畢業(yè)論文不同分布式電源位置對電流保護影響的分析

1、編號（學(xué)號）：13894008畢 業(yè) 論 文 （ 2013屆本科） 題 目：不同分布式電源位置對電流保護的影響分析 學(xué) 院： 信 電 學(xué) 院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 田 凌 洋 指導(dǎo)教師： 田有文 副教授 完成日期： 2013年 06月 15 日目 錄摘 要1Abstract2前 言31 分布式發(fā)電的概念42 配電網(wǎng)絡(luò)繼電保護原理52.1 繼電保護的基本要求52.2 配電網(wǎng)保護基本原理63 分布式電源并網(wǎng)位置對配電網(wǎng)絡(luò)電流保護的影響研究113.1 系統(tǒng)接入單個分布式電源的影響分析113.1.1 分布式電源下游發(fā)生故障的情況分析113.1.2 分布式電源上游故障的情況分析143.

2、2 系統(tǒng)接入多個分布式電源的影響分析153.3 單個分布式電源的并網(wǎng)位置問題對保護的影響規(guī)律的研究163.4 多個分布式電源并網(wǎng)位置問題和并網(wǎng)次序方案的研究174 總結(jié)20參考文獻21致謝23摘 要隨著社會經(jīng)濟、科技的迅猛發(fā)展，人類對能源的需求也在隨之不斷增長。然而由于全球一次能源的日漸匱乏，分布式電源作為新一代的發(fā)電方式越來越受到人們的重視，并不斷地發(fā)展成熟。分布式電源(Distributed Generation, DG)除了具有環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟靈活的優(yōu)勢外，其接入也會對配電網(wǎng)的運行方式、電壓分布、繼電保護、穩(wěn)定性以及安全性等一系列問題產(chǎn)生影響。本文首先對不同類型的分布式電源的特點及其并網(wǎng)后

3、對電網(wǎng)的影響進行了分析，著重研究并建立了分布式電源處于配電網(wǎng)不同位置時的數(shù)學(xué)模型，通過具體算例，比較了DG的輸出容量與接入位置的變化對線路保護的不同影響，并得出在不影響保護選擇性和靈敏性的前提下，DG所允許接入的位置與容量。進一步討論了兩個DG中至少一個位于故障上游、鄰側(cè)及下游時對線路故障電流的影響，通過建立各種情況的數(shù)學(xué)模型，利用算例比較了兩個DG之間容量和位置存在差別時對線路上故障電流影響的不同，以及兩DG分別對短路電流影響的大小。隨后綜合各種限制條件建立了分布式電源準入容量的數(shù)學(xué)模型。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；分布式電源；繼電保護；系統(tǒng)潮流；光伏電池；輸出功率AbstractAlong with

4、the rapid development of the social economy, science and technology,human's energy demand is also continue to increase. However, because of the growingglobal energy shortage, the distributed generation as a new way is getting more and moreattention from people, and constantly developing to matur

5、e. DGs have many advantagessuch as environmental protection, energy conservation and economic flexible, but afterthey connect to the distribution network, they will impact such as the operating mode, thevoltage distribution, relay protection, and stability and security of the grid, and so on.This pa

6、per firstly analyzes the different types of DGs, including their characteristicsand influence to grid. Then the paper focuses on the study of the mathematical model thatsingle DG connects to different location of the grid. Through the examples contrast, thepaper compares the different effects of the

7、 current protection with the DGs differentoutput capacity and access location, and get the allowed position and capacity of DGunder the no impaction of the protection selectivity and sensitivity.Further, the paper discusses the influence of the fault current that least one of two DGconnect to upper,

8、 downstream or adjacent side the fault, and establishes the mathematicalmodel under various conditions. Then examples are used to compare the influences offault current, as well as two DGs effect to the line current respectively. Then themathematical model that the admittance capacity of the DGs con

9、nect to grid is built upunder combined limited conditions.Finally, based on photovoltaic cells as a tangible model, this paper applies Matlab tobuilt photovoltaic battery simulation model that connects to 10kV grid, and verifies thecorrectness and rationality of each simulation model. When single or

10、 multiple DGsconnect to 10kV grid, because of the different position of the failure, they will change thepower trend, and different lines short-circuit current, as will as support system nodesvoltage. The paper makes use of experiment to compare these effects, and the simulationresults validate the

11、former analysis that DGs will effect grids relay protect effection, andthe system simulation model is also validated correctly.Keywords: Distribution network; Distributed generation; Relay protection; Power flow;Photovoltaic cell; Output power前 言分布式發(fā)電(DG-distributed generation)是一種新興的電力電源技術(shù)。分布式電源是指直接

12、布置在配網(wǎng)或分布在負荷附近的功率為數(shù)千瓦至50 MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源1。DG包括功率較小的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池和風(fēng)力發(fā)電等2。分布式電源具有調(diào)峰、再生能源的利用、節(jié)省輸變電投資、降低網(wǎng)損、提高供電可靠性等效益3。因此在我國城鎮(zhèn)中、低壓配電網(wǎng)中獲得了飛速的發(fā)展和越來越多的應(yīng)用。而目前我國的中、低壓配電網(wǎng)主要是單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò),分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)后,輻射式的網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐环N遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),潮流也不再單向地從變電站母線流向各負荷.配電網(wǎng)的根本性變化使得電網(wǎng)中電流保護定值和機理發(fā)生了深刻變化4。為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性和供電質(zhì)量,本文通過公式推

