分布式能源对配电网电能质量的影响

王磊,王兴刚,孙承祥,汪春莉,彭庆军

(1.云南电网公司研究生工作站,昆明 650217;2.华北电力大学,河北 保定 071003; 3.云南电网规划研究中心,昆明 650011;4.云南电网公司博士后工作站,昆明 650217)

分布式能源对配电网电能质量的影响

王磊1,2,王兴刚3,孙承祥1,2,汪春莉1,2,彭庆军4

(1.云南电网公司研究生工作站,昆明 650217;2.华北电力大学,河北 保定 071003; 3.云南电网规划研究中心,昆明 650011;4.云南电网公司博士后工作站,昆明 650217)

研究了分布式电源对配网继电保护的配合及灵敏度的影响,以及通过逆变器并网的分布式电源对配网电压波动与谐波共振的影响,并提出了应对措施。

分布式电源;配电网;配网保护;电能质量

1 前言

分布式能源 (distributed energy sources,DES)接入低压配电网,对提高供电可靠性、降低配电网网损、支撑配网电压具有一定作用,但同时也带来了新的问题和挑战,尤其是对配电网继电保护和电能质量的影响最为突出,本文将针对分布式电源接入对配电网继电保护及电能质量的影响展开研究,并提出应对措施[1]。

2 对配电网保护的影响

分布式电源 (distributed generation,DG)接入配电网以后,如果DG所发电能不能被就近全部消纳,剩余电能流向电网,则会改变电网潮流的分布,使电网由垂直结构变为平行结构。对于典型的垂直结构的辐射形配电网,传统的配网保护是根据辐射形潮流和馈线短路电流水平设计的[2-4]。

2.1 对辐射型配网的保护方案

1)采用传统三段式电流保护方案。即：瞬时电流速断保护、定时限电流速断保护和过电流保护;

2)采用反时限的过电流保护方案。

由于配电网故障中绝大多数为瞬时性故障,因此对非全电缆线路,无论采用以上何种保护方案,都应配置三相一次自动重合闸装置,以保证线路在发生瞬时性故障后能快速恢复供电。

然而,DG接入配电网后,当馈线某处发生短路时,配网馈线中的电流方向将发生改变,短路电流的水平也将增加。DG对配网继电保护的影响主要有：上下游断路器的不配合、熔断器保护失灵、继电保护保护范围减小、误跳闸增多等。

来自DG的额外短路电流会引起非故障区域的断路器跳闸,造成上下游断路器之间失去配合。

图1 保护配合失效示意图

图1给出了保护配合失效的示意图。根据IEEE13节点标准网络规定,当652节点附近发生短路,如果DG1不存在,则断路器A检测到来自650节点的短路电流,断路器A动作将故障点隔离。当DG1提供的短路电流足够大,断路器B或重合闸装置R将动作或者二者全部动作,造成断路器之间失去配合,扩大停电范围。

图2 保护灵敏度降低示意图

图2给出了保护灵敏度降低的示意图。根据IEEE13节点标准网络规定,当故障发生在684节点与671节点之间,则故障处的短路电流由DG1和来自650节点的短路电流共同提供,与DG接入前相比,671节点处继电保护检测到的短路电流变小,使其灵敏度降低,保护范围减小。在671节点处断路器D动作切除故障后,此时DG1继续向611节点、684节点和652节点供电,形成电力孤岛,无法保证用户的电能质量,这也不符合IEEE Std 519-1992标准的规定,反孤岛保护应动作,及时切除DG1。

熔断器保护失灵也是配电网中一个非常严重的问题。在配网中,熔断器与断路器配合使用保护电网安全。熔断器的工作过程要与馈线断路器的动作速度相配合,断路器的动作速度与发生暂时故障 (如雷击)时相邻熔断器的熔断时间有关,即为减少因暂时故障更换熔断器熔丝的频率,在熔丝熔断前,断路器应先动作切除故障。但由于接在馈线上的DG会持续向熔断器输送短路电流,造成这一配合过程失效[5]。

