考虑故障特性和保护约束条件的分布式电源准入容量研究

贾耕涛， 翟 学, 杨雪瑞

(1. 国家电网上海市电力公司 信息通信公司，上海 200120；2. 湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040； 3. 国家电网东北电力调控分中心，辽宁 沈阳 110180)

考虑故障特性和保护约束条件的分布式电源准入容量研究

贾耕涛1， 翟 学2, 杨雪瑞3

(1. 国家电网上海市电力公司 信息通信公司，上海 200120；2. 湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040； 3. 国家电网东北电力调控分中心，辽宁 沈阳 110180)

为了保证分布式电源接入后继电保护装置可靠运行，在不改变保护配置的要求下需要确定分布式电源的准入容量。结合分布式电源自身的控制策略，对双馈风力发电机和光伏电站的短路电流特性进行分析，然后计算在配电网同一并网点分别接入同步发电机、双馈风力发电机和光伏电站时的准入容量，确定3种分布式电源准入容量的大小关系。算例结果表明：准入容量与各分布式电源的短路电流特性相关，且受其控制策略的影响，因此在准入容量的计算中不能用同步发电机代替其他形式的分布式电源，必须考虑其具体类型和自身控制策略。该结论为实际工程应用提供了理论指导。

分布式电源准入容量；双馈风力发电机；光伏电站；短路电流特性

为了应对传统能源的短缺和日益严峻的环境污染问题，中国“十三五”规划提出要逐步提高风电、光伏等清洁能源发电装机容量在中国总体发电装机容量中的占比，并初步提出了具体的计划与要求[1]。风电、光伏等分布式电源(Distributed Generator，DG)的并网提高了电网供电的可靠性、灵活性，同时也给传统电网带来了一些不利影响。

分布式电源的接入，使传统配电网由单电源结构变为多电源结构，并且分布式电源与传统同步发电机的短路电流特性存在较大差别，对传统配电网继电保护有一定的影响。随着分布式电源并网容量的增加，其对配电网原有保护的影响越来越大，可能导致含分布式电源的配电网继电保护不能满足要求。因此，在分布式电源接入的规划阶段，必须考虑分布式电源对继电保护的影响，即需要确定分布式电源在继电保护约束下的准入容量，为规划提供技术支持[2]。

对分布式电源在继电保护约束条件下的准入容量研究已取得一定成果。文献[2]探讨了在满足继电保护可靠动作的前提下配电网允许接入的分布式电源的最大容量，提出一种考虑配电网保护动作和分布式电源短路电流衰减特性影响的分布式电源准入容量的分析方法。文献[3-4]为了研究配电网中分布式电源的最大准入容量，建立了同步发电机型的分布式电源，分析配电网各个母线对分布式电源的准入容量以及限制因素。文献[5]描绘了在线路不同位置发生三相短路故障时分布式电源接入前后电流对比曲线。利用三段式电流保护约束条件,在不修改原有保护配置的前提下得出了最佳容量比。文献[2-5]中研究的分布式电源计算模型都是用同步发电机代替的，没有对其他类型的分布式电源进行分析。

文献[6]指出与传统同步发电机相比，光伏电站的短路电流特性有很大差异，且受到光伏电站低电压穿越控制策略的影响，考虑光伏电站的短路电流特性，提出在不改变原有保护的条件下确定光伏电站准入容量的方法。

文献[7]建立了恒功率并网控制策略下的逆变型分布式电源输出模型，推导含逆变型分布式电源的短路电流计算公式，进而在保护配置不做出调整的条件下求得多个特定接入点处的逆变型分布式电源的最大准入容量。该文未述及低电压穿越控制策略的影响。文献[8]讨论了配电网某一母线处分布式电源的准入容量以及一定容量分布式电源的最佳并网位置，在算例部分采用的是双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)，但是没有考虑DFIG的控制策略。

从已有的研究来看，在继电保护约束条件下对分布式电源准入容量的计算大多是以同步发电机为原型的，对风电和光伏的准入容量分析不多，且没有考虑风电、光伏自身的控制策略。

笔者结合风电、光伏的具体控制策略，介绍双馈异步风力发电机、光伏电站短路电流特性及短路电流计算方法。分别以同步发电机、DFIG和光伏电站为分布式电源模型对配电网中某一位置的准入容量进行分析，并得到3种类型分布式电源的准入容量的关系。