13、導(dǎo)、圖形對比,分析DG在不同位置對各電流保護及其動作行為的影響。1 分布式發(fā)電的概念美國1978年在公共事業(yè)管理政策中稱“為滿足特定用戶需要或支持現(xiàn)有配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行,以分散形式布置在用戶附近,發(fā)電功率為幾千瓦到五十兆瓦的小型模塊式且環(huán)境兼容的獨立電源”為分布式發(fā)電。這是分布式發(fā)電的一般定義。從廣義上講,分布式發(fā)電也可以指安裝在用戶附近的發(fā)電設(shè)施而不論這種發(fā)電形式規(guī)模的大小和一次能源的類型。曾經(jīng)在不同的國家對分布式發(fā)電有過不同的叫法,例如,在英國,習(xí)慣叫“嵌入式發(fā)電”；在歐洲和亞洲部分國家習(xí)慣叫做“非集中式發(fā)電”；在北美習(xí)慣叫做“分散式發(fā)電”5-8。分布式發(fā)電根據(jù)不同的標準可以分為不同的類型,

14、根據(jù)容量的大小分布式發(fā)電可以分為小型分布式發(fā)電(小于100千瓦)、中型分布式發(fā)電(100千瓦到1兆瓦之間)、大型分布式發(fā)電(大于1兆瓦)三類9-12；根據(jù)是否為可再生能源發(fā)電分為利用可再生能源的分布式發(fā)電和不利用可再生能源的分布式發(fā)電。利用可再生能源的分布式發(fā)電主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、小型水電和潮汐發(fā)電等。這類發(fā)電類型在分布式發(fā)電資源中占有的比重較高,但是它顯著的缺點是這類發(fā)電一般都是間歇性資源,其出力受自然條件和地域環(huán)境的限制,地域依賴性很強,一般通過通過逆變器接入配電網(wǎng)絡(luò)中,隨著它們的裝機容量在配電網(wǎng)系統(tǒng)的比重越來越大,對繼電保護的影響將越來越顯著。不利用可

15、再生能源的分布式發(fā)電主要有往復(fù)式發(fā)電機、微型燃氣機、熱電聯(lián)產(chǎn)和燃料電池等,這類發(fā)電在分布式發(fā)電資源中所占的比重較輕；根據(jù)并網(wǎng)接口方式可以分為電力電子逆變器接口和常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機接口兩中類型,其中電力電子逆變器接口的分布式發(fā)電存在體積小、比重小、變換效率高、可靠性較高和電性能好等方面的優(yōu)點13-17。2 配電網(wǎng)絡(luò)繼電保護原理2.1 繼電保護的基本要求配電網(wǎng)絡(luò)在安全運行過程中會遇到各種各樣的故障和不正常運行狀態(tài)，一方面在故障情況下，系統(tǒng)的故障電流會很大，會危害故障設(shè)備和非故障設(shè)備,影響用戶的正常工作,如果不及時發(fā)現(xiàn)故障并且切除故障線路和設(shè)備,會使事故進一步擴大,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩、電壓崩潰等嚴重后果。另

16、一方面,系統(tǒng)在各種各樣不正常的狀態(tài),即電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞,但沒有發(fā)生故障運行狀態(tài)。例如系統(tǒng)頻率過高或者過低、過電壓、過負荷、系統(tǒng)震蕩等,如果不及時采取措施排除產(chǎn)生這類狀態(tài)的原因,也會影響配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行。所以配電網(wǎng)絡(luò)需要配備繼電保護技術(shù)和繼電保護裝置。繼電保護技術(shù)是一個完整的體系,它主要包括電力系統(tǒng)故障分析、各種繼電保護原理以及實現(xiàn)方法、繼電保護的設(shè)計、繼電保護運行及維護等技術(shù)。繼電保護裝置是完成繼電保護功能的核心18-21。繼電保護裝置就是能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài),并動作于斷路器跳閘或者發(fā)出信號的一種自動裝置。在這些保護和自動控制裝置中,用于保

17、護電氣元件的稱為繼電保護裝置,用于保護電路系統(tǒng)的稱為安全自動裝置,在實際工作中,我們將兩者統(tǒng)稱為繼電保護裝置。繼電保護就是用繼電保護技術(shù)和由各種繼電保護裝置構(gòu)成的繼電保護系統(tǒng)。對于繼電保護的性能的好壞,主要從它的基本要求來看。對于電力系統(tǒng)繼電保護要求主要從反應(yīng)故障狀態(tài)的保護要求來闡述,因為反應(yīng)不正常狀態(tài)的保護要求一般低于反應(yīng)故障狀態(tài)的保護要求。對于反應(yīng)電力系統(tǒng)故障而作用于斷路器跳閘的繼電保護,電力系統(tǒng)對其基本要求為具有選擇性、速動性、靈敏性和可靠性22-24。(l)選擇性選擇性是指繼電保護動作時,僅將故障元件或線路從電力系統(tǒng)中切除,使系統(tǒng)無故障部分繼續(xù)運行，即故障點在區(qū)內(nèi)是就動作,在區(qū)外是就不

