含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)研究

含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)研究目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 I第1章緒論 11.1課題背景及研究意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀 21.2.1分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 21.2.2含分布式電源配網(wǎng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀 41.3本文的主要工作 9第2章分布式發(fā)電概述 102.1分布式電源的概念 102.2分布式電源的種類 112.3分布式電源的運(yùn)行方式 152.3.1并網(wǎng)運(yùn)行方式 162.3.2孤島運(yùn)行方式 172.3.3分布式電源運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn) 172.4本章小結(jié) 18第3章含風(fēng)電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析 193.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 193.2雙饋發(fā)電機(jī)的建模與仿真 203.2.1風(fēng)速模型 203.2.2風(fēng)力機(jī)模型 233.2.3雙饋發(fā)電機(jī)模型 243.2.4傳動機(jī)構(gòu)模型 243.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)分析 253.4本章小結(jié) 32第4章分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響 334.1傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)配置簡介 334.2分布式電源接入位置對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析 334.2.1分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端 334.2.2分布式電源接在配電網(wǎng)饋線非末端母線上 364.2.3分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端 374.3分布式電源接入容量對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析 394.4分布式電源接入對自動重合閘的影響 414.4.1自動重合閘保護(hù) 414.4.2分布式電源對自動重合閘的影響 424.5仿真計算 434.6本章小結(jié) 48第5章含分布式電源的保護(hù)方案研究 495.1含分布式電源的配電網(wǎng)在線自適應(yīng)整定保護(hù) 495.1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 495.1.2在線自適應(yīng)整定保護(hù)分析 505.2仿真驗(yàn)證 535.3分布式發(fā)電系統(tǒng)下繼電保護(hù)的配置 565.4本章小結(jié) 58第6章結(jié)論與展望 606.1結(jié)論 606.2展望 61第1章緒論 PAGE60 PAGE61第1章緒論1.1課題背景及研究意義能源是人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的利用推動了社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高。傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)以化石燃料為主，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，化石燃料的儲量日益萎縮，面臨枯竭的危險。有報告預(yù)測，現(xiàn)有的石油和天然氣儲量將在50年內(nèi)耗盡，煤的使用也只能維持120年。同時，化石燃料也對環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了重要影響，是環(huán)境污染和氣候惡化的元兇。隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的持續(xù)發(fā)展，我國能源發(fā)展也面臨能源供需缺口的加大、石油后備資源不足、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。為了實(shí)現(xiàn)能源與社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，利用科技手段開發(fā)可再生的清潔能源，它們不但對環(huán)境幾乎沒有破壞，而且取之不盡、用之不竭，無疑發(fā)展利用這些可再生的清潔能源進(jìn)行發(fā)電是解決這些問題的一個重要措施。從上世紀(jì)開始，西方發(fā)達(dá)的工業(yè)國家興起了研制新型、高效、綠色獨(dú)立電源的熱潮，分布式發(fā)電(DistributedGeneration，DG)一詞也應(yīng)運(yùn)而生[1]。目前，分布式發(fā)電與大電網(wǎng)相結(jié)合被世界許多能源專家認(rèn)為是能節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向[2]。分布式發(fā)電[3]并不是一個全新的概念，直到電能可以完全商業(yè)化取代蒸汽、水力、直接燃燒等能量驅(qū)動負(fù)載之前，所有電能的產(chǎn)生都分布于需要能源的設(shè)備或設(shè)施附近，以分布式發(fā)電方式對負(fù)載供電。分布式發(fā)電的主要特點(diǎn)是電力就地產(chǎn)生、就地消化，可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，具有節(jié)省輸變電投資、易于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行等特點(diǎn)。分布式發(fā)電系統(tǒng)電源位置靈活、分散的特點(diǎn)極好地適應(yīng)了分散的電力需求和資源分布，延緩了輸、配電網(wǎng)升級換代所需的巨額投資，同時它與大電網(wǎng)互為備用，也使供電可靠性得以改善。隨著世界各國在相關(guān)領(lǐng)域投資的不斷加大，分布式發(fā)電供能技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展，其發(fā)電成本也越來越低，尤其是風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和采用燃?xì)鈾C(jī)組的冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性幾乎可以與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相競爭[4]。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家已開始廣泛研究能源多樣化的、高效的和經(jīng)濟(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng)。無疑，分布式發(fā)電系統(tǒng)將成為未來大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐。盡管分布式發(fā)電優(yōu)點(diǎn)突出，但本身存在諸多問題，例如，分布式發(fā)電單機(jī)成本高，控制困難等。另外，分布式發(fā)電相對配電網(wǎng)來說是一個不可控源，其與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，會對配電網(wǎng)自身的電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、電能效益等產(chǎn)生很大的影響，而其對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響尤為突出。當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，傳統(tǒng)的輻射式網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐环N遍布電源和負(fù)荷的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在配網(wǎng)發(fā)生故障時，除了系統(tǒng)向故障點(diǎn)提供故障電流外，分布式電源也將對故障點(diǎn)提供短路電流，這樣就改變了配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)短路水平[5,6]。分布式電源的類型、安裝位置以及容量等因素都將對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)的正常運(yùn)行造成影響。因此，迫切需要提出一種新的保護(hù)方案來解決這種配電系統(tǒng)中新出現(xiàn)的情況。1.2國內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀1.2.1分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分布式發(fā)電作為一種具有廣闊發(fā)展空間的新型發(fā)電方式，其能源綜合利用方式得到了廣泛的應(yīng)用。目前，全球已安裝的兆瓦級分布式發(fā)電裝置己超過300萬臺，并且以每年超過8萬兆瓦的速度遞增。歐洲、美國及日本等發(fā)達(dá)國家已開始研究并采用多種一次能源形式的結(jié)合，探索大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式，以節(jié)省電網(wǎng)投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性[7-9]。在美國，容量為1kW到10MW的分布式發(fā)電和儲能單元成為分布式供能系統(tǒng)的有用單元。據(jù)美國分布式電源聯(lián)盟預(yù)測，到2020年，美國分布式電源的容量將占全國總?cè)萘康?.7%。在那時由于新的能源需求與老的電廠的退役，估計要增加117×1012kW·h的電能，幾乎是近20年增量的2倍，在下一個10年之后，美國的分布式發(fā)電市場裝機(jī)容量[10]估計每年將達(dá)到5-6×109W。目前，美國正在研究開發(fā)就近利用分布式電源的多種新型技術(shù)，例如：分布式電源的成批控制技術(shù)(群控技術(shù))，按需供電的多品質(zhì)供電系統(tǒng)，區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。此外，美國電力研究協(xié)會(EPRI)和美國能源部(DOE)等官方機(jī)構(gòu)還成立了研究分布式電源的部門?？梢灶A(yù)計，分布式發(fā)電技術(shù)將在美國得到相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。日本根據(jù)本國資源日益缺乏、負(fù)荷需求迅速增長的發(fā)展現(xiàn)狀，開展了可再生能源和新能源的研究，其發(fā)展目標(biāo)主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶個性化電力需求等方面。新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)早在2003年就啟動了含可再生能源的地區(qū)配電網(wǎng)項(xiàng)目，并在青森縣、愛知縣和京都縣建立了3個微網(wǎng)示范工程。日本還研制了各種先進(jìn)的分布式發(fā)電產(chǎn)品，如用于發(fā)電的燃料電池等，并大量生產(chǎn)太陽能光伏電池，全世界太陽能電池組件產(chǎn)量在2004年達(dá)到1200MW，其中日本生產(chǎn)的為610MW，占到50%。歐洲提出要充分使用可再生能源、智能技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)等實(shí)現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效整合，并積極鼓勵社會各界參與電力市場交易，快速推進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展。