含分布式电源的主动配电网故障分析与保护

2020-04-26王馨宇

通信电源技术 2020年23期

关键词：谐波分布式配电网

王馨宇

（国网宁夏电力公司吴忠供电公司，宁夏吴忠 751100）

1 分布式电源

1.1 分布式电源及其分类

分布式电源在发展中呈现出多样化特征，包括风力发电、燃气轮机发电、光伏发电以及燃料电池发电等。发电功率超过千瓦级别，能达到几十兆瓦级别，并网方式主要包括逆变器并网和旋转直接并网两种类型。

近年来，我国新型可再生清洁能源进一步发展，风力发电被提上国家日程，其具有环保和成本低等典型优势，符合当前发电厂建设标准，也满足效益最大化要求，未来将不断加强相关建设。微型燃气轮机发电效率较高，给环境带来的污染小，体积小且运维简单，在分布式电源中广泛应用。光伏发电是将太阳能经设备转化为电能，在白天的时候光伏设备能够采集太阳能并进行能量转化，将生成的电能暂存在电网当中，然后夜晚电网能将这些存储的能量提供给客户使用。光伏发电具有无污染、规模灵活以及不受地域限制等众多优点。燃料电池通过输送燃料及相应的助燃氧化剂从而实现发电，能够实现由化学能向电能及热能的有效转化[1-3]。

1.2 分布式电源特性

分布式电源能够实现35 kV及以下配电网的能量双向转换，和传统配电网相比其属于小型电源。为促进电网发展必须充分利用这种便捷化和小型化的新型可再生电源，其具有如下典型优势。

1.2.1 经济性

为满足电力用户实际用电需求，需要在负荷中心用户侧科学配置分布式电源，以此降低网络建设成本、线路损耗以及网络损耗，另外因建设时间短和后期维护简单等因素更进一步降低了成本，提高了经济性。

1.2.2 灵活性

分布式电源发电系统的不同模块相对独立，具有维护简单、管理方便、开停机迅速以及调节灵活的典型优势，在满足用户多级供电和削峰填谷方面也具有独特优势。

1.2.3 安全性

随着时代发展目前能够应用于分布式电源并网的种类与方式也越来越多，其合理配置与应用实现了和传统能源的有效协同，共同满足配电网和用户需求，在能源危机化解和需求满足方面均起到不可替代的作用。分布式电源在并网中比较分散，分布式电源这种分散排布方式提高了电网应对突发故障的能力，也提升了抵御意外灾害的能力。

1.2.4 环保性

在分布式电源中主要利用风能和光伏等众多新型可再生能源，实现了传统化石资源的有效替代，减少了二氧化碳等污染气体的排放，在降污减排方面起到积极作用。

2 分布式电源接入对主动配电网的影响

2.1 分布式发电对电能质量的影响

分布式电源的主要应用是应对配电网故障问题，为故障及意外停电提供能量储备。在分布式电源的接入和并网过程中，会因各种电子设备和元器件的应用导致电网线路中出现非线性负载，甚至可能会产生谐波污染，影响配电网电能质量。另外分布式电源在配电网中的接入也影响了传统备用电源发电方式。分布式发电系统备用发电方式如图1所示。

图1 分布式发电系统备用发电方式

分布式电源接入与并网会对配电网电能质量产生影响，其影响主要集中在以下两个方面。

2.1.1 分布式电源对电压波动的影响

在配电网中引入分布式电源在电压波动频率抑制方面具有积极作用。如果配电网中出现冲击性投切分布式电源进行作用，那么会极大削弱配电网电压波动。若用户侧电荷发生波动或变化，分布式电源输出功率会进行科学调整，通过补偿负荷功率波动实现对电压波动抑制。分布式电源在配电网中的接入基于就近接入原则，以便更加便捷地为用户供电，实现用户用电设备的无功功率补偿，这种方法在输电损耗方面具有极大优越性。此外往往通过节点储能设置降低和减少输电损耗，通过调整负荷的无功功率波动，实现电压波动的有效抑制。

2.1.2 分布式电源对谐波问题的影响

基波和谐波共同作用，电网周期性震荡。在分布式电源及配电网的正常运行中，分布式电源实际扮演着谐波源的角色。在分布式电源并网过程中不可避免会产生谐波，在很多特殊情况下还可能进一步增加谐波数量。在分布式电源接入以及其谐波对配电网产生直接影响时，配电网参数会因此发生改变。一般配电网中分布式电源并网位置和用电负荷之间的距离越近，谐波在供电质量方面的影响会越大。在分布式电源中合理应用并合理安排位置和数量，能有效降低谐波谐振发生的机率。