18、動作,使故障時停電面積最小。(2)速動性速動性是指繼電保護以允許而又可能的最快速度動作于跳閘,斷開故障元件或線路。保證速動性能帶來幾個方面的好處:1.提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,防止系統(tǒng)的震蕩；2.減少用戶在低電壓下的動作時間；3.減少故障元件的損壞程度,避免故障進一步擴大。但是速動性與選擇性存在矛盾點,太快的話有可能失去選擇性,所以一般對速動性有相應(yīng)的規(guī)定,一般的快速保護動作時間為0.06一0.12s,最快可達0.01一0.04s?？傊?一般在保證保護選擇性的前提下來滿足速動性。(3)靈敏性繼電保護的靈敏性一般指在最不利的條件下,保護裝置對故障的反應(yīng)能力。對靈敏性一般用定量的方式來衡量,其中包括過量保

19、護和欠量保護,對于反應(yīng)于數(shù)值上升而動作的過量保護(如電流保護)為: （2-1）對于反應(yīng)于數(shù)值下降而動作的欠量保護(如低電壓保護)為: （2-2）在不同的保護有其不同的靈敏系數(shù),不過其值一般都大于1,靈敏系數(shù)越高,表明保護性能越好。(4)可靠性繼電保護的可靠性是指保護在應(yīng)動作時,不拒動；保護在不應(yīng)動作時,不誤動?？煽啃允请娏ο到y(tǒng)繼電保護最基本的性能要求,只有在滿足可靠性的前提下,保護的選擇性、速動性及靈敏性才有實際意義。影響保護可靠性的因素存在內(nèi)因和外因兩個方面,內(nèi)因包括裝置本身的質(zhì)量,外因包括運行維護水平和安裝調(diào)試是否正確。以上四個基本有時候會相互矛盾,但總體上是相輔相成,協(xié)調(diào)統(tǒng)一的,總體上,

20、一般以選擇性為出發(fā)點,以滿足選擇性的前提下盡量縮短動作時間,盡量滿足其速動性,以靈敏性來校驗保護性能的優(yōu)劣,可靠性則是保護的最基本、最重要的要求。2.2 配電網(wǎng)保護基本原理電力系統(tǒng)繼電保護的基本原理就是找出正常運行與故障時系統(tǒng)中電氣量或非電氣量的變化特征(差別),用一種原理來識別這些變化特征,且差別越明顯,保護性能越好。我國目前的配電網(wǎng)系統(tǒng)大多數(shù)是單側(cè)電源、輻射型配電網(wǎng)絡(luò),一般配置有傳統(tǒng)的三段式電流保護,即:瞬時電流速斷保護(電流I段)、限時電流速斷保護(電流II段)和定時限過電流保護(電流III段),這三段保護相互配合,構(gòu)成了主保護與后備保護,能夠反映線路各種故障。配電網(wǎng)存在中性點直接接地時

21、,應(yīng)裝設(shè)零序電流保護作為接地保護；其中性的采用非直接接地時,一般裝設(shè)動作于信號的單相接地保護；對于其單側(cè)電源的終端線路,一般采用反時限過電流保護,一般情況下,配電線路對配電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性的影響不大,允許限時切除故障,所以配電線一般采用簡單的電流保護或者距離保護為主保護；對于非終端線路,饋線保護一般采用三段式電流保護與其他保護相配合；對非全電纜線路,還相應(yīng)配置了三相一次自動重合閘裝置,保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時,快速恢復(fù)供電,提高系統(tǒng)供電的可靠性,然而,由于電纜線路的故障大多數(shù)是永久性故障,所以自動重合閘裝置對電纜線路不適應(yīng)25。(l)電流速斷保護所謂電流速斷保護是指僅反應(yīng)電流增大而能瞬時動

22、作切除故障的保護,也稱為無時限電流速斷保護(電流I段)。其基本原理如圖2-1：圖2-1電流速斷動作特性分析以保護2為例,當本線路末端凡點短路時,希望速斷保護2能夠瞬時動作切除故障,當相鄰線路的始端(習(xí)慣上稱出口處)凡點短路時,根據(jù)選擇性的要求,保護2電流速斷應(yīng)該不動作,由保護1的電流速斷來切除該處的故障。為保證動作的選擇性,必須從保護裝置啟動參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時不啟動,所以一般情況下,電流速斷保護只保護線路的一部分。根據(jù)這樣的要求,其動作電流的整定原則為:保護裝置的啟動電流應(yīng)按躲開下一條線路出口處通過保護的最大短路電流(最大運行方式下的三相短路電流)來整定。即： （2-3）其

23、中可靠系數(shù)。當然它的動作時限為零,其靈敏性用保護的范圍大了衡量。一般情況下電流速斷保護應(yīng)安最小運行方式下兩相短路電流來校驗,其最大的保護范圍應(yīng)大于50%的線路全長,最小保護范圍應(yīng)大于15%的線路全長。(2)限時電流速斷保護限時電流速斷保護是指能以較小的時限快速切除全線路范圍以內(nèi)的故障的保護(電流II段)。其要求要在任何情況下都能保護本線路的全長,切能快速切除故障,兼作電流速斷保護的后備保護。其工作原理是:保護范圍必然要延伸到下一條線路中去,當下一條線路出口處發(fā)生短路時,保護啟動；為了保證其動作的選擇性,保護就必須帶有一定的時限,但是為了盡量縮短時限,其要求保護范圍不超出下一條線路速斷保護的范圍