1 电流保护对分布式电源容量的约束

传统的配电网比较简单，其结构为单电源辐射型网络，配电网采取的保护配置通常是三段式的电流保护，按照继电保护相关规程，10 kV馈线保护一般配置三段式电流保护，即I段瞬时电流速断保护，II段定时限电流保护，III段过电流保护。I段按躲过线路末端最大三相短路电流整定，II段与下级线路的I段保护配合，III段主要躲过线路的最大负荷电流整定[9]。含DG的10 kV典型配电网拓扑结构如图1所示，保护1，2，3，4都是电流保护，DG从母线B处并网。

分别从DG接入点的下游、上游和相邻馈线电流保护3个方面分析DG接入后带来的影响及对DG接入容量的约束。

图1 含DG的10 kV配电网结构

1.1 DG并网点下游的保护

如图1所示，保护2处于DG并网点下游，当线路BC的下级线路首端K1处发生故障，DG的接入对流过保护2的电流有助增作用，导致流过保护2的故障电流增大，当DG容量达到一定量时，保护2的I段可能误动作，此时，DG准入容量的约束条件是DG接入后，当K1发生故障时，保护2的I段可靠不动作。

若考虑DG能够提供的最大短路电流，对保护2进行重新整定，则当K1发生故障，保护2的I段不会失去选择性而误动，此时的约束条件变为保护2的I段要有最小的保护范围，该文选择线路BC的15%作为保护2的I段的最小保护范围；同时，保护2的II段在线路BC末端发生两相短路时，其灵敏度大于1.3。

1.2 DG并网点上游的保护

如图1所示，保护1处于DG并网点上游，当DG所在线路的相邻馈线发生故障如K2点故障，系统和DG都将向故障点提供故障电流，保护1处流过DG提供的反向电流，而配电网电流保护均不能判断电流方向，当DG容量达到一定时，可能导致保护1发生误动，此时，DG准入容量的约束条件是DG接入后，当K2发生故障时，保护1不动作即保护1的I，II，III段整定值均大于流过保护1的最大故障电流。

1.3 DG所在线路的相邻馈线的保护

如图1中的保护3，当线路DE首端K3发生故障，DG的接入使得流过保护3的故障电流增大，当DG容量达到一定时，可能导致保护3的I段误动作即失去选择性，此时，DG准入容量的约束条件是DG接入后，当K3发生故障时，保护3的I段不动作。若考虑DG能够提供的最大短路电流，对保护3进行重新整定，则当K3发生故障，保护3的I段不会失去选择性而误动，此时的约束条件变为保护3的I段要有最小的保护范围，该文选择线路AD的15%作为保护3的I段的最小保护范围；同时，保护3的II段在线路BC末端发生两端短路时，其灵敏度大于1.3。

对于文1.1和1.3中的电流保护III段，DG的接入不会导致保护失去选择性[2]。

综上所述，在满足继电保护要求时，DG准入容量的约束条件如下：

1)要求保护2的I段具有最小的保护范围即线路BC的15%，且II段灵敏度大于1.3；

2)要求保护1的各段整定值均大于DG提供的最大反向电流；

3)要求保护3的I段具有最小的保护范围即线路AD的15%，且II段灵敏度大于1.3。

2 不同DG的短路电流特性分析

前文分析了DG接入图1中母线B处时的准入容量约束条件，显然，要得到DG的准入容量，必然涉及到含DG的配电网短路电流计算，就必须先分析DG的短路电流特性。当分布式电源结构和控制策略不同时，其短路电流特性也不同。同步发电机的短路电流计算已经很成熟[10]，该文不予分析。

2.1 光伏电站短路电流特性分析

在中国的光伏电站并网的规范[11]中要求光伏电站有一定的低电压穿越(low voltage ride through, LVRT)能力，在电网发生故障时，光伏电站能够在一定时间内保持联网状态，更好地为电网稳定提供保障。

笔者所采用的光伏电站低电压穿越控制策略[12]如下：

1)若检测得到光伏电站并网点正序电压下降至90%以下，则应闭锁功率外环，直接给定有功、无功电流指令id1ref和iq1ref。

2)根据并网点正序电压跌落程度来调整无功电流指令，具体的调整方案为

(1)

其中，k为故障后电网正序电压与额定电压幅值的比值。

3)对于有功指令的调整，主要原则是最大限度的多发有功功率，同时逆变器不能过流，因此id1ref的取值为

(2)