2.2 分布式发电对优质电力的影响

分布式电源容量合理，保证电网发电机能正常供电启动，在配电网中引入分布式电源后能够更好地应对配电网故障及断电问题。分布式电源的引入保障了配电网质量，从而避免不必要损失，但微燃机和燃料分布式电源在阶跃负荷方面不能起到应有的作用。

为解决重合闸问题必须在分布式电源和主网并网过程中进行科学必要的互连继电保护，为提高敏感负荷的可靠性及应用性需要保障分布式电源具有足够的冗余度。此外，在分布式电源的接入及并网应用中，必须充分考虑用电质量和用电可靠性，保证其满足要求[4]。

3 分布式电源并网模式对主动配电网故障恢复的影响

就当前配电网中分布式电源的并网存在“黑启动”以及接入中的不能自启动问题，结合实际分布式电源接入并网情况，辅以理论研究发现，根据并网接入的不同类型其对配电网故障恢复可能产生不同影响，主要集中在以下3个方面。

3.1 可自启动分布式电源对主动配电网故障恢复的影响

分布式电源在配电网中并网的时候，若全部采用可自启动分布式电源，那么配电网在发生故障或者问题的情况下，需要将所有分布式电源进行并网供电，保障配网稳定运行。如图2所示，图中的3个分布式电源均为可自启动分布电源，在配网中的位置7和位置8处发生故障时，3个可自启动分布式电源仍然能够和主网进行并网运行。在主动配电网故障恢复模型构建中需要充分考虑网络损耗和供电负荷等问题，最终能够保证尽可能多的分布式电源并网运行，基于此构建目标函数模型。

图2 所有的分布式电源均为可自启动分布式电源配电网

3.2 不可自启动分布式电源对主动配电网故障恢复的影响

如果配电网中进行接入的时候全部采用不可启动分布式电源，那么会导致配电网和分布式电源出现隔离情形，分布式电源和自启动运行机组独立运行没有协调配合，导致配电网和分布式电源孤岛运行现象，因此进行这一方面的研究意义不大。

3.3 两者联合应用对配电网故障恢复的影响

图3中显示的配电网中综合运用了不可自启动分布式电源和可自启动分布式电源，其中分布式电源1和2为可自启动分布式电源，3属于不可自启动类型，因此在7和8出现问题及故障的时候，不可自启动分布式电源3进行动作，实现退网，分布式电源1和2仍然会和主网进行主网并网运行操作。就不同类型分布式电源的动作实现了和配电网自启动机组的协调配合，有效保障了用户用电。基于前面分析能够发现必须进行目标函数模型的构建及优化，尤为注重供电负荷恢复、减少操作动作次数以及降低减少网络损耗等问题，另外还应该将用户平均停电时间最小化作为模型构建的重要目标之一。

图3 分布式电源不全为可自启动分布式电源配电网

4 含DG配电网故障恢复关键技术及其应用

4.1 能源互联网提升配电网故障恢复水平

随着分布式电源的研究与发展，配电网建设中分布式电源故障自愈能力的研究也不断深入，尤其是基于光伏和风能等新能源的互联网建设成为当前配电网建设的发展大势。能源互联网具有信息量大、延时大以及数据维度大等典型特征，能源互联网在配电网中的应用有效提高了配电网故障恢复水平。当前为适应分布式电源并网的实际需求，必须进一步加强基于智能算法的能源互联网故障自愈技术发展与研究。

4.2 多种能源协同优化提升配电网故障恢复

在分布式电源并网中还必须要注重主动配电系统的故障恢复，加强对分布式电源并网的主动管理和主动控制。当前风能和光伏能源不断发展，更应该注重不同能源的协同优化，以提升综合能源效率和资产利用率。目前，光伏分布式电源和风能分布式电源应用分散，为有效解决分布式电源并网接入的故障恢复，必须加强智能算法研究与应用，建议将DG间歇出力、潮流波动随机、储能以及可控性负荷等因素纳入最优智能算法，然后将智能算法应用于分布式电源协同优化，同时加强主动控制与管理，从而保证整个配电网和分布式电源并网的科学运行[5]。