24、(如果超過了這個范圍,將出現(xiàn)與下一條線路的保護電流II段失去選擇性的情況)。其動作電流的整定原則為:保護裝置的啟動電流應(yīng)按照躲過下一條線路電流速斷保護范圍末端發(fā)生短路時最大短路電流(或躲過下一條線路電流速斷保護的整定值)來整定，即: （2-4） 其中可靠系數(shù)為。限時速斷的動作時限應(yīng)選擇得比下一條線路電流速斷保護的動作時限高出一個時間階段。即: （2-5）其中的大小與斷路器跳閘時間、時間繼電器動作時間的誤差、延時的慣性時間等有關(guān),一般取0.55。為了保護線路全長,其靈敏系數(shù)一般采用最小運行方式下發(fā)生兩相短路時短路電流來計算。即: （2-6）(3)定時限過電流保護定時限過電流保護是指其起動電流按照

25、躲過最大負荷電流來整定的一種保護裝置(電流III段)。其作用主要是作為本線路主保護的近后備以及下一線路保護的遠后備。其工作原理為:正常時不應(yīng)該動作,短路時起動并以時間來保證動作的選擇性。其動作整定原則為:按躲過本線路最大負荷電流來整定。同時保證在外部故障切除后,保護裝置能夠返回。即： （2-7）保護裝置的動作電流： （2-8）其中為最大負荷電流,為返回電流,為最大自啟動電流,為返回系數(shù),為可靠系數(shù),為自啟動系數(shù)。定時限電流保護的動作時限的選擇定時限電流保護的動作時限的選擇性只有依靠使各保護裝置帶有不同的時限來滿足,按階梯性的原則整定,即其動作時限與過電流大小無關(guān)。由于定時限過電流的保護要求是作

26、為本線路的近后備保護和下一線路的遠后備保護,所以其靈敏系數(shù)的計算也包括兩個方面。作為近后備保護時,采用系統(tǒng)在最小運行方式下,本線路末端發(fā)生兩相短路故障時的短路電流來校驗。即： （2-9）作為遠后備保護時,采用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路電流進行校驗。即： （2-10）電流III段保護的動作電流比電流I、電流II段的動作電流小得多,其靈敏度比第I、II段更高；在后備保護之間,只有靈敏系數(shù)和動作時限相互配合時,才能保證選擇性；電流III段保護范圍是本線路和相鄰下一線路的全長；其動作時限按階梯型來整定,即越接近電源,動作時間越長。從保護的性能角度而言,這是定時限過流保護最大的缺點。電流I、電流

27、II段或電流III段保護組成階段式電流保護,由于它有簡單、可靠且一般情況下可以滿足快速切除故障的要求,所以廣泛應(yīng)用于35kV及以下的較低壓配電網(wǎng)絡(luò)中。但是它也有不可避免的缺點,由于保護定值的確定直接受電網(wǎng)接線方式和運行方式變化的影響,所以階段式電流保護往往在保護范圍或者是靈敏度上不能滿足要求。(4)反時限過流保護反時限過流保護是一種跟故障電流大小有關(guān)的的保護。它最大的優(yōu)點克服了定時限過流保護的缺點,即越接近電源,動作時間越短,因此,能夠較快地切除近處故障。反時限過流保護的保護裝置的動作電流也按照式(2一8)來整定,其動作時限也按照階梯原則來確定，但是動作時限的整定和配合性確相對比較復(fù)雜。常用的

28、反時限過流繼電器的動作方程為： （2-11）其中為繼電器的動作電流,K為保護的時間整定常數(shù),I為流過繼電器的電流,t為動作時間。反時限過流保護主要用于單側(cè)電源供電的配電網(wǎng)中,起主保護和后備保護作用。(5)自動重合閘電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明,架空線路的故障大都是瞬時性故障,在線路被繼電保護迅速斷開以、電弧熄滅后,故障點的絕緣強度重新恢復(fù),外界物體(例如數(shù)字、鳥類等)也被電弧燒掉而消失。此時如果吧斷開的線路再重新合上,就能夠恢復(fù)正常的供電,所以,這類故障是瞬時性故障。而永久性故障是由于線路倒桿、斷線、絕緣子擊穿或損壞等引起的故障。這類故障在線路斷開后,它們?nèi)匀淮嬖?及時合上電源,線路也會被系統(tǒng)的繼電

29、保護重新斷開,因而是不能恢復(fù)正常供電的。由于架空線路的故障具備上述性質(zhì),且永久性故障占一般為10%左右,在繼電保護裝置動作切除故障后,電弧將自動熄滅,絕大多數(shù)情況下短路處的絕緣可以自動恢復(fù),為此,電力系統(tǒng)中采用了自動重合閘裝置(AR),即斷路器跳閘后,能夠自動將斷路器重新合閘的裝置。這樣就大大的提高了供電的可靠性和電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性,同時還增大了高壓輸電線路的送電容量,對斷路器本身由于機構(gòu)不良或者繼電保護誤動而引起的誤動起到糾正的作用。為了能夠盡量利用重合閘所提供的條件來加速切除故障,繼電保護能滿足配合性的情況下,一般采用兩種方式來實現(xiàn),即重合閘前加速保護和重合閘后加速保護。重合閘前加速

30、保護重合閘前加速保護一般簡稱為“前加速”。當線路上發(fā)生故障時,為了能夠加速地切除故障,要求靠近電源側(cè)的保護無選擇性地瞬時動作以切除故障。過后再起動重合閘裝置恢復(fù)供電,以糾正上述無選擇性的動作。這種保護動作方式能夠快速地切除故障,使瞬時性故障來不及發(fā)展為永久性故障,從而能夠提高重合閘的成功率。使用的設(shè)備少,只需要裝設(shè)一套重合閘裝置,簡單、經(jīng)濟。它的缺點是斷路器的工作條件惡劣,動作次數(shù)較多,若重合于永久性故障時,切除時間較長,可能對系統(tǒng)造成二次沖擊26-27,一旦重合閘裝置拒動,則停電范圍有可能擴大。目前,重合閘前加速保護一般用于35kV以下由發(fā)電廠或重要變電站引出的直配線路上,以便快速切除故障保