其中，id0ref为故障前光伏逆变器电流内环的有功电流指令。光伏电站低电压穿越控制策略流程如图2所示。

图2 低电压穿越控制策略流程

基于所提出的光伏电站LVRT控制策略，以网侧三相短路故障为例对光伏电站的短路电流特性进行分析。根据文献[13]的分析得到光伏电站输出的三相短路电流为

(3)

当电网发生不对称故障时，该文采用的锁相环能够精准地锁定并网点正序电压的相位[14]，同时能够迅速得到并网点的正序电压幅值，结合光伏电站低电压穿越控制策略即可得到电流内环的有功和无功电流指令。光伏逆变器输出的d，q轴电流分量能快速达到有功和无功电流指令，故在发生不对称故障时，光伏电站所提供的短路电流中只存在于正序分量，其短路电流的计算公式和式(3)相同。

2.2 基于抑制负序电流控制的DFIG短路电流特性分析

如图3所示，双馈风电机组的定子侧直接与电网相连接，转子侧通过变流器接入电网，GSC是网侧变流器，RSC是转子侧变流器，电网通过变流器向DFIG提供励磁电流，并且通过变流器实现DFIG的变速恒频运行。

当变流器正常运行(电网故障时不被闭锁)时，由其结构可知双馈风电机组输出的短路电流：

if=-is-ig。

(4)

式中is是风电机组定子侧提供的短路电流；ig是变流器提供的短路电流。

图3 DFIG的结构

2.2.1 抑制定子负序电流控制

当电网发生不对称故障时，DFIG定子电流中含有一定的负序电流，导致DFIG定子的三相绕组发热不均，且转矩可能发生脉动现象。为了应对不对称故障带来的影响，转子侧变流器采用抑制定子负序电流的控制措施，即令

(5)

中国风电并网标准[15]要求，风电场在电网故障期间都要求具备一定的低电压穿越控制能力，向电网提供给无功功率以支撑电网电压，其具体手段是通过低电压穿越控制策略来调整转子励磁电流。其注入电网的无功电流IT为

(6)

式中UT为风电场并网点电压标幺值；IN为风机额定电流。同时，在调整励磁电流时要注意变流器的电流限幅值。

根据低电压穿越控制策略，得到正转坐标系下转子电流q轴分量参考值为

(7)

(8)

因此，电网不对称故障条件下，RSC采用平衡DFIG定子电流的控制策略时，得到DFIG定子电流的等值模型：

(9)

2.2.2 抑制网侧变流器负序电流

转子侧变流器采用的是抑制定子负序电流的控制措施，同样网侧变流器也采用抑制负序电流的控制策略，即

(10)

因此，电网不对称故障条件下，GSC的交流侧电流的等值模型为

(11)

图3中，DFIG的故障电流iDFIG=-is-ig，且GSC和RSC均采用电网电压d轴定向矢量控制，二者的d，q轴电流分量可分别相加。

在电网不对称故障条件下，转子侧变流器和网侧变流器均采用抑制负序的控制策略，DFIG的短路电流等值模型是受电压控制的正序电流源。

(12)

显然，当电网发生三相对称故障时，网络中不含电流负序分量，则式(12)也适用于电网发生对称短路时的DFIG短路电流计算。因此，在含DFIG的配电网短路电流计算中，不再把DFIG简单的等效为电势源与阻抗的串联等值电路，而要根据低电压穿越控制策略以及前文所提的抑制负序电流控制策略来进行处理。

3 分布式电源的准入容量计算

文1,2分别介绍了分布式电源接入对电流保护的影响和不同分布式电源的故障电流计算方法。

在进行分布式电源的准入容量计算时，首先要根据具体的网络拓扑和参数以及分布式电源的接入位置进行分析，得出电流保护对分布式电源接入容量的所有约束条件；然后根据分布式电源短路电流计算方法，结合约束条件进行分布式电源的准入容量计算。

4 算例分析

系统的基准容量取100 MV·A，基准电压取10.5 kV。线路参数为x1=0.43 Ω/km，r1=0.24 Ω/km，线路AB和AD的长度均为3 km，BC和DE的长度均为5 km，变压器短路阻抗为5%。分别在母线B处并入3种不同的分布式电源。