为了保障DG接入后配电网的安全稳定运行,对传统配电网继电保护系统进行必要改进。

2.2 配电网的新型保护方案

1)在不增加额外设备的情况下,通过的新的保护方案与整定值算法使继电保护的整定值具有自适应性。

文献 [6]提出根据电力系统当前的运行方式和故障状态,通过保护背侧等效阻抗表现DG接入及切除对整定值计算的影响,实时计算整定值。文献 [8]将含DG配电网分区,每个由断路器隔开的区域的DG容量与负荷基本平衡,当发生故障时,由分区断路器检测故障类型与位置,断开相应隔离断路器。此类方法投资小、改造周期短,但对DG的接入容量有一定的限制。

2)增加方向原件,实现方向保护。

文献 [7]提出在DG的上游区域为每个保护装置增加方向元件及保护加速元件,根据方向元件的判断结果,相应的保护模块可以自适应地启动并动作,不改变配电系统原有断路器配置的前提下快速地将故障线路从两端切除。但是此方案有其局限性,当系统发生三相短路时,此方案失效,仍需按传统的定时限过电流保护来切除故障。

3)将网络通信技术与现有配网保护相结合的新型保护方案。

文献 [9]提出将基于配电网自动化的多A-gent技术应用于含分布式电源的配电网自适应保护。此方案需在全网的保护实时同步采样的前提下,利用SCADA系统的通信功能和各Agent之间的协作能力提高保护的可靠性、灵活性,对配电网的自动化与信息化水平要求较高。文献 [10]利用IP广域网实现电网广域信息的实时交换;利用多Agent系统在解决分布式在线问题的合作求解能力,实现保护之间动作的协调。目前在高压输电网上,将无线传输、GPS时钟授时数据同步、相量测量单元PMU等与继电保护技术相结合的广域保护已有应用,但其投资过高,于配电网大规模应用仍有待时日。

3 对配电网电能质量的影响

DG接入配电网后对配电网电能质量的影响与众多因素有关,如DG的类型、其接入配电网的接口类型、DG的容量、运行的控制模式、输出功率的波动性、DG总的接入容量、接入点处负荷与DG输出功率的比例以及馈线的电压管理[11],主要表现为电压波动、电压闪变、谐波。

3.1 含DG配电网的电压波动与闪变

当某线路上传输的功率相量为S=P+jQ时,设其线路阻抗Z=R+jX,并以首端电压U1为参考电压时,则线路的首端和末端的电压降落值为

其中ΔU和啄U分别为电压降落的纵分量和横分量,为末端电压相量。由式 (1)可知,当DG接入配电网后,接入点注入的功率增加或减少,将导致线路上传输功率的变化,电压降落也将发生改变。而电压降落随着DG注入接入点功率的变化发生变化的变化量为：

由 (2)式可知,当DG本身的启停或注入接入点的功率波动较大时,如出力分别受风速和太阳辐射强度变化影响较大的风力和光伏发电,如果其接入线路的参数不合适,电压降落值会十分明显,这将引起DG接入点较大的电压波动和闪变。由以上分析可知,电压波动与闪变主要是由DG输出功率的间歇性与波动性引起。

3.2 含DG配电网的谐波

DG多通过电力电子装置接入配电网,运行中不可避免地向配电网注入谐波。最常采用的是三相电压型PWM逆变器,其结构如图3所示,L为输出滤波器,R是滤波器阻抗。T1～T6位电力电子装置,C为直流环电容,通过调节逆变器输出电压的幅值和相角来获得需要的有功与无功。