31、證母線電壓,在這些線路上一般只裝設(shè)簡單的電流保護。重合閘后加速保護所謂重合閘后加速保護就是指當線路第一次故障時,保護有選擇性地動作,然后進行重合,一般稱其為“后加速”。如果重合在永久性故障上,則斷路器合閘后,保護加速動作,瞬時切除故障。后加速保護也有其優(yōu)缺點,其優(yōu)點是:1)第一次又選擇性地切除故障,不會擴大停電范圍；2)保證了永久性故障能瞬時切除,并仍然是有選擇性的；3)和前加速保護相比,使用中不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負荷條件的。現(xiàn)在,一般說來是有利無害的。其缺點是:l)每個斷路器都得需要裝設(shè)一套重合閘,接線不見復(fù)雜；2)第一次切除故障是帶一定時限的。據(jù)其后加速保護的上述特點,“后加速”一般廣泛用于35

32、kV以上的網(wǎng)絡(luò)和重要的輸電線路中。因為這些線路都裝設(shè)了比較完善的保護裝置,所以第一次有選擇性的切除故障的延時是系統(tǒng)運行所允許的,這樣后加速保護就可以更快地切除永久性故障。3 分布式電源并網(wǎng)位置對配電網(wǎng)絡(luò)電流保護的影響研究分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)后,使傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)從單電源輻射網(wǎng)絡(luò)變成了一個多電源網(wǎng)絡(luò),從而改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當分布式電源接入后,其系統(tǒng)的潮流大小、流向和分布都將發(fā)生改變,傳統(tǒng)配網(wǎng)中的繼電保護和自動重合閘有可能要做出相應(yīng)的調(diào)整,否則分布式電源會使配網(wǎng)系統(tǒng)無法快速地、準確地切除故障,進而影響電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。分布式電源接入配網(wǎng)系統(tǒng)后對其原有保護產(chǎn)生影響的一個關(guān)鍵

33、因素是分布式電源并網(wǎng)的位置不同。本節(jié)著重分析不同位置引入分布式電源后對其過流保護的影響。下面現(xiàn)假設(shè)故障點位置固定,分布式電源接入位置變動時研究分析DG接入位置對流過保護電流的規(guī)律，通過建立系統(tǒng)發(fā)生三相故障的等值電路模型，分析計算分布式電源對電流保護的影響。提出基于對保護影響最小情況下的最佳并網(wǎng)次序方案,為保護定值整定和分布式電源接入配網(wǎng)的設(shè)計規(guī)劃提供一定的理論支撐。3.1 系統(tǒng)接入單個分布式電源的影響分析3.1.1 分布式電源下游發(fā)生故障的情況分析如圖3-1所示,系統(tǒng)只接入DG1,當分布式電源下游發(fā)生故障時(如圖3-1中k,點發(fā)生故障),保護1、2、3、4都要流過正向故障電流,對其影響分析如下

34、:(1)對下游保護1、2、3的無時限電流速斷保護影響分析。由于DG1也會產(chǎn)生故障電流,根據(jù)其短路電流分配機制的研究,對保護1、2、3的有助增作用,故流過它們的故障電流會增大,理論上提高了保護1、2、3的靈敏度,保護1會先于保護動作切除故障。但是由于保護2故障電流的增大,使其無時限電流速斷保護范圍擴大,如果保護范圍延伸至下一段保護線路上,將與保護1的無時限電流速斷失去選擇性。如果是點故障時,保護3與保護2之間也會存在類似的問題。圖3-1 含一個分布式電源的系統(tǒng)分析圖但具體故障電流增加到多大才會使保護失去選擇性,下面根據(jù)短路電流分配機制原理,進行定量的分析研究。在DG1未接入前,流過保護1、2、3

35、的故障電流為,接入DGI后保護1、2、3流過的故障電流假設(shè)為,其大小為,流過其DGI下游保護的故障電流增量為： (3-1)根據(jù)電流速斷保護的整定原理可知,在進行電流速斷整定計算時,系統(tǒng)的電氣元件都按照純電抗進行等效計算,且取在系統(tǒng)最大允運行方式下的三相短路電流來整定,加上引入的可靠系數(shù),故整定計算值是偏大的,而實際系統(tǒng)中保護范圍就相對偏小。由此本文根據(jù)文獻28-30的理論,認為如果分布式電源在失穩(wěn)前向故障線路提供的短路電流增量小于分布式電源接入前原來保護流過的故障短路電流的10%,就認為分布式電源機組的接入對其電流速斷保護就沒有影響,如前面分析的那樣,僅僅有助增作用,提高其靈敏度；如果分布式電