早在2005年，歐洲提出了“智能電網(wǎng)(SmartGrid)”的目標(biāo)，并于2006年出臺了該計劃的實(shí)現(xiàn)方案。歐洲有些國家已經(jīng)成功將風(fēng)力發(fā)電的比例提高到10%以上，其中絕大多數(shù)是分散式風(fēng)電。比如丹麥建設(shè)的大多數(shù)是1萬～2萬千瓦的小型風(fēng)電場，全國總裝機(jī)容量3100MW的風(fēng)機(jī)較為均勻地分散在各地，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)占到了全國入網(wǎng)總量的20%，最高峰時達(dá)到60%，并計劃在2013年，將風(fēng)電總裝機(jī)量提高40%，到2025年，丹麥的電力供給將有一半來自于風(fēng)能。我國對分布式發(fā)電技術(shù)研究雖然尚處在起步階段，但隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對電源系統(tǒng)本身的研究已引起了一定的重視，已開始在北京、上海等地興建基于冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的分布式電源，在西部和沿海興建基于包括太陽能、風(fēng)能的分布式電源。在分布式發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛、市場前景最為明朗的，首推熱電冷三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，因?yàn)檫@種分布式供能系統(tǒng)可滿足中國大部分地區(qū)的住宅、商業(yè)大樓、醫(yī)院、公用建筑、工廠的需求。隨著“西氣東輸”工程的發(fā)展建設(shè)，燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)將作為合理利用天然氣的最佳方式之一，已經(jīng)在北京、上海、廣州等城市開始發(fā)展，并建立了一批試點(diǎn)項(xiàng)目。我國小水電的容量范圍一般是指在100kW和30MW之間的水電站。小水電資源分布廣泛，有些與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，有些分散獨(dú)立運(yùn)行，基本上以滿足當(dāng)?shù)仉娏π枨鬄橹?，大部分屬于分布式發(fā)電。在一些人口分散的地區(qū)，電力需求小，小水電完全解決可以滿足電力需求。我國小水電資源極其豐富，可開發(fā)量約1.3億千瓦，居世界首位。2003年啟動的“小水電代燃料”工程，將進(jìn)一步推動我國小水電的迅速發(fā)展。小水電供電方式可節(jié)省大電網(wǎng)供電的遠(yuǎn)距離輸電線路投資，提高能源利用效率，對于電力消費(fèi)總量很低的偏遠(yuǎn)山區(qū)，是一種經(jīng)濟(jì)合理的供電方式。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為除水力發(fā)電之外最為可靠和清潔的發(fā)電方式。我國風(fēng)能資源豐富，在我國沿海、新疆和內(nèi)蒙地區(qū)已建成大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場。在小型風(fēng)機(jī)組的生產(chǎn)和應(yīng)用方面，我國進(jìn)步很快，以15萬臺擁有量居世界首位。風(fēng)力發(fā)電具有占地面積小、裝機(jī)規(guī)模靈活和建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，同時風(fēng)力發(fā)電的成本與火力發(fā)電成本相近，可以并網(wǎng)發(fā)電。但由于風(fēng)速是隨時變化的，風(fēng)能的不確定性大，因此利用風(fēng)力發(fā)電直接供電的可靠性小，可采用將風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的方式進(jìn)行供電。目前，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的主要利用方式。太陽能屬于清潔型、環(huán)保型能源，我國又是太陽能資源豐富的國家，因此利用可再生能源的光伏發(fā)電具有很好的發(fā)展前景。然而，在電網(wǎng)能夠覆蓋的地區(qū)，光伏電能的價格仍然比由常規(guī)電網(wǎng)提供的電能價格高2～5倍，在沒有電網(wǎng)的地區(qū)，考慮了維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用后，光伏電能是最便宜的電力資源，因此主要用于人口分散地區(qū)的離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電和城市與建筑物結(jié)合的并網(wǎng)發(fā)電，最典型的就是屋頂光伏發(fā)電。據(jù)估計，到2020年，中國無電地區(qū)分散電源和城市并網(wǎng)型光伏發(fā)電的總量可達(dá)到100萬千瓦。在我國城鎮(zhèn)，分布式發(fā)電技術(shù)作為集中供電方式技術(shù)不可缺少的重要補(bǔ)充，將成為未來能源領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。1.2.2含分布式電源配網(wǎng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀分布式發(fā)電作為一種新興的、高效節(jié)能的發(fā)電技術(shù)，近年來獲得了迅速發(fā)展。針對分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響以及含分布式電源的配網(wǎng)保護(hù)研究，正得到國內(nèi)外學(xué)者們廣泛的關(guān)注。目前已提出的保護(hù)方案有兩種：切源方案和孤島方案[11]。切源方案是指在發(fā)生任何故障時，首先斷開所有的DG，再采取原來的保護(hù)措施。IEEEStandard1547[12]標(biāo)準(zhǔn)要求：①若故障發(fā)生在DG所在饋線，DG應(yīng)停止向配電網(wǎng)供電；②在DG所在饋線的自動重合閘動作前，DG必須跳離配電網(wǎng)。孤島運(yùn)行方案是指當(dāng)故障發(fā)生時，由DG裝置獨(dú)立地向負(fù)荷供電的運(yùn)行狀態(tài)[13-15]。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，為減小停電面積和提高發(fā)電效率，利用DG將配電網(wǎng)分成若干個孤島運(yùn)行。但在孤島方案下，原有的保護(hù)裝置并不能直接應(yīng)用在含DG的配電網(wǎng)中，需要對原有的保護(hù)原理和方案進(jìn)行改進(jìn)，或者提出新的保護(hù)原理與保護(hù)方案。目前國內(nèi)外學(xué)者們提出許多基于DG的配電保護(hù)方案，下面具體介紹幾種方案。(1)自適應(yīng)電流保護(hù)方案自適應(yīng)電流保護(hù)能夠克服傳統(tǒng)電流保護(hù)的缺點(diǎn)，根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時調(diào)整保護(hù)定值[16-21]，其整定值的實(shí)時算法可表示為：(1-1)式中：為系統(tǒng)的等效相電動勢；為系統(tǒng)電源側(cè)的綜合阻抗；為被保護(hù)線路的阻抗；為可靠系數(shù)；為故障類型系數(shù)（三相短路時，可近似??；兩相短路時，?。Ｗ赃m應(yīng)電流速斷保護(hù)動作條件為：(1-2)優(yōu)點(diǎn)：能根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式自適應(yīng)的調(diào)整保護(hù)定值。缺點(diǎn)：該整定方法沒有考慮DG接入的情況，對于接有DG的系統(tǒng)，系統(tǒng)側(cè)阻抗不再只是，這種整定方法可能遇到一些問題?；诙郃gent的技術(shù)的配電網(wǎng)保護(hù)方案大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，Agent是具有知識、目標(biāo)和能力，能單獨(dú)或在人的少許指導(dǎo)下進(jìn)行推理決策的能動實(shí)體，是一種處于一定環(huán)境下包裝的計算機(jī)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計目的，它能在那種環(huán)境下靈活自主地活動。多Agent系統(tǒng)(簡稱MAS)集中在自主的Agent之間智能行為的協(xié)調(diào)，它們之間協(xié)調(diào)各自的知識、目標(biāo)、技能、規(guī)劃來產(chǎn)生相應(yīng)行為或解決問題。而基于廣域信息的電網(wǎng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)保護(hù)系統(tǒng)是多Agent系統(tǒng)理論成果的一個很好的應(yīng)用場所。多Agent系統(tǒng)由多個具有不同特性、不同能力且完成不同任務(wù)的個體Agent組成，每個Agent都是具有自治性、自主性和社會性，它可以根據(jù)周圍環(huán)境的變化和自身的知識來決定自己的智能行為[22]，并且可以通過和其它Agent交換信息或知識來實(shí)現(xiàn)各自問題的協(xié)作求解?；诙郃gent技術(shù)[23,24]的配電網(wǎng)故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要包含了保護(hù)Agent、通信Agent、調(diào)度Agent、決策Agent、范例Agent、數(shù)據(jù)Agent以及計算Agent。這些Agent的功能如下：保護(hù)Agent：它是終端，是數(shù)據(jù)采集以及執(zhí)行的最前線。它監(jiān)測本保護(hù)區(qū)域內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)，如果有故障引起狀態(tài)發(fā)生了變化，則定位故障區(qū)域，并設(shè)置標(biāo)簽，為下一步的分析和計算做準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)Agent：其主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)與SCADA的接口，將SCADA傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的歸類封裝，將各個Agent需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給它們。計算Agent：主要是負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的復(fù)雜計算。范例Agent：其主要完成對范例庫中的范例進(jìn)行維護(hù)、檢索、修改、復(fù)用和添加保存等工作。決策Agent：它在整個系統(tǒng)中處于一個承上啟下的位置，是整個系統(tǒng)的樞紐，它一方面將調(diào)度員提出的決策任務(wù)分解給相應(yīng)的保護(hù)Agent，協(xié)調(diào)規(guī)劃各個保護(hù)Agent的運(yùn)行，另一方面對各保護(hù)Agent形成的決策意見進(jìn)行相應(yīng)的沖突消解和合理性驗(yàn)證，形成最終決策意見通過調(diào)度Agent提供給調(diào)度員。調(diào)度Agent：調(diào)度Agent負(fù)責(zé)系統(tǒng)與調(diào)度員之間的交互，它一方面用圖形及數(shù)據(jù)方式動態(tài)顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和決策意見，另一方面接收調(diào)度員的交互命令，解釋后傳送給決策Agent。優(yōu)點(diǎn)：利用多Agent技術(shù)，既可以加強(qiáng)其相關(guān)的多個微機(jī)保護(hù)間信息共享和合作的關(guān)系，提高整個保護(hù)系統(tǒng)的性能，又可以提高單個微機(jī)保護(hù)裝置的智能作用，以大幅改善保護(hù)裝置的性能[25]。