有保护影响评估DG在不同接入位置 接入容量 渗透率情况下 对大电网各种保护造成的影响 建立影响大电网保护系统评价体系 2DG接入电网面临的技术问题 2 4含高渗透DG的大电网的继电保护与安全自动控制技术 关键课题 16 电能交易模式 在电力市场环境下 建立由不同类型DG和用户进行电能交易的经济模型 研究鼓励可再生能源参与电力市场竞争的政策激励机制 研究含DG的电力市场的市场机制与竞价策略 分布式电源与负荷将参与大电网的竞价 竞价的结果决定分布式电源与大电网的功率交换量和相应的电价 研究DG接入后对原有的电能交易模式的影响 原有的联营 双边和混合交易模式也必然要做出相应的变化以适应新的电能交易的要求 2DG接入电网面临的技术问题 2 5含高渗透DG的大电网的电能交易模式与技术 关键课题 17 3DG接入下电网保护技术的研究现状 18 3DG接入下电网保护的研究现状 1 在分布式电源的故障暂态特性方面 现有的研究一般认为 诸如光伏 燃料电池等基于逆变器接入的DG电源 其向电网馈入的短路电流对系统故障电流水平的影响较小 故更多关注旋转类电机的故障特性 从现有的文献所提出的保护方案看 一般将DG简化为不计衰减的恒定电流源或含内阻抗的恒定电势源 主要问题 1 随着DG的大规模接入和逆变器单元容量的不断增加 需要对基于逆变器类电源的故障特征有更全面的认识 包括最大冲击电流 暂态衰减时常 故障过程中逆变器控制器和限流保护的动态行为等重要特性 2 需要考虑不同分布式电源所提供的短路电流的特性差异 考虑分布式电源在电网故障期间可能存在的间断性供电的特殊性 简化的分析结果往往与实际情况存在较大不同 难以满足保护特性分析和整定计算的应用要求 19 3风场并网保护构建策略 2 在含DG的配电网保护方案方面 有以下技术思路 1 在DG的并网线上串联电抗器来减小DG的助增电流 保证原有电流阶段式保护正常工作 2 以原有保护不作较大改动 并有较好的灵敏度和配合裕度为限制条件 计算馈线允许接入DG的数量 容量和位置 3 利用距离保护受系统运行方式影响较小 其I II段的测量元件具有明确的方向性的特点 将距离保护应用于含DG的配电网中 4 运用通信手段实现纵联保护或研究基于多点信息的集成式保护的原理和方法 是当前研究的热点 探讨智能电子装置 分布式人工智能 DAI 技术 多agent系统 MAS 以及通信技术在保护 控制新原理和方案中的应用 3DG接入下电网保护的研究现状 20 3风场并网保护构建策略 3 在分布式电源并网运行方式及接入处的保护构建方面 少有相关文献进行研究 IEEE1547系列标准制定了当前DG的并网运行规程 一般是是基于DG并网不影响原有配电网保护控制系统正常工作的原则提出的 这将导致分布式电源在故障过程中频繁退出 极大降低了分布式电源的利用率 且难以实现对电网在故障紧急情况下的电源支持 3DG接入下电网保护的研究现状 综上所述 DG的高渗透率接入 对配电网的故障特性 保护构建模式带来了深刻的影响 存在大量的理论和技术问题亟待解决 从现有的文献来看 迄今的研究工作基本还停留在初步的理论研究和探讨阶段 仍存在大量的理论和技术问题需要解决 特别是以下几个方面的研究工作亟待深入 21 3风场并网保护构建策略 3DG接入下电网保护的研究现状 1 不同类型分布式电源短路电流的 多态 性研究及仿真计算模型的建立 2 新型配电网保护系统的构建及整定计算的研究 提出不同渗透率情况下配网保护系统的构建方案和应对措施 包括配电网主保护的改进与调整 DG故障穿越运行下的重合闸方式与保护的协调配合机制针对具有高渗透率分布式电源配电网后备保护配合复杂的问题 探讨利用网内多点综合信息 采用自适应技术改进后备保护性能的途径在整定计算方面 应重点研究DG所提供的短路电流 多态 性 以及DG运行方式多变等因素对整定计算的影响 针对不同的保护原理和配置模式 提出相应的整定计算原则与和方法 对于双馈直驱式风机旋转电源 应计及转子侧励磁特性 crowbar保护动作特性以及电机的功率解耦策略等对短路电流的影响 对于逆变器电源 应考虑电压控制策略以及功率器件的过流和过压保护等因素的影响对于以微网方式接入的分布式电源 则需考虑解列控制对短路电流的影响根据继电保护特性研究和整定计算的应用要求 提出相适应的电源简化数学模型 该模型应能准确反映不同分布式电源的短路电流外部故障特征 