分布式电源对配网接地方式的影响分析

王 涛,施 荣

(1.华北电力科学研究院(西安)有限公司,陕西 西安 710075;2.国网陕西省电力公司 经济技术研究院,陕西 西安 710065)

0 引 言

随着化石能源的消耗和急剧减少,可再生能源的发展得到了重视,近年来DG快速发展,接入容量不断增大,改变了当前的能源结构并提高了能源的利用效率,而DG接入配网,也同时带了一系列的问题[1-2]．DG改变了传统的供电结构,系统变为多源网络,系统潮流发生相应的变化,故障电流分布也有所不同,对继电保护、系统稳定、供电可靠性、电能质量都有影响．

DG接入使得网络结构改变,继电保护配置也需改变,文献[3]根据网络结构的变化,提出了适应配网结构变化的继电保护方案;文献[4-5]分析了现有配电网接地方式对触电保护的影响;文献[6]分析了接地方式对新型柔性直流配电网的影响；文献[7-8]研究了分布式发电并网运行对配电网可靠性的影响,求取含DG的配电网可靠性指标的计算公式,分析了DG对配网可靠性的影响文献；文献[9]讨论了配网架空线路网络中性点接地方式对供电可靠性的影响;DG通常需要电力电子装置并网,这些电力电子装置将产生谐波,文献[10]推导了DG中电力电子装置产生的谐波在电网中传播的特性,分析了DG接入后对配电网谐波特性的影响．DG并网时,配网的接地方式及并网变压器并网方式不同,对故障电流在网络中的流向和分布有较大的影响,对继电保护、供电可靠性、电能质量都有重要的影响,但在前面的研究中较少考虑接地方式的影响,因此有必要对含DG的配电网接地方式和并网变压器并网方式进行分析,总结出适合的中性点接地配合方式．

本文首先考虑在过电压、继电保护、谐波等多个因素条件下,并网变压器连接方式选择的基本原则；其次讨论不同接地配合方式对故障电流分布的影响,总结并网变压器中性点接地方式与中压配电网中性点接地方式的配合原则．最后在ATP/EMTP仿真软件中建立模型,验证理论分析的正确性．

1 中压配电网接地方式

中压配电网中性点接地方式发展到现在,主要有两大类,第一类是大电流接地方式,主要有中性点直接接地、经小电阻和小电抗接地;另一类是小电流接地,主要有中性点不接地、经消弧线圈和大电阻接地．在中压等级配电网中,主要接地方式是中性点不接地、经消弧线圈和经小电阻接地3种方式[11]．中性点不接地系统即中性点对地绝缘,它属于中性点非有效接地系统,结构相对简单，这种接地方式下发生单相接地故障时,流过故障点的电流即为系统的对地电容电流，当故障为金属性单相接地故障时,故障相电压降为零,中性点产生位移电压,非故障相的相电压升高至线电压,目前在我国中压电网中应用较广[12].中性点经消弧线圈接地的电网又称为补偿电网或者谐振电网，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈,由于消弧线圈的作用可产生一个与故障处电容电流大小相等、方向相反的电感电流,通过相互作用补偿使得故障处的电流减小,从而尽可能的熄灭电弧,消弧线圈也因此得名．其接地电弧往往不能自熄,易造成弧光过电压[13];中性点经电阻接地方式,即中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻，由于电阻是耗能元件并带阻抗特性,对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压有一定的积极意义,因此在中压配电网中得到了一定的运用[14]．本文主要针对DG接入中压配电网后对其接地方式的影响的探讨,因此主要针对这3种接地方式进行讨论．

2 DG及其并网变压器的连接方式选择

DG是指功率相对较小、模块式,主要在负荷端的可再生能源发电设备,如风电、光伏等小型发电设备．DG是区别于传统大规模集中发电、远距离、大网络的发电形式,可以灵活接入电网,高效利用清洁能源．常见的原动机主要有风轮机、太阳能光伏、燃料电池等多种可再生能源的转换设备．DG接入配电网后,改变了系统的结构,对于系统故障电流造成了巨大的影响,因此有必要对其进行研究．

DG并入配电网必须经过并网变压器，并网变压器对抑制谐波注入有积极的作用.同时，隔离变压器的连接方式对系统的稳定性具有重大的影响.并网变压器的4种连接方式如图1所示.