缺點(diǎn)：該方案設(shè)置比較復(fù)雜，還不夠成熟，此外實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)保護(hù)的關(guān)鍵是如何能夠提高電網(wǎng)結(jié)線分析、短路計算和定值計算的速度，使整個整定計算的速度能跟得上電網(wǎng)方式變化速度。因此如何提高自適應(yīng)保護(hù)整定計算的實(shí)時性，也是該方案需要研究的一個重點(diǎn)。(3)區(qū)域縱聯(lián)比較保護(hù)方案該方案的主要思想是：將包含DG在內(nèi)的變電站及所有饋線作為保護(hù)區(qū)域，在變電站中設(shè)置一個站級保護(hù)主機(jī)，在每條饋出線的獨(dú)立DG、微網(wǎng)、分段開關(guān)或用戶接口等具有切斷短路電流能力的開關(guān)處都安裝一個借助通信通道與主機(jī)通信實(shí)現(xiàn)信息交互的保護(hù)從機(jī)[26]。區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，其中保護(hù)主機(jī)負(fù)責(zé)故障的判斷和定位，從機(jī)負(fù)責(zé)向主機(jī)提供安裝點(diǎn)處故障方向信息，根據(jù)本地檢測的結(jié)果和主機(jī)信息，決定是否跳開相應(yīng)的開關(guān)。圖1-1變電站級區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)的結(jié)構(gòu)Fig.1-1Configurationofsubstationarealongitudinalprotection優(yōu)點(diǎn)：用于DG容量不大但滲透率較高、接入電網(wǎng)為放射狀結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，其中方向檢測元件與傳統(tǒng)的功率方向元件沒有本質(zhì)區(qū)別，只是對正方向重新定義，達(dá)到方向檢測靈敏度基本不受DG容量、類型、并網(wǎng)位置和運(yùn)行方式變化等因素影響的目的。缺點(diǎn)：對于大容量的DG，包括風(fēng)力發(fā)電等，該保護(hù)方案不再適用，而且過度的依賴通信。此外，文獻(xiàn)[27]在參考國外的并網(wǎng)規(guī)則的基礎(chǔ)上，論述了DG并網(wǎng)運(yùn)行的基本技術(shù)和運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)要求，并且提出我國制定并網(wǎng)規(guī)則應(yīng)遵循的方向，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[28]在盡量不調(diào)整配電保護(hù)裝置的情況下，針對分布式電源的準(zhǔn)入容量問題，提出計及短路電流約束的準(zhǔn)入容量計算原理和模型，對配電網(wǎng)中計及DG影響的故障計算原理進(jìn)行分析，然而，限制分布式電源的準(zhǔn)入容量不符合長遠(yuǎn)發(fā)展，無法滿足用戶自由選擇的要求。文獻(xiàn)[29]詳細(xì)分析了不同重合閘方式下，分布式電源的接入對配電系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)性所產(chǎn)生的各種可能的影響，給出了各種情況下消除分布式電源的接入對配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備影響的判斷條件。文獻(xiàn)[30]中介紹了一種應(yīng)用于逆變型分布式電源的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的方案，考慮到了DG接入的情況，但是該方案只提到了速斷保護(hù)，沒有提及線路的后備保護(hù)，不能保護(hù)線路全長，保護(hù)的可靠性不高。文獻(xiàn)[31]分析了工頻變化量距離保護(hù)在含DG典型配電網(wǎng)故障時的動作情況。結(jié)果表明，工頻變化量距離保護(hù)方向性明確、動作快速，其可靠性、靈敏度等性能均優(yōu)于配電網(wǎng)傳統(tǒng)的距離保護(hù)和電流保護(hù)，適用于35kV及以下電壓等級電網(wǎng)。但當(dāng)分布式電源的出口電壓較高時(例如一些大型的風(fēng)電場接入電網(wǎng)時)，該保護(hù)方案將不再適用。文獻(xiàn)[32]指出微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時的故障電流幅值太小，傳統(tǒng)的過流保護(hù)技術(shù)不再適用，提出了根據(jù)零序電流和負(fù)序電流幅值設(shè)定整定值的保護(hù)策略；文獻(xiàn)[33]提出了一種基于差動電流分量與零序負(fù)序分量的微網(wǎng)保護(hù)策略，但是其針對的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為簡單，通用性不夠，在微網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜時，可能造成矛盾的結(jié)果；文獻(xiàn)[34]介紹了一種自適應(yīng)的繼電保護(hù)方案，其主要原理就是把采集到的電氣量信息與計算機(jī)存儲的信息進(jìn)行對比，從而確定故障區(qū)域和故障點(diǎn)；文獻(xiàn)[35]介紹了一種為分布式發(fā)電中方向繼電器提供保護(hù)算法的方案，文中采用了兩種算法，這兩種算法互為后備，但是由于算法中使用了零序分量，所以只能用于單相接地故障的檢測中，有一定的局限性。1.3本文的主要工作(1)對分布式發(fā)電的概念、分類、并網(wǎng)方式以及目前研究和發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。(2)對雙饋發(fā)電機(jī)組的機(jī)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，建立雙饋機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并以風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源搭建仿真模型，比較接入分布式電源前后線路發(fā)生故障時電壓電流的變化情況。針對分布式電源接入位置、注入容量不同時對饋線各處保護(hù)以及對自動重合閘的影響進(jìn)行理論分析，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。(4)根據(jù)含DG配電系統(tǒng)故障時的特點(diǎn)，計算各線路的短路電流，給出含DG的配電網(wǎng)線路電流保護(hù)的整定公式，包括I段，II段和III段保護(hù)，通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。(5)提出分布式發(fā)電系統(tǒng)下繼電保護(hù)的配置方案，并對含分布式電源配電網(wǎng)線路保護(hù)進(jìn)行初步分析和展望。第2章分布式發(fā)電概述碩士學(xué)位論文第2章分布式發(fā)電概述2.1分布式電源的概念分布式發(fā)電作為電力行業(yè)的第二次物質(zhì)革命展現(xiàn)在世人面前，但國內(nèi)外對分布式發(fā)電的具體含義仍沒有準(zhǔn)確的定義，甚至各國的叫法也大不相同：在英國，稱為嵌入式發(fā)電(EmbeddedGeneration)；在北美，稱為分散式發(fā)電(DispersedGeneration)；在歐洲和亞洲的部分國家，叫做非集中式發(fā)電(DecentralizedGeneration)。分布式發(fā)電一般是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至幾十兆瓦之間的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)和用戶來說是多用途的，可作為備用發(fā)電容量、削峰容量，也可承擔(dān)系統(tǒng)的基本負(fù)荷，還可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)同時為用戶提供電能和熱能。對于電力系統(tǒng)的運(yùn)行，分布式發(fā)電還可以起到電壓自動調(diào)節(jié)、電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)穩(wěn)定、電氣設(shè)備的熱起動和旋轉(zhuǎn)動能貯備等作用[36]。與遠(yuǎn)離負(fù)荷中心依靠遠(yuǎn)距離輸配的傳統(tǒng)電源相比，DG具有如下特點(diǎn)[37]：(1)提高電網(wǎng)的可靠性。DG可作為備用電源為要求不間斷供電的用戶提供電能，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，可通過啟動斷開裝置使DG與電網(wǎng)斷開，由DG獨(dú)立為用戶供電。(2)緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境。現(xiàn)階段燃煤發(fā)電仍是主要的發(fā)電手段，燃煤發(fā)電不僅消耗能源，而且環(huán)境污染較大，DG大量采用可再生能源和清潔能源(如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和生物能源發(fā)電等)，更加環(huán)保，還減少了對能源的依賴。(3)投資少，安裝和運(yùn)營具有更高的靈活性。由于容量及體積均較小，因此易于找到合適的安裝地點(diǎn)，可以方便地為邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)供電。同時，分布式電源多采用性能先進(jìn)的中小型、微型機(jī)組，操作簡單，有靈活的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。(4)經(jīng)濟(jì)性。由于DG可用發(fā)電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的階梯利用，從而可提高能源的利用效率(達(dá)70%-90%)，此外還可降低初期投資的費(fèi)用和網(wǎng)損。2.2分布式電源的分類目前，分布式發(fā)電研究熱點(diǎn)之一是可再生能源發(fā)電技術(shù)，包括水力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電，這些屬于比較成熟的技術(shù)，而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)峒昂Ｑ竽馨l(fā)電等都屬于新興的發(fā)電技術(shù)。對于使用燃料的分布式發(fā)電技術(shù)、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。下面介紹幾種分布式發(fā)電方式。(1)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電技術(shù)資源分布廣泛，技術(shù)成熟，是近年來發(fā)展應(yīng)用最廣的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量以每年20%～30%的速度增加。2007年全球風(fēng)電新裝機(jī)容量約為2000萬千瓦，累計裝機(jī)9400萬千瓦。2008年，風(fēng)電成為非水電可再生能源中第一個全球裝機(jī)超過1億千瓦的電力資源。歐洲和美國在風(fēng)電市場中占統(tǒng)治地位，其中德國是目前風(fēng)電裝機(jī)最多的國家，裝機(jī)容量超過2000萬千瓦?！笆濉逼陂g，中國的并網(wǎng)風(fēng)電也得到了迅速發(fā)展。2006年，中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到2600兆瓦，成為繼歐美和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場之一。到2008年，我國也已建成了250多個風(fēng)電場，新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到7190兆瓦，新增裝機(jī)容量增長率達(dá)到108%，累計裝機(jī)容量躍過13000兆瓦大關(guān)。風(fēng)力發(fā)電主要有兩類運(yùn)行方式[38]：一類是獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用小型風(fēng)電機(jī)組為蓄電池充電，在通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電向終端電器供電，單機(jī)容量一般約為100W～10kW；或者采用中型風(fēng)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)或太陽能光電池組成混合供電系統(tǒng)，系統(tǒng)容量一般約為10～200kW，可解決規(guī)模較小的社區(qū)用電問題。