22 3风场并网保护构建策略 3DG接入下电网保护的研究现状 3 配电网保护与分布式电源保护之间协调配合机制的研究 配网发生故障后 DG是以岛形式运行还是从配网中退出运行或者做穿越故障运行 应根据配网和电源本身的运行安全 以及兼顾配网用户和分布式电源的所有者利益等方面综合考虑 保证配电网和分布式电源运行安全的角度出发 根据分布式电源的类型 接入方式和其在配电网中的作用 研究提出不同分布式电源解列和故障穿越运行的基本原则 对配电网保护与分布式电源保护的协调配合机制进行研究 以期在保证运行安全的前提下 提高分布式电源 尤其是直接馈入式分布式电源的利用率 23 4双馈型风机接入配电网并网处保护研究 24 4双馈风机并网保护研究 4 1双馈电机的 多态 故障特性 外部故障时 双馈电机提供的短路电流大小以及衰减特性与传统的同步电机相比存在较大差异 本文从继电保护的的研究和应用角度出发 建立了较为完备的双馈风力发电系统的故障仿真模型 重点考虑了短路故障下的crowbar保护的动作行为和P Q控制策略下的转子励磁逆变系统的响应特性 仿真系统如图1所示 图1双馈风力发电系统的故障仿真模型 25 4双馈风机并网保护研究 1 双馈电机发生近端短路故障 转子内的电压能从转差电压激升到定子电压值附近 保护转子逆变器的crowbar保护电路在故障发生后的几个毫秒内动作 短接转子绕组 定子电流仿真波形 图2近端故障下 双馈电机馈入电网短路电流 4 1双馈电机的 多态 故障特性 26 4双馈风机并网保护研究 2 双馈电机远端处发生故障 逆变器能够在故障期间连接在转子上 依靠PI控制器来调节转子励磁电压 影响故障过程中的定子电流 短路故障所导致的转子内过电流 将在PI控制器的输入端造成余差 如果双馈电机的PI控制器参数有较好的余差平抑能力 则余差在较短时间内被消除 定子故障电流快速 平滑 地衰减至稳态 如图3所示 如果PI的比例积分参数对于故障没有很好的平抑能力 则定子故障电流暂态过程持续时间较长 且工频暂态分量发生振荡 含有明显的谐波分量 定子电流仿真波形如4所示 图4远端故障 弱PI控制下故障电流波形 图3远端故障 强PI控制下故障电流波形 4 1双馈电机的 多态 故障特性 27 4双馈风机并网保护研究 3 双馈电机提供的最大短路电流幅值 除与短路点位置 故障发生时刻 电机故障前负荷水平 及自身的电气参数有关外 还与crowbar保护的动作时间 串入的释能电阻有较大关系 一般而言 由于暂态电动势较小 双馈电机提供的短路电流比同容量的同步电机要小 在不同释能电阻大小下 短路电流的峰值存在较大差异 如图5所示 crowbar保护启动值和动作时间保持不变 图5crowbar保护不同释能电阻值下 定子最大短路电流峰值 4 1双馈电机的 多态 故障特性 28 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案1兆瓦级双馈电机是当前已投运风电场的主力机型2并网问题已成是我国为风能大规模利用的首要技术瓶颈3现有风电场并网处保护存在亟待解决的技术问题 1 机型占有率达到95 机体制造技术相对成熟 有一定的运行维护经验 对其展开研究具有代表性和实用价值 2 3 风力机工况下的低电压穿越和发电自动控制尚不成熟 研究相关技术对打破国外技术垄断 促进风电行业的健康快速发展具有重要意义 现有保护策略只满足于当下风电场 保守 的运行方式 对以后风电场灵活的运方和发电模式 需增强并网处的保护功能 4双馈风机并网保护研究 29 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 风机一般采用单元接线方式 然后以并联分组形式集中升压 通过风电场出线连接到配电网中 系统接线如图6所示 4双馈风机并网保护研究 图6接入风电场的配电网典型接线图 30 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 4双馈风机并网保护研究 随着并网风电容量的不断增加 为了避免外部电网故障导致大量风机从系统中解列 从而影响到电网的安全稳定运行 电网要求风机在故障过程中作穿越运行 以起到对电网的支撑作用 典型故障穿越运行要求如图7所示 图7电网规程下的风电场故障穿越运行曲线 区域1 电机低压穿越运行区 