在选择并网变压器的连接方式时，主要考虑以下几个方面的问题：

(1) 抑制铁磁谐振过电压 以并网变压器高压侧不接地为例进行分析，图2为DG接入电网的示意图.当电网C相f处发生单相故障时，电网侧的保护设备KSG切除供电，如果DG仍然在运行，在DG至故障点之间的线路上依然有电压存在.由于并网变压器在高压侧无接地点，典型的铁磁谐振就会产生.同时，AB两个非故障相也会出现过电压.如果DG侧的继电保护设备KDG不能检测到故障而DG继续超负荷供电的话，系统中将出现过电压，这种运行状态将会严重影响DG的设备安全.

图 1 并网变压器连接方式 图 2 并网变压器高压侧不接地接入电网Fig.1 The connection mode of grid-connected Fig.2 Ungrounded high voltage side of grid- transformer connected transformer

当并网变压器的高压侧使用不接地的连接方式时，将导致系统出现过电压，危害电力设备.在选择并网变压器的连接方式时，应保证在系统故障时，高压侧有效接地以防止在DG侧发生严重过电压.

(2) 对DG继电保护的影响 当故障发生在配电线路上时，对于DG内部的保护装置而言，其检测出的短路电流需要足够大，以便快速正确的切除故障线，使保护措施更加可靠.并网变压器的连接方式，对于故障电流有一定的影响，在选择变压器的连接方式时，必须遵循便于故障检测的原则.以单相短路故障为例，如图2所示，当C相发生故障时，短路电流的大小取决于线路的零序阻抗，如果变压器配网端高压侧不接地，零序阻抗非常大，短路电流非常小，导致DG侧保护装置KDG很难检测到电网侧的单相故障，DG侧的继电保护装置不会动作，使得DG超负荷运行.因此为了保证DG侧的继电保护装置能有效的检测到故障电流，在选择变压器连接方式时，应遵循配网侧有效接地的原则.

(3) 抑制谐波注入 当前DG大部分都具有非线性整流元件和高功率电子器件，这些电力电子变换设备会产生大量谐波，这些谐波向电网注入会导致电网谐波污染，影响系统的电能质量，因此必须抑制谐波的注入.

电力电子变换设备主要为3k(k=1,2,3,…)次谐波，而3k次谐波会在三角形连接的线圈中循环而不通过变压器.选择并网变压器的连接方式时，始终保持三角形连接作为并网变压器的任意一端的连接模式，就能有效的抑制3k次谐波注入电网.

综上所述，选择并网变压器的连接方式，有以下的基本原则：

(1) 并网变压器的配网侧需要接地，以防止DG侧不能检测到故障电流；

(2) 并网变压器的配网侧的接地应选择直接接地或经小电阻接地的方式；

(3) 始终保持三角连接作为并网变压器的任意一端的连接模式.

因此，图1中满足上述条件的方案为①,③,④，但方案①有直接的中性点，而③,④需要另接接地变压器，在实际中，方案①得到了更为普遍的运用，因此本文以方案①进行后续的讨论及分析.

3 含DG的中压配电网中性点接地方式理论分析

当DG的接入,使得系统的网络结构发生了变化,接地方式也变得多样,如图3为DG接入配电网的示意图,无DG接入时,配网只在A处有接地点,DG接入后,DG侧B处也有接地点,因此需要对两者的接地配合方式进行讨论．

图 3 DG接入配网示意图 图 4 f处故障时的复合序网图 Fig.3 The schematic diagram of DG connected Fig.4 Compound sequence network of to distribution network failure point f

绘出f处发生单相接地故障时配电网的复合序网图如图3所示,正序、负序和零序阻抗分别用下标括号内的1,2,0表示．将DG考虑为电流源,其值与电压和时间相关,其故障情况下输出的正序电流和负序电流分别为iDG(1)和iDG(2)．ZDG(0)为DG输入阻抗,主要由并网变压器接地方式决定:以图1中方案①为例,当高压侧不接地时,在DG侧无接地点,因此ZDG(0)近似无穷大;当高压侧直接接地时,在DG侧有金属性的接地点,ZDG(0)近似为零;当并网变压器高压侧经阻抗接地时,在DG侧有接地点,其接地阻抗由接地方式决定[15]．从图4的复合序网图可知,故障点f的故障电流为