36、源在失穩(wěn)前向故障線路提供的短路電流增量大于分布式電源接入前原來保護流過的故障短路電流的10%，就認為分布式電源機組的接入可能對其電流速斷保護有影響，保護范圍可能延伸至下一段保護線路上，使其與下段線路的電流速斷保護失去選擇性。如圖3-2所示,當瓦點發(fā)生故障,保護1、2、3短路電流能否大于10%,可以根據(jù)來確定,如果滿足則認為DGI的接入對其電流速斷保護無影響。即: (3-2)化簡可得： (3-3)圖3-2電源至故障點轉(zhuǎn)移阻抗圖在已知配電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和分布式電源參數(shù)的情況下，通過式（3-3）的計算，可以直觀定量地判斷DGI的接入對其下游保護的無時限電流速斷保護是否產(chǎn)生影響了，為分布式電源并網(wǎng)時分析對

37、電流保護的影響提供一定的理論參考。(2)對于保護1、2、3的限時電流速斷保護影響分析。由于限時電流速斷保護的范圍必然要延伸到下一條線路中去,當下一條線路出口處發(fā)生短路時,保護啟動；為了保證其動作的選擇性,保護就必須帶有一定的時限,但是為了盡量縮短時限,其要求保護范圍不超出下一條線路速斷保護的范圍,如果超過了這個范圍,將出現(xiàn)與下一條線路的保護電流H段失去選擇性的情況。由于分布式電源對其的助增作用,保護2的故障電流過大會使其保護范圍擴大,超過下一段保護的限時電流速斷范圍,導(dǎo)致保護失去選擇性。(3)對下游保護1、2、3的過流保護影響分析。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)為了簡化保護配置,在電流保護方面一般設(shè)置電流速斷

38、保護和過流保護。為了盡快切除電源附近的故障,配電網(wǎng)中往往采用帶反時限特性的過流保護31-32,所以在此著重分析配網(wǎng)中的反時限過流保護,后面的保護方案也在此基礎(chǔ)上提出。由第二章的反時限過流保護的原理可知,如果隨著分布式電源容量的增加,流過保護1、2的故障電流就越來越大,保護1的動作時間就越來越小,從而保護1、2過流保護的動作時間間隔就越來越小,考慮到每一個繼電器的固有動作時間不可能完全相同,所以保護2存在因故障電流增大而誤動的可能性。分布式電源容量越大,對其下游保護貢獻的短路電流就越大,保護2誤動的可能性就更大。故分布式電源容量的大小對含分布式電源的配網(wǎng)的電流保護的選擇性、靈敏性及可靠性起關(guān)鍵性

39、的作用。(4)對上游保護4的電流保護影響分析。根據(jù)短路電流分配機制原理,系統(tǒng)支路電流變化量為正數(shù),流過的故障電流將小于不接DG時的故障電流。其保護范圍將縮小,靈敏度降低,保護有拒動的可能。由于保護范圍的縮小有可能使其限時電流速斷保護不能作為下一條線路的后備保護。DG在不同的位置接入對其保護影響不同,在此根據(jù)分布式電源接入后系統(tǒng)中短路電流分配機制原理,以系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障時對其保護的影響來分析。例如如果故障,相比故障而言,由于DG接入點到故障點的阻抗變大,其他阻抗不變,進而n變小,使電流變量變大,從而使系統(tǒng)支路電流變得更小,起保護范圍及靈敏度會進一步縮小。分布式下游其他點故障時,對系統(tǒng)電流保護

40、的影響分析與點故障時的分析類似。3.1.2 分布式電源上游故障的情況分析如圖3-1所示,系統(tǒng)只接入DGI時,當分布式電源上游發(fā)生故障時(如圖3-1中點發(fā)生故障),保護1、2、3沒有感受到故障電流,但是流過保護4短路電流的會使保護動作切除故障,DGI可以和下游負荷形成孤島運行,但是B母線與故障點之間沒有保護,DG1始終會給故障點提供短路電流。由于其保護能感受到故障電流的存在,一定時間內(nèi)DG1會退出運行。如果允許孤島允許,DGI跟其下游負荷功率平衡,可以在母線B反方向出口處再加裝一個方向繼電器,在氣點故障時,保護動作切除故障,DGI與下游負荷形成孤島運行模。如果系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障(如圖中點故障)時,將

41、有反方向的故障電流流過保護4,當故障電流大于整定值是,保護4將動作切除故障,這樣DG1將與其下游的負荷形成孤島,帶來孤島問題。3.2 系統(tǒng)接入多個分布式電源的影響分析圖3-3含多個分布式電源的系統(tǒng)分析圖當系統(tǒng)同時接入兩個分布式電源時(如圖3-3所示,同時接入DG1、DG2),系統(tǒng)故障時傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)的保護又會受到怎么樣的挑戰(zhàn),下面將進行仔細分析。如圖3-3所示,當DGZ下游故障時,只是故障電流大小發(fā)生了變化.分析同3.2.1類似。當分布式電源上游發(fā)生故障(如圖3-3中K點發(fā)生故障)時,保護4應(yīng)動作,理論上保護3不會誤動作,但是分布式電源一直為故障點提供故障電流,對保護4重合閘產(chǎn)生嚴重影響。當

42、系統(tǒng)側(cè)故障(如圖3-3中K點發(fā)生故障),保護3、4都流過反向的故障電流,設(shè)流過保護3、4的故障電流分別為、,則其大小為: (3-4) (3-5)為了滿足保護的選擇性,在此情況下保護4應(yīng)該先于保護3動作,這就必須滿足以下要求：其中是保護3和保護4同時動作時的電流差,從而就要求DG1的容量必須足夠大才能保持保護的選擇性,進而說明了分布式電源容量的大小對保護之間的選擇性起關(guān)鍵作用?？傊?當系統(tǒng)接入多個分布式電源時,在所有的DG下游故障時,由于故障電流的增加,保護可能誤動,保護的靈敏度增加,當在DG的上游故障時,每相鄰兩個保護的配合性可能無法保證,影響保護選擇性的關(guān)鍵因素在于分布式電源貢獻的故障電流的