1)光伏电站。

光伏电站10 kV并网侧采用500 kW逆变器，逆变器交流输出电压315 V，由2台500 kW逆变器并联接入1台1 000 kV·A升压变压器，将电压从315 V升至10 kV，形成1个1 MW光伏发电10 kV子系统，通过改变发电单元的并联数来改变光伏电站的容量(光伏电站采取文2.1中所述的低电压穿越控制策略)。

2)DFIG。

单台DFIG机组容量为1.5 MW，额定电压为0.69 kV，定子电阻Rs为0.01 p.u.，转子电阻Rr为0.01 p.u.，定子漏抗Lls为0.1 p.u.，转子漏抗Llr为0.1 p.u.，定转子互感Lm为3.5 p.u.(DFIG采用文2.1中的低电压穿越控制策略和抑制负序电流的控制策略)。风电场中DFIG的并联数决定其容量。

3)同步发电机。

同步发电机的次暂态电抗取0.1 p.u.，其基准电压和容量分别是同步发电机的额定电压和容量。结合第3节中的分布式电源准入容量计算方法，分别计算当图1中母线B处并入光伏电站、风电场(DFIG)和同步发电机时的准入容量，得到的结果如表1所示。表1中的数据分别反映了不同类型DG在保护1，2，3约束下的准入容量，并将结果用曲线来反映，如图4所示。

表1 算例结果

图4 不同分布式电源的准入容量变化曲线

从表1可知：

1)若母线B处接入的是同步发电机，则在各保护约束下的DG准入容量

min(28.0, 15.5, 4.0, 16.1, 11.3, 14.5, 8.9)=4.0；

2)若母线B处接入的是DFIG，则在各保护约束下的DG准入容量

min(29.5, 16.7, 5.6, 16.5, 11.9, 15.2, 9.1)=5.6；

3)若母线B处接入的是光伏电站，则在各保护约束下的DG准入容量

min(35.2, 21.6, 9.0, 18.0, 14.3, 17.8, 12.1)=9.0。

故同步发电机、风电场(DFIG)和光伏电站分别接入母线B处的准入容量依次为4.0，5.6，9.0 MW。

从图4中可以直观地得到，在每一段保护约束下，3种不同分布式电源的准入容量从大到小依次为光伏电站、风电场(DFIG)和同步发电机，且由于保护1的III段整定值最小，受到反向电流的影响最大，故在其约束下的分布式电源准入容量最小。

显然，3种DG准入容量结果的不同是由于不同DG的短路电流特性存在较大差异，提供的短路电流大小能力不同。其中，光伏电站提供短路电流的能力最弱，其次是风电场，同步发电机提供短路电流的能力最强。若在分布式电源并网点的上游保护处(如保护1)均配置方向元件，则反向电流不会影响保护的动作情况，此时不必考虑保护1的约束条件，显然，分布式电源的准入容量得以提高。

5 结语

以典型网络拓扑为例，笔者分析了分布式电源接入配电网的电流保护约束条件，结合具体的控制策略，对风电场(DFIG)和光伏电站的短路电流特性进行了分析，在此基础对分布式电源接入配电网的准入容量进行了研究与计算。结果表明，在配电网的同一并网点，当分别接入同步发电机、风电场(DFIG)和光伏电站时，在保护约束条件下的准入容量从大到小依次为光伏电站，风电场(DFIG)和同步发电机，且风电场(DFIG)和同步发电机比较接近。显然，这种差别与各分布式电源的短路电流特性相关，受其控制策略的影响。

因此，在实际计算分布式电源准入容量时，不能用同步发电机代替其他形式的分布式电源，必须考虑其具体类型和自身控制策略，才能更好地满足工程实际需要，否则会使得到的结果过于保守或激进。

[1]黄瀚.清洁低碳发展下的"十三五"电力流格局探讨[N].中国电力报,2016-1-12(3).

[2]王江海,邰能灵,宋凯,等.考虑继电保护动作的分布式电源在配电网中的准入容量研究[J].中国电机工程学报,2010,30(22):37-43. WANG Jiang-hai，TAI Neng-ling，SONG Kai，et al．Penetration level permission of for DG in distributed network considering relay protection[J]．Proceedings of the CSEE，2010，30(22)：37-43.

[3]吴立杰,陈星莺,徐石明,等.考虑电流保护可靠性的分布式电源准入容量研究[J].电网与清洁能源,2015,31(3):35-39. WU Li-jie，CHEN Xing-ying，XU Shi-ming, et al. Calculating the maximum penetration capacity of distributed generation considering current protection[J]．Power System and Clean Energy, 2015,31(3):35-39.