(1)

式中：Z(0)=(ZS(0)+αZAB(0))//(ZDG(0)+(1-α)ZAB(0))；ES、ZS分别为配网系统侧的等值电势和阻抗；ZAB为输电线AB的等值阻抗,故障点f距离A母线间线路的等值阻抗为αZAB．

配网母线出口处零序电流为

(2)

故障电流受到零序阻抗Z(0)的影响,而Z(0)受到ZS(0)和ZDG(0)的影响,所以DG并网变压器的接地方式与系统侧中性点接地方式的配合对故障发生时,系统中的故障电流分布具有重要的影响．根据选择,以图1中的方案①进行讨论,在并网变压器高压侧有效接地,讨论系统侧与并网变压器的中性点接地方式配合．

3.1 并网变压器高压侧中性点直接接地

并网变压器高压侧直接接地,ZDG(0)为0,分布式电源侧零序阻抗远小于系统侧零序阻抗．在中压系统中,系统零序阻抗远大于线路的零序阻抗,因此分流系数K约等于0,在故障发生时,馈线出口处的零序电流相对系统总零序电流比例最小,其幅值也相对较小,使得上游零序电流保护不易检测到故障电流而发生拒动,使得保护可靠性降低．同时,DG接入后,系统总容量变大,故障电流相应增加,若保护不能有效动作,对人身和设备都是潜在的威胁．因此不论配电系统侧采用何种接地方式,在DG并网变压器的高压侧均不会采取直接接地方式.

3.2 并网变压器高压侧中性点通过小电阻接地

并网变压器高压侧经小电阻接地时,相较于并网变压器高压侧中性点直接接地方式,当采用经一定阻抗值接地时,使得分流系数K增大,Z(0)增大,这时故障点的零序电流减小,需要对流过馈线出口的零序电流进行分析,以讨论合理的接入阻抗范围．

(1) 系统侧中性点不接地 当系统侧为中性点不接地方式时,ZS(0)近似无穷大,分流系数K较小,流过馈线的零序电流较小,易造成系统零序电流保护拒动或降低保护的灵敏度．因此当系统侧中心点不接地时,DG侧的接地电阻应当足够大,使得分流系数增大,使系统的零序电流保护能够有效动作．

(2) 系统侧中性点经消弧线圈接地 当采用消弧线圈欠补偿时,ZS(0)呈现为容性,系统侧的阻抗过大,分流系数K较小,流过馈线的零序电流较小,与不接地系统类似,对保护的可靠性有影响．当采用中性点经消弧线圈全补偿接地时,Zs(0)为近似无穷大,流过故障点的电流为零,故障相全线流过的电流为零,线路对地电容电流全部经中性点接地消弧线圈流过,但此时系统易产生谐振过电压;当采用过补偿时,ZS(0)呈现为感性,此时故障处的故障电流与脱谐度成正比,随着脱谐度增加而变大．

(3) 系统侧中性点经电阻接地 当系统侧为中性点经电阻接地时,ZS(0)的值为3倍中性点电阻与系统对地电容并联,故障点电流与中性点阻值成反比,随着中性点电阻值增大不断减小．当ZS(0)>ZDG(0)时,分流系数较小,流过馈线的零序电流也较小,不利于保护的识别．因此DG侧接地采用的小电阻阻值应大于系统侧的中性点电阻值．

总结上述的分析,当配电网有DG接入时,系统接地方式配合的原则是:在并网变压器高压侧以不同的接地方式而引入的DG零序阻抗值一定要比系统侧的零序阻抗更大或者至少相等．

图 5 DG接入10kV配网仿真模型Fig.5 The simulation model of DG connected to 10 kV distribution network

在中压配电系统,若在系统侧采用中性点经消弧线圈或小电阻接地方式时,DG并网变压器可以采用小电阻接地或者不接地方式进行配合．采用小电阻接地方式时,其电阻值应大于系统侧的中性点电阻值,确保不影响保护装置的灵敏度．采用不接地方式时需要配备远程通讯系统,配网线路发生故障时,DG能获取故障信息并采取相应的保护措施．