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能的最經(jīng)濟(jì)方式，機(jī)組單機(jī)容量范圍在200～2500kW之間，既可單獨(dú)并網(wǎng)，也可以有多臺，甚至成百上千臺組成風(fēng)力發(fā)電場。風(fēng)力發(fā)電主要是通過原動機(jī)(風(fēng)力機(jī))捕獲風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最后并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般分為鼠籠式異步發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、低速同步發(fā)電機(jī)等。按其并網(wǎng)方式將其分為二類：直接并網(wǎng)和通過逆變器并網(wǎng)。通過逆變器并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于逆變器的自身特性，不可能承受電網(wǎng)短路電流，所以，通過逆變器并網(wǎng)的風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)發(fā)生故障時，將會迅速關(guān)斷，使系統(tǒng)恢復(fù)到無DG的狀態(tài)。(2)光伏發(fā)電光伏發(fā)電自20世紀(jì)50年代第一塊太陽電池問世以來，從太空應(yīng)用到地面獨(dú)立電源，從屋頂發(fā)電到并網(wǎng)電站，經(jīng)歷半個多世紀(jì)后，該產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了“井噴式”發(fā)展。全球太陽電池產(chǎn)量1996～2006年10年間增長22倍，年復(fù)合增長率超過36%。2007年國內(nèi)太陽能電池的產(chǎn)量約為1100MW，而歐洲、日本和美國產(chǎn)量分別為1062MW，920MW，266MW，中國已成為名副其實(shí)的太陽能電池產(chǎn)量世界第一。“十一五”期間，我國在屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)方面[39]，以2008年奧運(yùn)會國家體育場鳥巢226.8KW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、國家體育館102.5KW以及五棵松體育館100KW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最具代表性，備受關(guān)注的上海世博會3MW屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)目前也已投入使用。在大型光伏并網(wǎng)電站的建設(shè)上，以甘肅敦煌10MW、云南昆明石林166MW以及青海柴達(dá)木盆地擬建設(shè)的GW級光伏并網(wǎng)電站最具代表性和期盼性。光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是由由光伏電池板、能量優(yōu)化控制器、電能存儲及逆變器等環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)一般分為兩大類[40]：獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立發(fā)電系一般是指供用戶單獨(dú)使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽能戶用電源系統(tǒng)，通信信號電源、陰極保護(hù)、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指與電網(wǎng)系統(tǒng)相連的光伏系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能可以輸入電網(wǎng)，可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時可緊急供電[41,42]。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。并網(wǎng)光伏發(fā)電有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，目前還沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。熱電聯(lián)產(chǎn)與冷熱電三聯(lián)產(chǎn)熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedheatandPower，簡寫為CHP)是指熱能與電能的聯(lián)合生產(chǎn)。CHP系統(tǒng)已在能源密集工業(yè)如造紙、紙漿和石油等行業(yè)應(yīng)用了一百多年，滿足了這些行業(yè)對于蒸汽和電力的需求。生產(chǎn)電能的動力裝置的排熱與余熱用于工業(yè)生產(chǎn)供熱與冬季采暖，使不同品質(zhì)的能量得到階梯利用。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)為的能源利用率達(dá)到70%以上，而即便當(dāng)今世界上最高效率的燃煤發(fā)電產(chǎn)廠，也只有50%的效率。為進(jìn)一步提高能源利用效率，在熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來了通過鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在背壓汽輪機(jī)或抽汽汽輪機(jī)發(fā)電的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，其排汽或抽汽，除滿足各種熱負(fù)荷外，還可做吸收式制冷機(jī)的工作蒸汽[43]，生產(chǎn)C冷水用于空調(diào)或工藝?yán)鋮s，便于減少冷凝損失、降低煤耗、提高能源利用率。(4)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電微型燃?xì)廨啓C(jī)起源于20世紀(jì)60年代，是單機(jī)功率為25～300千瓦的小功率燃?xì)廨啓C(jī)，它能利用天然氣、沼氣、汽油、柴油及烷類氣體等多種燃料。先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)不僅采用了可調(diào)節(jié)煙氣回?zé)崛紵夹g(shù)，還采用了空氣軸承、永磁發(fā)電機(jī)、晶體管變頻、智能化程序控制等技術(shù)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)己在歐美及日本等國獲得應(yīng)用。在美國，卡普斯頓公司已制造出65千瓦級微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，發(fā)電效率達(dá)到26%，年產(chǎn)量1萬臺；霍尼威爾公司開發(fā)成功了75千瓦級的發(fā)電設(shè)備，發(fā)電效率為28.5%。日本的多家企業(yè)，如東京電力、豐田汽車、三菱重工、出光興產(chǎn)、東京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美國卡普斯頓公司的技術(shù)開發(fā)熱電并用型系統(tǒng)[44]。微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國也已得到廣泛的重視與應(yīng)用。目前，在中科學(xué)技術(shù)部“863”項(xiàng)目支持下，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團(tuán)、西安交通大學(xué)三家單位組成的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體已經(jīng)完成100KW級微型燃?xì)廨啓C(jī)的樣機(jī)[45]設(shè)計，并通過了驗(yàn)收，預(yù)計在不久的將來推出市場。微型燃?xì)廨啓C(jī)(簡稱微燃機(jī))是指發(fā)電功率在幾百千瓦以內(nèi)的小型熱力發(fā)動機(jī)或動力裝置，由徑流式葉輪機(jī)械、單筒形燃燒室和回?zé)崞鳂?gòu)成，可分為單軸型和分軸型兩種。大多數(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動內(nèi)置式高速發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與壓氣機(jī)、透平同軸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在50000一120000r/min之間。發(fā)電機(jī)發(fā)出高頻交流電，轉(zhuǎn)換成高壓直流電后，再轉(zhuǎn)換為60Hz、480V的交流電。微型燃?xì)廨啓C(jī)具有可靠性高、壽命長、噪音低、體積小、污染低、油耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種分布式電源。(5)生物質(zhì)能發(fā)電生物質(zhì)能發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，自爆發(fā)世界性的石油危機(jī)后，歐美等國開始積極開發(fā)清潔的可再生能源，大力推行農(nóng)林業(yè)剩余物等生物質(zhì)發(fā)電。國外以高效直接燃燒發(fā)電為代表的生物質(zhì)發(fā)電在技術(shù)上已經(jīng)成熟。我國生物質(zhì)發(fā)電也有了三十多年的發(fā)展歷史，到2006年，我國生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量約為2000MW，其中蔗渣發(fā)電占了近90%，達(dá)到1700MW以上，主要是蔗糖廠蔗渣發(fā)電。近年來還發(fā)展了一大批秸稈直接燃燒發(fā)電廠，也取得了良好的社會效益和環(huán)境效益。截至2008年8月，我國累計核準(zhǔn)農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目130多個，總裝機(jī)容量約3000MW，已有25個生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)發(fā)電。從廣義上講，生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有動植物和微生物等。生物質(zhì)做蘊(yùn)含的能量稱為生物質(zhì)能，它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，是一種可再生能源。通常來說生物質(zhì)能資源包括以下幾類物質(zhì)：農(nóng)作物秸稈和水生植物可作燃料使用的部分、合理采伐的薪柴和木材加工的剩余物、能源植物、人畜糞便、有機(jī)廢水廢渣、城鎮(zhèn)垃圾等。生物質(zhì)能發(fā)電[46]有多種方式，其基本工藝流程為：生物質(zhì)能→預(yù)處理→生物質(zhì)能生產(chǎn)裝置→動力機(jī)→發(fā)電機(jī)→發(fā)電。目前生物質(zhì)能發(fā)電的主要包括直接燃燒發(fā)電、混合燃燒發(fā)電、氣化發(fā)電、沼氣發(fā)電、垃圾發(fā)電等五種形式。直接燃燒發(fā)電是指將生物質(zhì)在鍋爐中直接燃燒，生產(chǎn)蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)發(fā)電，其關(guān)鍵技術(shù)包括生物質(zhì)原料預(yù)處理、鍋爐防腐、鍋爐的原料適用性及燃燒效率、蒸汽輪機(jī)效率等技術(shù)[47]。生物質(zhì)的直接燃燒今后將會是我國生物質(zhì)能利用的主要方式?；旌先紵l(fā)電是指將生物質(zhì)與煤混合作為燃料發(fā)電，對生物質(zhì)原料預(yù)處理的要求較高，在技術(shù)方面，混合燃燒發(fā)電一般是通過改造現(xiàn)有的燃煤電廠實(shí)現(xiàn)的，只需在廠內(nèi)增加儲存和加工生物質(zhì)燃料的設(shè)備和系統(tǒng)，同時對原有燃煤鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造。