[4]冯希科,邰能灵,宋凯,等.DG容量对配电网电流保护的影响及对策研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):156-160，165. FENG Xi-ke，TAI Neng-ling，SONG Kai，et al．Research on the impact of DG capacity on the distribution network current protection and countermeasure[J]．Power System Protection and Control，2010，38(22)：156-160，165.

[5]陈一怀,詹红霞,许玉贞,等.基于继电保护配合的分布式电源准入容量研究[J].电气技术,2014(6):52-55. CHEN Yi-huai，ZHAN Hong-xia， XU Yu-zhen，et al. Research of allowed penetration level of distributed generation based on relay protection[J]．Electrical Engineering, 2014(6):52-55.

[6]林涛,翟学,吴俊鹏,等.考虑低电压穿越特性的光伏电站准入容量研究[J].电力科学与技术学报,2015,30(3):11-16. LIN Tao, ZHAI Xue, WU Jun-peng，et al. Research on penetration level permission of PV considering LVRT[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2015,30(3):11-16.

[7]李亚辉,康积涛,叶兰兰.考虑配电网保护约束的IIDG准入容量及对策分析[J].中国电力,2013,46(3):47-52. LI Ya-hui, KANG Ji-tao,YE Lan-lan. Calculation of penetration level for inverter interfaced distributed generator considering protection in distribution network constraints and related countermeasures[J].Electric Power, 2013，46(3)：47-52.

[8]陶顺，郭静，肖湘宁．基于电流保护原理的DG 准入容量与并网位置分析[J]．电网技术，2012，36(1)：265-270． TAO Shun，GUO Jing，XIAO Xiang-ning．Analysis on allowed penetration level of distributed generation and its grid-connected position based on principles of current protection[J]．Power System Technology，2012， 36(1)：265-270.

[9]贺家李,李永丽,董新洲.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010.

[10]何仰赞,温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社,2011.

[11]Q/GDW 617.2011.光伏电站接入电网技术规范[S].

[12]孔祥平，张哲，尹项根，等。含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究[J].中国电机工程学报，2013,33(34)：65-74. KONG Xiang-ping, ZHANG Zhe, YIN Xiang-gen，et al．Study on fault current characteristics and fault analysis method of power grid with inverter interfaced distributed generation[J].Proceedings of the CSEE, 2013,33(34)：65-74.

[13]孔祥平.含分布式电源的电网故障分析方法与保护原理研究[D].武汉:华中科技大学，2014.

[14]Guo X, Wu W, Chen Z. Multiple.complex coefficient. filter.based phase.locked loop and synchronization technique for three.phase grid.interfaced converters in distributed utility networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1 194-1 204.

[15]GB/T 19963—2011. 风电场接入电力系统技术规定[S].

[16]尹项根,张哲,肖繁. 分布式电源短路计算模型及电网故障计算方法研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(22):1-9. YIN Xiang-gen, ZHANG Zhe, XIAO Fan. Study on short-circuit calculation model of distributed generators and fault analysis methodof power system with distributed generators[J]. Power System Protection and Control, 2015,43(22):1-9.

Research on penetration level of DG considering fault characteristics and relay protection constraint

JIA Geng-tao1, ZHAI Xue2, YANG Xuerui3

(1. Information and Communication Company，SMEPC，Shanghai 200120,China; 2. Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430040,China; 3. Northeast Electric Power Dispatching and Communication Centre, Shenyang 110180, China)

In order to make sure that relay protection device can operate reliably, the penetration level of DG needs to be determined without changing the protection configuration. The short-circuit current characteristics of doubly fed induction generator(DFIG) and photovoltaic station were analyzed according to their control strategy. The penetration levels of the synchronous generator, DFIG and photovoltaic station were calculated separately in the same access point. Then the relationships between the penetration levels of the three kinds of DGs were obtained. The experimental results show that DG can not be replaced with synchronous generator in the penetration level calculation, which should consider its specific type and its control strategy. The proposed results provide theoretical guidance for engineering application.

DG penetration level; doubly fed induction generator(DFIG); photovoltaic station; relay protection constraints

2016-05-06

贾耕涛(1989-)，硕士，主要从事智能电网与电力通讯的研究；E-mail:jiagt@sh.sgcc.com.cn

TM715

A

1673-9140(2016)04-0089-07