其要求在外部电网故障时 若风电场母线电压不低于Ulow set时 能保持连接在电网中t1时间 由电网保护切除故障 Ulow set一般可选择为0 1 0 15倍的额定电压 区域2 电压恢复区 要求母线电压在t1时刻后 外部故障切除后 能迅速恢复 在t2时刻 电压恢复到额定值 一般t2值为3秒 区域3 保护动作区 即如果电机母线电压恢复不理想 则出口处保护动作 切除电机 31 传统的线路保护 如电流保护无法满足上述运行要求 鉴于此 以风电厂并网保护为研究对象 俺就研究了一种复合式电流 电压保护 其特点 考虑了风电场低压穿越运行的要求计及了双馈电机 多态 故障特性对保护的影响能够更好地适应风电场的特殊运行条件和要求 4双馈风机并网保护研究 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 32 4双馈风机并网保护研究 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 复合式电流 电压保护由改进型三段式电流电压保护元件和反映故障穿越特性的低电压保护元件构成 两保护元件或门出口 逻辑关系如图8所示 图8复合电流 电压保护逻辑配合图 33 4双馈风机并网保护研究 1 改进型三段式过流保护 主要用于保证联络线故障的快速切除以及作为相邻线路的后备保护 其基本原理如下 保护I段瞬时动作 对于双馈电机 当近端发生故障时 crowbar保护动作 将造成故障电流迅速的衰减 因此 为了保证电流保护I段可靠动作 在微机保护中宜采用基于瞬时值的快速保护算法 保护II段和III段 由于电流保护II段和III段经延时跳闸 双馈电机提供的短路电流稳态值甚至可能小于负荷电流 若不采取措施 传统的电流保护II III段存在拒动的可能 一种改进方法是采用低电压保持的定时限过流保护 即一旦过电流元件动作 只要低电压条件满足 保护一直动作 从而可有效消除双馈电机短路电流多态性的影响 确保故障的可靠切除 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 34 4双馈风机并网保护研究 2 为了实现图7所示的低电压故障穿越运行要求 除过电流保护外 增设与风电场故障穿越曲线相适应的低电压保护 主要作为网内保护的后备和确保电压恢复 其动作方程为 式中 U为电机连接母线测量电压 Ulow set为电机所能承受的母线电压跌落最低值 t1 t2分别为低压穿越时间和电压恢复时间 t为当前时刻 以故障发生时刻为起点 4 2适应故障穿越运行的风电场并网处保护方案 35 4双馈风机并网保护研究 建立图6所示的配电网模型 验证所提保护方案的有效性 仿真实验有 联络线由远及近设置三相短路 考察三段电流保护切除故障能力2 在相邻馈线1上设置三相短路 考察穿越特性低电压保护的风电场故障穿越运行能力 4 3保护方案仿真验证 36 4双馈风机并网保护研究 在风电场联络线8km 由远及近设置三相短路 双馈电机crowbar保护启动值为2倍的转子电流峰值 短路电流峰值大小及并网处母线电压跌落程度如表所示 由表可知 故障发生在联络线末端时 机端电压跌落到40 附近 表明在联络线任一处故障都会引起crowbar保护的动作 对保护I段而言 由于crowbar保护动作后转子绕组被短接 电流迅速衰减 其峰值电流的有效波形宽度可能仅为5 10个毫秒 通过采用基于瞬时值的快速保护算法可实现故障的可靠切除 当故障发生在II段范围内 短路电流会迅速衰减到20A左右 远小于II段电流定值 传统的II段保护将发生拒动 而本文提出的改进方案 II段过电流元件仅作为启动元件 采用低电压保持出口跳闸 低电压保护按躲过线路crowbar保护动作时的最小电压跌落程度整定 这样在crowbar保护启动时 此方案也能够确保风电场联络线上故障的可靠切除 4 3保护方案仿真验证 37 4双馈风机并网保护研究 考察所提出的新型保护方案对改善风电场低压穿越运行能力的效果 在相邻馈线1上设置不同位置的故障 此时风电场并网处的电压跌落程度如图所示 从图可知 当故障发生在3 5km以内时 风电场并网母线电压跌落到0 9pu以下 当并网处保护采用基于电压偏移的传统保护策略时 当电厂出口母线电压偏移超出预设值 如额定电压的 10 时 切除风力机 则邻线AF段发生短