氣化發(fā)電技術(shù)是指生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為氣體燃料，經(jīng)凈化后直接進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)中燃燒發(fā)電或者直接進(jìn)入燃料電池發(fā)電。其關(guān)鍵技術(shù)之一是燃?xì)鈨艋?，氣化出來的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分，焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)出去，以保證發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行。沼氣發(fā)電主要是利用工農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電。其關(guān)鍵技術(shù)主要是高效厭氧發(fā)酵技術(shù)、沼氣內(nèi)燃機(jī)和沼液沼渣綜合利用技術(shù)等。垃圾焚燒發(fā)電是利用垃圾在焚燒鍋爐中燃燒放出的熱量將水加熱獲得過蒸汽，推動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。(6)燃料電池發(fā)電早在1839年W.R.Grove提出了燃料電池的概念，距今已有170多年的歷史了。20世紀(jì)60年代以后，燃料電池的研究受到越來越多的管住和重視，發(fā)達(dá)國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。20世紀(jì)70年代，天津研究所也研制成功了石棉膜型動力排水的航天用氫氧燃料電池系統(tǒng)。在“九五”期間，燃料電池被列入國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目攻關(guān)計劃，加強(qiáng)了研究開發(fā)力度。燃料電池[48]是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。在燃料電池中，不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔?。燃料電池不同于常見的干電池與蓄電池，它不是能量儲存裝置，而是一個能量轉(zhuǎn)化裝置。一方面，需要不斷地向其供應(yīng)燃料和氧化劑，才能維持連續(xù)的發(fā)電輸出，供應(yīng)中斷，發(fā)電過程就結(jié)束。另一方面，燃料電池可以連續(xù)地對自身供給燃料并不斷排出生成物，只要供應(yīng)不斷，就可以連續(xù)地輸出電力。燃料電池系統(tǒng)主要包括發(fā)電系統(tǒng)、燃料重整供應(yīng)系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、水管系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、直流-交流逆變系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等。2.3分布式電源的運(yùn)行方式根據(jù)不同用戶的要求，DG有兩種運(yùn)行方式：并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行[49,50]。孤島運(yùn)行是指在一些特殊地理位置，由于連接到大電網(wǎng)的成本很高，DG可作為其獨(dú)立電力供應(yīng)源；在其他更多情況下，考慮到基于可再生能源的DG出力會受到自然條件的影響，為了提高對用戶供電的可靠性，DG應(yīng)該并入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對當(dāng)?shù)刎?fù)荷的電力補(bǔ)充。由于DG所采用的技術(shù)類型不同，發(fā)出的電有工頻交流電、直流電和高頻交流電之分。因此，DG與電力系統(tǒng)相連時，并網(wǎng)方式有直接并網(wǎng)(通過變壓器相聯(lián))和經(jīng)逆變器并網(wǎng)兩種方式，各種DG的并網(wǎng)方式如表2-1所示。表2-1DG的并網(wǎng)方式Table2-1ThemodeofDGconnectedtopowersystem技術(shù)類型輸出并網(wǎng)方式小型燃?xì)廨啓C(jī)AC直接并網(wǎng)水力發(fā)電AC直接并網(wǎng)太陽能熱發(fā)電AC直接并網(wǎng)生物質(zhì)能發(fā)電AC直接并網(wǎng)地?zé)岚l(fā)電AC直接并網(wǎng)潮汐發(fā)電AC直接并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電AC直接并網(wǎng)/逆變器并網(wǎng)光伏發(fā)電DC逆變器并網(wǎng)燃料電池DC逆變器并網(wǎng)2.3.1并網(wǎng)運(yùn)行方式并網(wǎng)運(yùn)行方式是指分布式電源通過PCC點(diǎn)與大電網(wǎng)互聯(lián)，與大電網(wǎng)之間有功率交換，當(dāng)負(fù)荷大于分布式電源發(fā)電時，微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收部分電能，反之，當(dāng)負(fù)荷小于分布式電源發(fā)電時，微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出多余電能。分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間存在以下四種關(guān)系[51]：(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行向附近用戶供電；(2)分布式發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行但與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)之間有自動轉(zhuǎn)換裝置；(3)分布式發(fā)電系統(tǒng)與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行但對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無輸出；(4)分布式發(fā)電系統(tǒng)與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行且對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能。分布式電源的并網(wǎng)系統(tǒng)包括：(1)在分布式電源和電網(wǎng)之間建立起物理聯(lián)系設(shè)備；(2)分布式電源與外界形成電氣聯(lián)系的手段，同時并網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)分布式電源單元的監(jiān)視、控制、測量、保護(hù)以及調(diào)度等功能。圖2-1中虛線框內(nèi)的組件就是實(shí)現(xiàn)分布式電源與電網(wǎng)之間聯(lián)系的并網(wǎng)系統(tǒng)。由圖2-1可知一個完整的并網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。圖2-1分布式發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，DR為分布式電源Fig.2-1SchematicdiagramofDGconnectedtopowersystem,DR-distributedgeneration2.3.2孤島運(yùn)行方式孤島運(yùn)行是指與大電網(wǎng)分開一部分網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行，由一個或多個分布式電源供電。孤島是一個沒有調(diào)節(jié)控制的電力系統(tǒng)，由于發(fā)電和供電之間的不平衡且孤島電網(wǎng)中沒有電壓、頻率控制，其特性是不可預(yù)知的。孤島運(yùn)行分為兩種[52,53]：計劃內(nèi)孤島運(yùn)行和計劃外孤島運(yùn)行。計劃外的孤島運(yùn)行是指在大電網(wǎng)發(fā)生故障或其電能質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)情況下，微電網(wǎng)可以以孤島方式獨(dú)立運(yùn)行。在這種方式下，可以保證微電網(wǎng)自身和大電網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而提高供電的可靠性和安全性，此時，微網(wǎng)的負(fù)荷全部由分布式電源承擔(dān)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型，微網(wǎng)可以主動與大電網(wǎng)隔離，獨(dú)立運(yùn)行，稱為計劃內(nèi)的孤島運(yùn)行。2.3.3分布式電源運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家已對DG并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。英國電力協(xié)會早在1991年就發(fā)布了《G59/1嵌入式發(fā)電并入地區(qū)配電網(wǎng)的推薦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》；加拿大在2003年7月完成了微電源的發(fā)展臨時準(zhǔn)則，這一準(zhǔn)則著重基于逆變器的微電源；國際電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)于2003年6月發(fā)布了“DG并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.1547”，2003年10月該標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)。IEEEStd.1547實(shí)際上是分布式電源一系列互連標(biāo)準(zhǔn)中的第一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1547對分布式發(fā)電裝置有嚴(yán)格的要求，規(guī)定了10MW以下DG互聯(lián)的基本要求，但也限制了分布式發(fā)電的運(yùn)行方式，使其優(yōu)勢和潛能受到一定的限制，這些研究和規(guī)定并沒有解決分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)問題。在我國，上海市電力公司和上海燃?xì)饧瘓F(tuán)公司聯(lián)合制定了《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》，上海市政府于2005年8月發(fā)文要求在全市范圍內(nèi)貫徹實(shí)施這一規(guī)程。國家電網(wǎng)公司于2010年8月發(fā)布了《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定Q/GDW480—2010》，規(guī)定指出接入系統(tǒng)原則為：(1)并網(wǎng)點(diǎn)的確定原則為電源并入電網(wǎng)后能有效輸送電力并且能確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。(2)當(dāng)公共連接點(diǎn)處并入一個以上的電源時，應(yīng)總體考慮它們的影響。分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%。(3)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10。(4)分布式電源接入電壓等級宜按照：200kW及以下分布式電源接入380V電壓等級電網(wǎng)；200kW以上分布式電源接入10kV（6kV）及以上電壓等級電網(wǎng)。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分布式電源采用低一電壓等級接入優(yōu)于高一電壓等級接入時，可采用低一電壓等級接入。但總體來說，我國在這方面的工作還比較滯后，特別是接入配電線路的DG的并網(wǎng)問題，沒有可供參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，急需啟動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了分布式發(fā)電的概念，并對多種分布式電源(包括風(fēng)電，光伏發(fā)電等)進(jìn)行了概述，以及對其運(yùn)行方式做了簡單介紹。