4 DG接入对配电网影响的仿真分析

为了分析DG接入后对中压配电网接地方

式的影响,以0.69 kV风电并入10 kV配网为例进行仿真验证．在ATP/EMTP仿真软件中建立如图5所示的仿真模型．

配网侧的变压器连接方式为Y/D,在母线A处设置接地变压器．在母线B处接入DG．配网侧变压器容量为40 MVA,而并网变压器容量为1 MVA.线路长10 km,对应参数为R1=0.172 3 Ω·km-1,R0=0.322 3 Ω·km-1,L1=0.327 6 Ω·km-1,L0=1.146 6 Ω·km-1,C1=0.008 μF·km-1,C0=0.005 μF·km-1.

4.1 不同并网变压器连接方式仿真分析

为比较不同变压器的连接方式对故障电流的影响,在ATP中建立仿真模型,系统侧选择以不接地方式运行,简化分析,隔离变压的Y侧均以小电阻接地,D侧均不接地,对不同的连接方式进行仿真.流经DG侧保护装置的故障电流,如表1所示.谐波掏效果如图6所示.

图 6 3次倍谐波抑制效果Fig.6 The effect of three times harmonic suppression

连接方式(SG-DG)故障电流/ADG故障电流/A Y/Y105.813.8D/Y108.13.7Y/D721.140.3D/D102.15.6

从表1可以看出,对于高压侧中性点具有有效接地的连接方式Y/Y、Y/D在DG保护装置处测得的故障电流明显大于在高压侧不接地的连接方式D/Y、D/D,有利于DG能有效检测到故障并启动保护．从图6可知,一侧具有三角形连接模型的并网变压器,能够有效地抑制三次谐波的注入,上述的仿真结果与理论分析相互验证．在选择变压器的连接方式时,尽可能的在高压侧选择有效的接地,即Y/Y、Y/D的连接方式,以保证DG侧的保护能够正常动作．若选择Y/Y连接方式时,需采取其他措施对三次谐波进行抑制．

4.2 配网接地方式与并网变压器接地方式配合仿真

为研究配网接地方式与并网变压器接地方式的配合,在仿真中,选择并网变压器以Y/D连接方式接入,高压侧以电阻接地．讨论配网侧不同的接地方式进行仿真分析,以选择合适的配网接地方式,得到图7～图9的分析结果.为了更好比较3种情形下的故障电流及过电压,统计仿真结果表2所示.

图 7 系统侧不接地方式下故障点 图 8 系统侧经消弧线圈接地方式下故障点 的三相电压波形 的三相电压波形 Fig.7 The three-phase voltage waveform Fig.8 The three-phase voltage waveform of of fault point with system side fault point with system side grounded ungrounded via arc suppression coil

图 9 系统侧经小电阻接地方式下故障点 三相电压波形Fig.9 The three-phase voltage waveform of fault point with system side grounded via resistance

表2的仿真结果中可以看出,中性点不接地系统的发生故障时,其过电压值大于其他两种接地方式．相较于小电阻接地方式而言,经消弧线圈接地在故障时刻的过电压明显更小．经消弧线圈接地方式在抑制过电压现象上具有更积极的意义,同时其故障电流相较于其他接地方式也相对较小．

5 结 论

DG接入配网后,对配网的各个方面都产生了一定的影响．针对DG接入电网后对其接地方式的影响,本文通过理论分析及仿真验证,得到了DG接入中压配电网后,并网变压器连接方式的选择方法及系统接地方式与DG接地方式的配合原则:

(1) 当线路中发生故障时,为确保DG侧的本地保护能检测到足够的故障电流,使保护正确动作,并网变压器的高压侧应当提供有效的接地点；

(2) 尽量保持三角连接作为并网变压器的任意一端的连接模式以抑制三次谐波,若选择Y/Y连接方式时,需采取其他措施对三次倍谐波进行抑制；

(3) 当配电网有DG接入时,并网变压器高压侧接地方式引入的DG零序阻抗一定要比系统侧的零序阻抗更大或者至少相等,以保证继电保护系统的有效动作．

表 2 单相接地故障仿真结果