三相PWM型逆变器产生的谐波电压主要有两部份组成,低次谐波与控制器参数、系统扰动及死区有关,高次谐波与PWM调制方式和输出滤波器的滤波有关。由此可见连接配电网与DG的逆变器有很宽的谐波频谱[12],相关标准中,通常关注50次以下谐波,但在当前的研究,一般只研究25次以下谐波。DG逆变器产生的谐波电压主要影响其接入点电压。在配电网中,如果接入点处同时有多个逆变器在向配电网注入功率,则接入点处电压易超出限值。而由于谐波电压的加入,使接入点电压进一步升高,将使逆变器过电压保护动作,将DG切除。同时一些连接在接入点的电子设备可能被烧毁,甚至是逆变器中的功率开关设备。而这些现象经常容易误导运行人员,使其忽略谐波问题。而当谐波电压被配电网线路与负荷阻抗转化为谐波电流,则会对接入点外的其他线路节点造成影响。除了损坏设备、造成系统误动作,谐波电压与电流还会加速电气设备绝缘老化的速度,缩短其使用寿命。同时,谐波也可能对通信系统造成干扰。

图3 DG逆变器机结构图

DG接入配网后使谐波谐振现象变得更加复杂。文献 [15]分析了配电网串联与并联谐振对并网逆变器产生谐波的影响,指出并联谐振使DG连接点电压畸变升高,而串联谐振使电流畸变增加。文献 [16]分析并网逆变器输出阻抗与配电网阻抗的动态相互作用,通过DG系统测试平台证实了这种相互作用会产生某些频率的附加谐振。同时指出这种附加谐振不但会产生严重的电能质量问题,而且能导致系统保护误导,毁坏敏感设备。

3.3 含DG配电网电能质量治理措施

为了改善DG接入配电网对电能质量的影响,本文提出以下三点改进措施：

1)优化选择接入电压等级和接入点。

接入点的短路容量越大,越能够承受DG造成的电能质量扰动。文献 [13]通过人工神经网络方法优化单个DG的接入位置,将DG输出功率波动引起的母线电压波动降到最低。文献[17]通过对IEC、IEEE和英国G5/4等标准中电力系统谐波的相关规定进行分析,提出应综合考虑谐波源的谐波水平与接入点的短路容量,选择合理的接入点与电压等级,以保证系统谐波不超出相关规定的允许值。

2)化逆变器控制策略,降低输出谐波。

文献 [14]用多功能四线电容中点逆变器作为DG并网逆变器,采用预测电流控制技术,可以同时实现功率交换与改善电能质量,如降低电流总谐波畸变率,提高功率因数,消除直流分量。

3)装电能质量治理装置。

采用有源电力滤波器、统一电能质量控制器等电力电子装置对配电网电能质量进行综合治理。

4 结束语

1)DG接入配电网后,有可能会造成配电网继电保护配合失效、保护灵敏度降低等问题,为保证配电网安全运行,建议优先采取新的保护方案与整定值算法,必要时增加方向原件,而远期则可以考虑逐步实施将网络通信技术与现有配网保护相结合的新型保护方案。

2)DG输出功率波动性引发的电压波动与闪变,并网逆变器带来的谐波污染,都会严重影响配电网的电能质量。通过优化选择DG接入电压等级和接入点、优化逆变器控制策略、加装电能质量治理装置等方法,可以有效改善配网电能质量。

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Research on Impact and Solution of Distributed Energy Sources on Protection and Power Quality in Distribution Network

Wang Lei1,2,Wang Xinggang3,Sun Chengxiang1,2,Wang Chunlin1,2,Peng Qingjun4
(1.Graduation Workstation of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650271; 2.School of Electrical&Electronic Engineering,North China Electrical Power University,Baoding,Hebei 071003; 3.Yunnan Grid Planning and Research Center,Kunming 650011; 4.Post-doctoral Workstation of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650271)

In-depth study of the impact of DG integrated into distribution network on protection and power quality of the distribution network has important practical significance.To This end,based on IEEE13 node standard network,impact on protection coordination and sensitivity of distribution network is researched;Secondly,the impact of DG through the inverter accessing distribution network on voltage fluctuations and harmonic resonance of distribution network is studied.Based on these studies and give some response.

distributed generations;distribution network;distribution protection;power quality

TM73

B

1006-7345(2014)03-0071-04

2014-03-10

王磊 (1987),男,硕士研究生,云南电网公司研究生工作站,研究方向为分布式能源发电 (e-mail)wl06152324@163.com。