第3章含風(fēng)電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析第3章含風(fēng)電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析3.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)電的隨機(jī)性使風(fēng)電場輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化中，相應(yīng)的風(fēng)電場吸收的無功功率也處于變化之中。在系統(tǒng)重負(fù)荷或者臨近功率極限運(yùn)行時，風(fēng)速的突然變化將成為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的擾動[54]。風(fēng)電場所在地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，而且需要消耗感應(yīng)無功功率，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。目前世界上流行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大體上可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩大類。恒速恒頻系統(tǒng)采用同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)，風(fēng)速變化時，系統(tǒng)通過一定的調(diào)節(jié)，保持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電頻率[55]的恒定。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)的控制中來獲取高質(zhì)量的電能，已成為近年來的研究熱點(diǎn)。在新安裝的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，現(xiàn)在最常用的是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)。雙饋感應(yīng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以提高風(fēng)能捕獲能力和轉(zhuǎn)換效率，改善并優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件，便于順利實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作，是一種優(yōu)化的具有良好應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電解決方案[56]。雙饋發(fā)電機(jī)[57-59]又稱為交流勵磁發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子均安放對稱三相繞組。定子繞組有頻率恒定的對稱三相電源激勵，轉(zhuǎn)子繞組由頻率可調(diào)的對稱三相電源激勵，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差頻率確定。定子側(cè)直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)過交直交變頻器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機(jī)交流勵磁，勵磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其中勵磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。雙饋發(fā)電機(jī)除通過定子向電網(wǎng)潰入功率之外，還通過部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，并可以通過變頻器的控制對整個雙饋電機(jī)的有功功率和無功功率分別進(jìn)行控制。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、變流器、控制檢測系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-1Theschematicdiagramofdouble-fedwindgenerator(1)風(fēng)力機(jī)：主要部分有葉片、輪轂、齒輪箱等。葉片用于捕捉風(fēng)能并通過輪轂、齒輪箱等轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行傳遞。(2)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)雙向變流器接入所需低頻勵磁電流[60]。因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可能有能量的饋送，所以稱為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(3)變流器：變流器采用功率可雙向流動的電壓源型交-直-交PWM變流器。網(wǎng)側(cè)變頻器主要是保證電流波形和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線處電壓的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子變流器主要任務(wù)一是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最大捕獲；二是可以通過改變勵磁電流的幅值和相位，調(diào)節(jié)定子無功功率。(4)控制系統(tǒng)：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)包括電氣控制與變槳距角控制。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時采用最大功率跟蹤策略來實(shí)現(xiàn)對最大風(fēng)能的捕獲；當(dāng)風(fēng)速增加到大于額定風(fēng)速時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定功率附近。3.2雙饋發(fā)電機(jī)的建模與仿真3.2.1風(fēng)速模型作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的空氣流，也稱之為風(fēng)能，是風(fēng)電系統(tǒng)的原動力，具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)[61-63]。為了能精確描述風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，在研究中，通常用四種成分的風(fēng)速來模擬：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。(1)基本風(fēng)可由風(fēng)電場測風(fēng)所得的威布爾(Weibull)分布參數(shù)近似確定：(3-1)式中：為基本風(fēng)速(m/s)；C、k為威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；為伽馬函數(shù)。當(dāng)考慮秒級時間段的計算時，基本風(fēng)速可視為常數(shù)?；撅L(fēng)速用Simulink中的常量模型模擬如下：圖3-2基本風(fēng)模型圖Fig.3-2Themodeldiagramofmeanwind(2)陣風(fēng)描述風(fēng)速突然變化的特性一般用陣風(fēng)來表示：(3-2)(3-3)式中：為陣風(fēng)風(fēng)速最大值(m/s)；為周期(s)；為啟動時間(s)。取參數(shù)，，，陣風(fēng)用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-3陣風(fēng)模型圖Fig.3-3Themodeldiagramofgustwind(3)漸變風(fēng)對風(fēng)速的漸變特性可以用漸變風(fēng)成分來模擬：(3-4)(3-5)式中：為最大值(m/s)；為起始時間(s)；為終止時間(s)，為保持時間(s)。取參數(shù)，，，，陣風(fēng)用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-4漸變風(fēng)模型圖Fig.3-4Themodeloframpwind(4)隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速變化的隨機(jī)性可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速成分來表示：

(3-6)(3-7)(3-8)式中：為之間均勻分布的隨機(jī)變量；為第個分量的角頻率；機(jī)變量的離散間距；為風(fēng)場表面阻力系數(shù)；為風(fēng)速波動規(guī)模系數(shù)(m2)；為相對高度的平均風(fēng)速(m/s)；為風(fēng)速隨機(jī)分量分布譜密度(m/s)。綜合上述四種風(fēng)速成分，模擬實(shí)際作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速[64]為(3-9)3.2.2風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變換為機(jī)械能的能量裝置，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電的重要設(shè)備。風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、對風(fēng)裝置（偏航系統(tǒng)）、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制與安全系統(tǒng)等組成。風(fēng)力機(jī)的吸收功率是風(fēng)速的函數(shù)，可表示為：(3-10)式中：為空氣密度()；為風(fēng)能利用系數(shù)；為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積；為風(fēng)速()。由風(fēng)力驅(qū)動而產(chǎn)生的葉片轉(zhuǎn)矩可表示為：(3-11)式中：為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為葉片半徑(m)；為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度(rad/s)；為風(fēng)力機(jī)額定功率(kw)；為風(fēng)速()。通過以上對風(fēng)力機(jī)原理及特性的分析，建立風(fēng)力渦輪機(jī)模型如圖3-5所示：圖3-5風(fēng)力機(jī)的模型圖Fig.3-5Themodelofwindturbine3.2.3雙饋發(fā)電機(jī)模型雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，電路、磁路呈對稱分布，并且d軸和q軸的阻抗是完全相等的，可列出其dq方程如下：電壓方程如下：(3-12)式中：下標(biāo)為s的表示定子量，下標(biāo)為r的表示轉(zhuǎn)子量，下標(biāo)為1的表示電網(wǎng)量，p為微分算子。繞組磁鏈方程如下：(3-13)式中：表示勵磁電感。電磁轉(zhuǎn)矩方程為：(3-14)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為：(3-15)式中：表示慣性時間常數(shù)，D表示阻尼系數(shù)。聯(lián)立(3-12)-(3-15)，求解就可準(zhǔn)確描述雙饋式發(fā)電機(jī)的全部動態(tài)行為。3.2.4傳動機(jī)構(gòu)模型風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間通過傳動機(jī)構(gòu)相連，傳動機(jī)構(gòu)一般由輪轂、傳動軸和齒輪箱組成。在建模中，一般用一階慣性環(huán)節(jié)表示其特性。傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程可以表示為：(3-16)式中：為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為傳動機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為輪轂時間常數(shù)(s)。傳動機(jī)構(gòu)的搭建Simulink模型如圖3-6所示：圖3-6傳動機(jī)構(gòu)模型圖Fig.3-6Themodelofdrivegear3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)分析MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(MatrixLaboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。MATLAB軟件已推出了電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)、控制系統(tǒng)工具箱(ControlSystemToolbox)、信號處理工具箱(SignalProcessingToolbox)、數(shù)字信號處理模塊(DSPBlock)、濾波器設(shè)計工具箱(FilterDesignToolbox)、小波分析工具箱(WaveletToolbox)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(NeuralNetworkToolbox)，在電力系統(tǒng)方面[65,66]的應(yīng)用已經(jīng)成熟。對比多種仿真軟件，本文選用電力軟件MATLAB對含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析。使用MATLAB軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，具有3個突出的優(yōu)勢。電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)功能強(qiáng)大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型，并提供了可自己變成的方式創(chuàng)建適合的元件模型。強(qiáng)大的MATLAB平臺。在相同的平臺上，MATLAB的數(shù)值運(yùn)算功能為進(jìn)行電力工程方面的運(yùn)算提供了強(qiáng)有力的后盾。友好的界面。從電力系統(tǒng)仿真、到數(shù)值計算、圖形處理、再到信號分析，MATLAB不僅提供了各類問題的解決方案，更重要的是使這些技術(shù)變得尤為輕松簡單。首先，對沒有接入風(fēng)電的110kV配電網(wǎng)線路進(jìn)行仿真，具體模型如圖3-7所示。無窮大系統(tǒng)取為110kV電源經(jīng)線路和變壓器降壓為35kV和690V(方便與風(fēng)電并網(wǎng)后比較)。圖3-7配電線路的simulink模擬圖Fig.3-7Thesimulinkmodeldiagramofdistributionline當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，配電線路(line2)仿真所得的電壓、電流波形如圖3-8所示(藍(lán)色代表A相，綠色代表B相，紅色代表C相)，橫坐標(biāo)表示仿真時間，縱坐標(biāo)采用標(biāo)幺值(pu)來表示，易于進(jìn)行計算和對結(jié)果的分析比較。(a)正常運(yùn)行下電壓波形(b)正常運(yùn)行下電流波形圖3-8正常運(yùn)行線路電壓、電流波形Fig.3-8Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationoftheline當(dāng)配電線路(line2)發(fā)生各種故障時，仿真所得的電壓、電流波形如圖3-9、圖3-10、圖3-11所示。在0.05s時刻發(fā)生故障，0.08s時刻清除故障。(a)三相故障時電壓波形(b)三相故障時電流波形圖3-9三相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-9Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultoftheline(a)BC兩相故障時電壓波形(b)BC兩相故障時電流波形圖3-10BC兩相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-10ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultoftheline(a)單相接地故障時電壓波形(b)單相接地故障時電流波形圖3-11A相單相接地故障時線路電壓、電流波形Fig.3-11ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultoftheline由圖3-9可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生三相短路時，故障電流達(dá)到近4pu，電壓下降，接近于0。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。由圖3-10可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生BC兩相短路時，故障電流達(dá)到0.75pu，正常相電壓變化較小，故障相電壓降為0.5倍左右的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。由圖3-11可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生單相接地短路時，故障電流達(dá)到0.45pu，故障相電壓降為0，正常相電壓達(dá)到1.8倍的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大，由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不可控性，向系統(tǒng)提供的短路電流也越來越大，對原有的系統(tǒng)保護(hù)會產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動。本節(jié)使用MATLAB中的SIMULINK環(huán)境，選擇雙饋式風(fēng)電機(jī)組作為此處仿真的模型[67]，對圖3-12所示的帶有風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源的配電網(wǎng)線路進(jìn)行仿真，具體如圖3-13所示，仿真模型的主要參數(shù)如下：(1)取雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為1.5MVA，發(fā)電機(jī)出口電壓有效值為0.69kV，額定頻率為50Hz，通過升壓將電壓升至35kV，再通過升壓將電壓由110kV與系統(tǒng)相連。(2)風(fēng)力渦輪機(jī)參數(shù)：取基本風(fēng)速為12m/s，額定機(jī)械輸出容量為1.5MW。(3)風(fēng)速參數(shù)：風(fēng)速輸入設(shè)為基本風(fēng)速為8m/s，從1s開始輸入陣風(fēng)，陣風(fēng)幅值為4m/s，持續(xù)1s。(4)在配電線路末端接500KW三相串聯(lián)RLC負(fù)載。圖3-12雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)連接示意圖Fig.3-12Thediagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem圖3-13雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的simulink模擬圖Fig.3-13Thesimulinkmodeldiagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，配電線路(line2)仿真所得的電壓、電流波形如圖3-14所示。(a)正常運(yùn)行時電壓波形(b)正常運(yùn)行時電流波形圖3-14風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后正常運(yùn)行線路電壓、電流波形Fig.3-14Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當(dāng)配電線路(line2)發(fā)生各種故障時，仿真所得的電壓、電流波形如圖3-15、3-16、3-17所示。在0.05s時刻發(fā)生故障，0.08s時刻清除故障。(a)三相故障時電壓波形(b)三相故障時電流波形圖3-15風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后三相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-15Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)BC兩相故障時電壓波形(b)BC兩相故障時電流波形圖3-16風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后BC兩相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-16ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)單相接地故障時電壓波形(b)單相接地故障時電流波形圖3-17風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后A相單相接地故障時線路電壓、電流波形Fig.3-17ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem由圖3-14可以看出，與圖3-8中未接入風(fēng)電機(jī)組線路正常運(yùn)行時的電壓、電流波形相比較，當(dāng)系統(tǒng)接入風(fēng)電機(jī)組(6*1.5MW)后，作為助增電源，風(fēng)電機(jī)組的接入對線路電壓幾乎沒有影響，電流大小稍有增加，但是變化不大。由圖3-15可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生三相短路時，故障電流達(dá)到近5pu，電壓下降，接近于0。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。對比接入風(fēng)電機(jī)組分布式電源前后，在相同位置同樣發(fā)生三相短路時，接入風(fēng)電機(jī)組后短路電流都有較大增加，已經(jīng)超過了無風(fēng)電機(jī)組接入情況下短路電流的20%，會影響到配電網(wǎng)線路速斷保護(hù)。由圖3-16可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生兩相短路時，故障電流達(dá)到1.5pu，正常相電壓變化較小，故障相電壓降為0.5倍左右的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。對比接入風(fēng)電機(jī)組分布式電源前后，在相同位置同樣發(fā)生兩相短路時，接入風(fēng)電機(jī)組后短路電流都有較大增加，超過了無風(fēng)電機(jī)組接入情況下的短路電流，對配電網(wǎng)線路的速斷保護(hù)造成影響。由圖3-17可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生單相接地短路時，故障電流達(dá)到0.5pu，故障相電壓降為0，正常相電壓達(dá)到1.8倍的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。對比接入風(fēng)電機(jī)組分布式電源前后，在相同位置同樣發(fā)生單相接地短路時，接入風(fēng)電機(jī)組后短路電流變化不大。3.4本章小結(jié)本章主要對雙饋發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并對風(fēng)速、風(fēng)力渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)建立了數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型搭建其仿真模型。以風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源，使用MATLAB/SIMULINK軟件對110kV配電線路進(jìn)行仿真分析，比較了接入分布式電源前后線路發(fā)生故障時電壓電流的變化情況。