43、大小。3.3 單個分布式電源的并網(wǎng)位置問題對保護的影響規(guī)律的研究如圖3-1所示,系統(tǒng)只接DG1時,D母線出口處發(fā)三相短路故障時,系統(tǒng)的等值電路圖3-2所示,參數(shù)物理意義：為系統(tǒng)到DGI接入點的支路阻抗,戈、為DG1接入點到故障點阻抗,為DG1的短路阻抗。令分布式電源接入前的系統(tǒng)總阻抗為,其值為 (3-6) 已知： (3-7)圖3-4 單DG接入時下游發(fā)生三相短路故障等值電路圖定義DG1對保護分支電流的影響因子函數(shù)為 (3-8)對求偏導(dǎo),得出反映保護支路電流的變化率為: (3-9)令,即時,函數(shù)f取最大值,f的斜率最小,即DGI位置移動時保護感受到電流變化率最小。當DGI向兩端移動時,系統(tǒng)支路電

44、流的變化率增大,由式(3-7)可知,這是由于DGI接入位置變動時系統(tǒng)支路阻抗和總的短路阻抗的變化對其產(chǎn)生的影響。在處,人達到極小值,此時取最大值,對系統(tǒng)支路短路電流的影響最大，保護的靈敏度最小。由二次型函數(shù)f性質(zhì)可知,當在處向兩側(cè)移動時,保護支路感受到的故障電路變化率呈遞增狀態(tài)。所以在考慮分布式電源接入時,盡量避免在系統(tǒng)全阻抗的中點處接入,在實際應(yīng)用中,可以根據(jù)這個理論避開保護靈敏度最低點接入分布式電源,使其對保護的影響最小。同時,如果DG的容量變大,根據(jù)分布式電源自身的短路阻抗的計算方法可知,其短路阻抗將變小,使得函數(shù)f的最大值變大,進而保護支路感受的故障電流進一步變小,靈敏度相對更低。所以

45、大容量的DG相對小容量DG在同一點的接入對其保護影響更大。3.4 多個分布式電源并網(wǎng)位置問題和并網(wǎng)次序方案的研究如圖3-3當DG1、DG2同時接入系統(tǒng)時,D母線出口處發(fā)生三相短路故障時系統(tǒng)的等值電路圖如圖3-5所示。其中、分別代表DG1、DG2接入點之前的系統(tǒng)側(cè)合成阻抗,分別代表DGI、DGII接入點之后的負荷側(cè)合成阻抗,為DG1和DG2之間的阻抗,分別為DG1、DG2的短路阻抗。根據(jù)多端口網(wǎng)絡(luò)阻抗合成原理,從短路點來看,k的自阻抗為,之間的互阻抗為,其中分別為DG1、DG2接入系統(tǒng)后系統(tǒng)支路的電流分支系數(shù)。設(shè)DG1接入后系統(tǒng)新的合成阻抗為,又因為,則DG2接入后系統(tǒng)支路的故障電流為: (3-

46、10)綜合上述各個阻抗的關(guān)系,考慮到DGI接入前系統(tǒng)的全阻抗為,經(jīng)化簡上述變?yōu)?(3-11) 圖3-5多DG接入時下游發(fā)生三相短路故障時等值電路圖根據(jù)已知,這里的保護分支電流的影響因子函數(shù)為： (3-12)式(3-12)表明,當兩個分布式電源接入時,系統(tǒng)保護支路故障電流的影響因子函數(shù)可以近似得看成兩條二次曲線的疊加,第一項為DG1在原來系統(tǒng)中移動時對電流的影響,第二項為DG2在新系統(tǒng)中移動對電流的影響。如果當DG1的容量和位置固定,DG2在系統(tǒng)中移動時,只是相當于系統(tǒng)的總阻抗值變化了,即在時,函數(shù)f取最大值,f的斜率最小,達到極小值,保護的靈敏度最小,DG2對系統(tǒng)保護支路電流的影響最大。當然,

47、DG2對保護的影響受DG1接入位置和容量大小的影響,DG1的接入后系統(tǒng)的總阻抗值與沒其沒接入系統(tǒng)前變小,所以新總阻抗的中點相對于原來阻抗的中點向系統(tǒng)電源側(cè)偏移了。故在系統(tǒng)有兩個分布式電源接入時并網(wǎng)方案是:(l)首先要確定兩個分布式電源容量的大小,從系統(tǒng)總阻抗中點處到系統(tǒng)電源側(cè),接入DG的容量從小到大排列時,對系統(tǒng)保護的影響最??；從系統(tǒng)總阻抗中點處到負荷側(cè),接入DG的容量也是從小到大排列時,對系統(tǒng)保護的影響最??；如果并網(wǎng)位置在靠近系統(tǒng)側(cè)或者負荷側(cè),首先將容量較大的分布式電源并網(wǎng),如果并網(wǎng)位置在靠近系統(tǒng)阻抗中點時,首先考慮將容量較小的分布式電源并網(wǎng)。(2)第一個分布式電源的接入時,要考慮避開未接入