第4章分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響第4章分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響4.1傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)配置簡介目前，我國的中低壓配電網(wǎng)大都是單側(cè)電源，輻射型的配電網(wǎng)絡(luò)，一般裝設(shè)三段式電流保護(hù)，同時起到主保護(hù)與后備保護(hù)的作用。幾乎所有10kV或者35kV饋線[68]都是從35kV至220kV變電站母線送出，大部分饋線都屬于直接向用戶供電的終端線路，只有部分10kV饋線通過其他變電所10kV母線轉(zhuǎn)供其他10kV終端線路，屬非終端線路。三段式電流保護(hù)包括無時限電流速斷保護(hù)、帶時限電流速斷保護(hù)和定時限過電流保護(hù)。其中，電流速斷保護(hù)(I段)按照躲過線路末端短路時流過保護(hù)的最大三相短路電流的方法整定，瞬時動作切除故障，不能保護(hù)線路全長；帶時限電流速斷保護(hù)(II段)按照躲過相鄰下一元件電流速斷保護(hù)的動作電流整定，能夠保護(hù)本線路全長；定時限過電流保護(hù)(III段)按照躲過線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路的過電流保護(hù)配合的方法整定，做相鄰線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備，能夠保護(hù)相鄰線路的全長。對于非終端線路，線路保護(hù)一般采用三段式電流保護(hù)與其它保護(hù)相配合；對于不存在與相鄰線路配合問題的終端線路，為簡化保護(hù)配置，大多采用電流速斷保護(hù)加過電流保護(hù)組成的二段式保護(hù)，再配以三相一次重合閘(前加速)的保護(hù)方式，對于非全電纜線路，配置三相一次重合閘，保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時，快速恢復(fù)供電。4.2分布式電源接入位置對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析DG一般通過10kV饋線接入配電系統(tǒng)，由于其容量小，在配網(wǎng)中接入位置不確定，我們分別在不同位置處接入DG，針對配電網(wǎng)中廣為配置的三段式電流保護(hù)，分析不同情況下DG對各電流保護(hù)及其動作行為的影響[69,70]。4.2.1分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端如圖4-1(a)所示，分布式電源接在饋線末端母線D上，饋線1變?yōu)殡p側(cè)電源供電線路，饋線2仍然可視為單側(cè)電源供電線路。假設(shè)參數(shù)：系統(tǒng)等值電動勢為，分布式電源等值電動勢為；系統(tǒng)阻抗為，分布式電源阻抗；變壓器等效阻抗為；AB、BC、CD和AE線路阻抗分別為~，、、和分別表示線路AB、BC、CD和AE的短路點(diǎn)距各自母線的距離占該段輸電線路的百分比，以上參數(shù)均取標(biāo)幺值，等效電路如圖4-1(b)所示。(a)分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端(b)等效電路圖圖4-1分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端及等效電路圖Fig.4-1DGconnectedtotheendoffeederofdistributionnetworkandtheequivalentcircuitdiagram(1)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，引入DG前后，保護(hù)1感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側(cè)提供，大小不變，因此保護(hù)1的動作行為不受DG影響，能夠準(zhǔn)確動作切除保護(hù)范圍內(nèi)的故障。同時，DG通過保護(hù)2，保護(hù)3向故障點(diǎn)提供短路電流，該短路電流有可能引起保護(hù)2，保護(hù)3的誤動作而使DG右側(cè)的系統(tǒng)形成孤島，這時要考慮DG的帶負(fù)荷能力和系統(tǒng)重合閘時的同期問題[71,72]。此時流過保護(hù)1，保護(hù)2，保護(hù)3的短路電流為：(4-1)(4-2)(2)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，情況與點(diǎn)發(fā)生短路時類似，這里就不做具體分析了。(3)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，在點(diǎn)發(fā)生短路時，保護(hù)3感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側(cè)提供，大小不變，因此保護(hù)3能夠正常動作于故障，但是保護(hù)3動作后，DG仍向故障點(diǎn)提供短路電流，使故障點(diǎn)電弧[73]不能熄滅，線路重合閘不成功，導(dǎo)致瞬時性故障的停電時間延長。因此，需要在線路CD靠近母線D側(cè)加設(shè)保護(hù)裝置和方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)，并動作切除故障，使DG不再向故障點(diǎn)提供短路電流。此時流過保護(hù)1、2和3的短路電流為：(4-3)(4)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，DG向短路點(diǎn)提供反向故障電流，流過保護(hù)1、2和3，有可能造成這三個保護(hù)的誤動作，失去選擇性，擴(kuò)大故障范圍。同時，DG注入的短路電流對流過保護(hù)4的短路電流產(chǎn)生助增作用，有可能使保護(hù)4的保護(hù)范圍延伸到下一級線路，導(dǎo)致無法保證選擇性。此時流過保護(hù)1、2、3和4的短路電流可通過如圖4-2所示的計算等值圖求出，其中表示流過保護(hù)1、2和3的短路電流，表示流過系統(tǒng)側(cè)的短路電流，表示流過保護(hù)4的短路電流。圖4-2計算等值圖Fig.4-2Theequivalentdiagramofcalculation解得，流過保護(hù)1、2、3和4的短路電流為：(4-4)(4-5)其中：(4-6)(4-7)4.2.2分布式電源接在配電網(wǎng)饋線非末端母線上圖4-3分布式電源接在配電網(wǎng)饋線非末端母線上Fig.4-3DGconnectedtothenonterminalbusoffeederofdistributionnetwork(1)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，保護(hù)1能動作切除故障，但由于DG的存在，該動作會引起DG右側(cè)的系統(tǒng)變?yōu)楣聧u運(yùn)行，而由于母線B與故障點(diǎn)之間沒有保護(hù)裝置，分布式電源始終向故障點(diǎn)提供短路電流，使故障點(diǎn)電弧不能熄滅，線路重合閘不成功，導(dǎo)致瞬時性故障的停電時間延長。(2)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，DG注入的短路電流對流過保護(hù)2的短路電流產(chǎn)生助增作用，有可能使保護(hù)2的保護(hù)范圍延伸到CD段線路上，將會與保護(hù)3失去配合，無法保證選擇性[74]。下面分析DG接入對保護(hù)1的影響。通過4.2.1中(4)的分析方法，可以得到如下公式：(4-8)(4-9)其中：(4-10)(4-11)由于DG對流過保護(hù)1的短路電流有汲流作用，而對流過保護(hù)3的短路電流有助增作用。DG短路電流的注入使保護(hù)1的保護(hù)范圍減小，降低其靈敏性，可能使保護(hù)拒動，嚴(yán)重情況下，保護(hù)1的限時電流速斷保護(hù)將不能作為下一級線路的后備保護(hù)。而流過保護(hù)2的短路電流增加，會使保護(hù)2的限時電流速斷保護(hù)范圍增大，可能與保護(hù)3的I段保護(hù)失去配合，無法保證選擇性。(3)點(diǎn)短路與前面4.2.1中(4)的情況類似，在此就不作詳細(xì)說明。4.2.3分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端圖4-4分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端Fig.4-4DGconnectedtothebeginningoffeederofdistributionnetwork分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端的母線上時，僅相當(dāng)于增大了系統(tǒng)容量，盡管線路上發(fā)生故障時短路電流會增大，但由于分布式電源與系統(tǒng)相比容量仍然很小，因此，，故障時DG對各個保護(hù)的影響都很小。通過以上分析，總結(jié)起來，分布式電源對配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響主要包括三方面：(1)分布式電源接入會降低保護(hù)的靈敏度。當(dāng)DG下游發(fā)生故障時，由于分布式電源的汲流作用，使得流過DG所在線路保護(hù)的故障電流小于相同故障情況下未接入分布式電源時流過該保護(hù)的故障電流，因此減小了線路保護(hù)檢測到的故障電流值，降低了保護(hù)的靈敏度，可能造成保護(hù)拒動。(2)分布式電源接入造成上游保護(hù)誤動。當(dāng)相鄰線路發(fā)生故障時，DG提供的短路電流流過上游保護(hù)，有可能造成保護(hù)誤動。因此，在保護(hù)裝置下游接有分布式電源時，在保護(hù)的上游發(fā)生故障時，都有故障電流流過保護(hù)裝置，而由于它沒有方向原件，一旦故障電流超過整定值，保護(hù)將動作而失去選擇性。(3)對保護(hù)范圍的影響。與不接分布式電源相比，對于同一故障點(diǎn)，分布式電源對下游保護(hù)提供助增電流，這將使得下游保護(hù)的保護(hù)范圍增大，影響保護(hù)的選擇性；而上游保護(hù)流過的故障電流減小，使得上游保護(hù)（線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)）的保護(hù)范圍減小，降低保護(hù)的靈敏度。4.3分布式電源接入容量對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析(a)故障發(fā)生在DG上游的配電網(wǎng)(b)系統(tǒng)等效圖圖4-5故障發(fā)生在DG上游的配電網(wǎng)及等效電路圖Fig.4-5ThefaultoccurredupstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram(1)當(dāng)故障發(fā)生在DG上游時DG容量對保護(hù)的影響如圖4-5(a)所示，分布式電源DG接于母線C上，故障發(fā)生在處。假設(shè)系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護(hù)2的短路電流為：(4-12)如果DG沒有接入系統(tǒng)，則短路時保護(hù)2上沒有電流流過，保護(hù)2不會動作，而當(dāng)DG接入后，流過保護(hù)2的短路電流會隨著容量的增加而增大，當(dāng)容量增大到一定程度時，流過保護(hù)2的電流將超過其整定值，保護(hù)2將動作于跳閘。(2)當(dāng)故障發(fā)生在DG下游時DG容量對保護(hù)的影響(a)故障發(fā)生在DG下游的配電網(wǎng)(b)系統(tǒng)等效圖圖4-6故障發(fā)生在DG下游的配電網(wǎng)及等效電路圖Fig.4-6ThefaultoccurreddownstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram如圖4-6(a)所示，分布式電源DG接于母線B上，故障發(fā)生在處。假設(shè)系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護(hù)2的短路電流與式(4-9)一致：(4-13)其中：(4-14)(4-15)從式(4-13)中可以看出，DG接入容量對系統(tǒng)的故障電流有顯著影響。隨著的增大而不斷增大，雖然流過保護(hù)1的電流會因?yàn)镈G支路的分流而減小，但其減小的幅度不會超過增大的幅度，因此流經(jīng)保護(hù)2的故障電流也隨之不斷增大，保護(hù)2的靈敏性增加，但是保護(hù)2的限時電流速斷保護(hù)范圍增大，可能與保護(hù)3的I段保護(hù)失去配合，無法保證選擇性。4.4分布式電源接入對自動重