48、分布式電源前系統(tǒng)總阻抗中點處接入；其次要綜合考慮第二個分布式電源帶給系統(tǒng)保護的影響最小化。當N()個DG接入系統(tǒng)時,按照同樣的原理分析,可認為是N個DG的保護支路電流影響因子函數(shù)二次曲線的疊加,其并網(wǎng)方案是:(1)首先要對N個DG容量的大小進行排序,根據(jù)前面分析,DG應(yīng)該在系統(tǒng)總阻抗中點向兩側(cè)按其容量由小到大次序接入,使其對系統(tǒng)保護影響最小化；如果并網(wǎng)位置在靠近系統(tǒng)側(cè)或者負荷側(cè),首先將容量較大的分布式電源并網(wǎng),如果并網(wǎng)位置在靠近系統(tǒng)阻抗中點時,首先考慮將容量較小的分布式電源并網(wǎng)。(2)在第M()個DG時,首先要考慮避開有個DG時的系統(tǒng)總阻抗中點處接入。其次要綜合考慮個DG接入時帶給系統(tǒng)保護的影

49、響最小。同樣可以找出DG接入對系統(tǒng)電流影響最大的位置是當前系統(tǒng)總阻抗中點處,只是由于DG接入系統(tǒng)的數(shù)量越多,新系統(tǒng)的總阻抗就越小,其中點處離系統(tǒng)電源側(cè)就近,所以隨著越來越多的DG接入,感覺DG對保護支路電流影響的極大值點向系統(tǒng)電源側(cè)偏移。4 總結(jié)本文是在對配網(wǎng)分布式電源接入位置問題對配電網(wǎng)繼電保護的影響分析是基于系統(tǒng)故障時,短路電流不引起保護誤動和拒動的前提下,確保保護的選擇性和可靠性的基礎(chǔ)上進行的。通過對分布式電源接入后的系統(tǒng)的等效,根據(jù)電流保護的原理,忽略經(jīng)濟因素和地理因素等,進行定量的理論推導(dǎo)和分析計算,基于分布式電源接入配電網(wǎng)后其繼電保護能可靠動作,確定配網(wǎng)系統(tǒng)接入單個后多個分布式電源

50、容量范圍。通過研究分布式電源并網(wǎng)位置對保護的影響規(guī)律,提出了對保護影響最小的并網(wǎng)次序方案,為配電網(wǎng)絡(luò)繼電保護和為其引入分布式電源提供理論指導(dǎo)和參考方案。參考文獻1 王長貴, 崔容強, 周簧. 新能源發(fā)電技術(shù)M. 北京: 中國電力出版社, 2003, 23-40.2 梁有偉, 胡志堅, 陳允平. 分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述J. 電網(wǎng)技術(shù),2003,27(12): 71-75.3 梁振鋒, 楊曉萍, 張娉. 分布式發(fā)電技術(shù)及其在中國的發(fā)展J. 西北水電, 2006, 1: 51-53.4 錢科軍, 袁越. 分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統(tǒng)的影響J. 繼電器, 2007, 35(13):

51、25-29.5 Palma-Behnke R, Vargas L.S, et al. A Distribution Company Energy Acquisition Market Model With Integration of Distributed Generation and Load Curtailment OptionsJ. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, 20(4): 1-10.6 胡學(xué)浩. 分布式發(fā)電(電源)技術(shù)及其并網(wǎng)問題J. 電工技術(shù)雜志, 2004, 2(10): 1-5.7 崔金蘭, 劉天琪. 分布式發(fā)電技術(shù)及其并

52、網(wǎng)問題研究綜述J. 現(xiàn)代電力, 2008, 24(03): 53-58.8 黃偉, 雷金勇, 夏翔, 等. 分布式電源對配電網(wǎng)相間短路保護的影響J. 電力系統(tǒng)自動化,2008, 32(1): 93-97.9 梁振鋒, 楊曉萍, 張娉. 分布式發(fā)電技術(shù)及其在中國的發(fā)展J. 西北水電, 2006, 1(02): 51-53.10 K. Kauhaniemi, L. Kumpulainen. Impact of Distributed Generation on the Protection of Distribution NetworksC. Eighth IEE International Co

53、nference, 2004, 315-318.11 胡成志, 盧繼平, 胡利華. 分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護影響的分析J. 重慶大學(xué)學(xué)報,2006, 29(8): 36-39.12 Y. Lu, L. Hua, J. Wu, G. Wu, et al. A Study on Effect of Dispersed Generator Capacity on Power System ProtectionC. Power Engineering Society General Meeting, 2009, 1-6.13 J. A. Silva, H. B. Funmilayo. Impact

54、of Distributed Generation on the IEEE 34 Node Radial Test Feeder with Overcorrect ProtectionC. Power Symposium, NAPS 07. 2009, 49-57.14 陳海焱, 陳金富, 楊雄平. 配電網(wǎng)中計及短路電流約束的分布式發(fā)電規(guī)劃J. 電力系統(tǒng)自動化, 2006, 30(21): 16-20.15 Brahma S M, Girgisa A. Development of Adaptive Protection Scheme for Distribution System with

55、High Penetration of Distributed GenerationJ. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008,19(1): 56-63.16 N. Natthaphob, T. H. Gerald. Fault Current Contribution From Synchronous Machine and Inverter Based Distributed Generators. Power DeliveryJ IEEE Transactions, 2008, 22, 634-641.17 Chilvers, I. et a1. The Use of 1lkV Distance Protection to Increase Generation Connected to the Distribution NetworkC. Developments in Power System Protection, IEEE, 2004,