分布式电源在配网保护中的作用和改进

引言

　　为弥补大电网单一集中供电的缺陷，分布式发电这种新的发电方式发展非常迅速。分布式电源是一般分布在配电网中的，功率为10 kW～30 MW 的小型辅助电源，包括风能、太阳能及生物能源发电等多种多样的发电形式。当故障发生时，多电源共同向故障点注入电流，势必扰乱原有的保护配置方式，影响保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性，引起保护和重合闸装置的拒动和误动。本文对各种故障情况进行分析，进行仿真予以验证并提出相关改进措施。分布式发电是现代电网的发展趋势，解决由此引起的相关问题具有非常重要的现实意义。

　　分布式电源在接入配电系统后，改变了系统原有的结构和接线方式，由单电源供电变为两端供电或多电源供电，增加了支路数量，系统故障情况变得复杂。当系统发生短路故障时，两个以上的电源均提供短路电流，这扰乱了原有的继电保护配置方式。本文利用PSCAD/EMTDC，对各种不同情况下的分布式电源接入情况进行分析，分析了分布式发电对配网保护的影响并提出相应的改进措施。

　　1 分布式电源自身的保护要求

　　接入配电网的DG 主要包括风电、太阳能发电、生物发电、燃料电池和家用小型发电机等。其种类可以分为三种，分别为同步发电机、异步发电机和DC － AC 逆变型电源（经电力电子器件连接到电网）。

　　同步发电机对故障电流具有最直接的影响，在故障之后的第一时间，故障电流的波形基本上决定于发电机的参数。同步发电机在发生故障时能够输出很高的短路电流，数值上能够达到额定电流的3 倍，并且维持很长一段时间。

　　异步发电机直接连入系统，不需要额外的电力电子0.2～0.3 s 衰减为零。

　　分布式电源中的逆变型电源的控制方式有电压型和电流型两种，并且这两种控制方式大都以恒定功率输出的。其故障电流会因为内部控制方式的响应不同而衰减周期不同，逆变型电源一般会装设欠电压保护，当电压过低时自动切断与电网联系，所以其故障电流一般不会超过额定值的2 倍。

　　作为分布式电源所配备的保护来说，既要考虑到发电机自身可能造成的故障，又要考虑到由于配网外部故障而对其可能造成的影响。所以针对分布式电源来讲需要另外考虑到由于配网内部故障而需设置负荷不对称保护、欠电压保护、过电压保护、频率保护以及零序过电压保护等。

　　2 分布式发电对电流保护的影响

　　在如图1所示配电网模型中，假设配电网中设置三段式电流保护，并且整定值都是在分布式电源接入之前设置好的。假设溃线2 末端母线C 上接入了分布式电源Sg。

　　（1）当K1 点发生故障时，主系统和分布式电源同时向短路点注入短路电流，即：

　　式中：If——故障电流；IS——系统提供短路电流；Ig——分布式电源提供的短路电流。

　　流过保护1 的短路电流较接入分布式电源之前有所增加，增加了保护1 的灵敏性和可靠性。此时保护1 能够准确动作，即时切断故障线路。但是如果因为这种助增作用而使短路电流增大过多的话，则会引起保护2的误动作，扩大了停电范围。

　　（2）当K2 点发生故障时，母线A 至短路点流过的电流IS 与分布式电流接入之前并无太大变化，所以并未对保护3 产生影响，保护3 能够准确动作，但此时分布式电源仍然向短路点注入短路电流Ig，并且单独向下游供电，由于功率和负荷相差悬殊，有可能会因为电压急剧降低而造成电网崩溃。所以在这种情况下，需要在母线C 左侧也装设断路器，并由保护3 引发动作信号，在故障时同时动作以切除故障。

　　（3）当K3 点发生故障时，由分布式电源提供的短路电流同时流过保护3、保护4 和保护6，如果此时短路电流足够大就会引起保护3 和保护4 的误动作。                       

　　3 分布式发电对重合闸装置的影响

　　电网故障大所数都是瞬时性故障，所以大都装设有重合闸装置，可以在瞬时故障时迅速重合，使电网恢复正常运行。前加速重合闸主要用于35 kV 以下由发电厂或重要变电所引出的支配线路上，配电网电压等级较低，故主要装设前加速重合闸。如图2 所示，假设两条馈线始端均装设前加速自动重合闸。

　　保护4 跳动先切除故障，之后重合闸装置起动，保护4重合。若为瞬时性故障，则重合成功。在接入分布式电源后，则在保护重合之后，分布式电源持续向故障点注入短路电流，故障点的电弧持续存在，则可能导致绝缘击穿，使瞬时故障发展成永久故障。

　　2）由于分布式电源的接入，馈线AC 段两端为双端供电。当线路AC 段发生故障时，为彻底切除故障，线路两端断路器需要同时动作，再次重合时会涉及到检同期问题。若两端电源两端功角摆开较大，则会产生很大的的冲击电流，对电力系统和电气元件产生冲击。

　4 算例分析

　　本算例中以图1中的10 kV 配电网为例，利用仿真软件PSCAD 进行仿真，系统容量SB ＝ 100 kV·A ，母线电压UB ＝ 10.5 kV，在各节点处接入恒功率负荷SN ＝6 MV·A，cos ＝ 0.85，选取系统的运行方式为最大运行方式，系统参数为Xsmin＝0.091Ω，Lsmin＝0.000 29 H。

　　可得到馈线2上保护1～4流过的最大短路电流值，取Krel′＝1.25，Krel″＝1.3，可得到速断电流速断保护和限时电流保护的整定值，如表1 所示。

　　分别在DE、CD、BC、AB 和AF 处的设置三相接地短路，可以得到流过保护的短路电流，如表2 所示。

　　对比表1 和表2 可以分析得：

　　1）当线路DE 发生故障时，本应保护4 动作切断故障线路，可由于分布式电源的助增作用使得故障电流增大，将可能触发保护3 误动作。这种情况可以在分布式电源下方加装限流电抗或者故障限流器。

　　2）当线路CD 发生故障时，则因为分布式电源的助增作用增大了保护3 的灵敏度。

　　3）当线路BC 发生故障时，保护3 动作后变为分布式电源的孤岛供电，可能会使电压急剧降低而造成系统崩溃，所以在这种情况下应当在保护3 的对侧增加断路器，并由保护3 引发动作信号。同理在保护1 的对侧也应装设断路器。

　　4）当线路AF 发生故障时，分布式电源提供的短路电流流经保护4，保护4 会发生误动作。可以通过在保护4 处加装方向元件而加以改进。

　　5 相关的改进措施

　　1）以分布式电源为界，在分布式电源上游两侧加装方向性元件，在保护的对侧加装断路器。当一段线路两端的功率注入方向为一正一负时，则可以判定为本区域内故障。对于分布式电源的下游线路，可以将分布式电源当作助增电源，重新进行整定保留原有的三段式电流保护，并在每段线路。

　　2）故障限流器（FCL）在电网正常运行时，阻抗为零；而在线路发生短路故障，电流增大时，对外表现为高阻抗。在线路中加装故障限流器，减小故障电流，可解决这一问题。或者也可选用超导故障限流器（SFCL）等，其具有更为完善的功能。

　　3）加装以其他电气量为度量单位的保护，例如方向比较式纵联保护，即利用输电线路两端功率方向相同或相反的特征来判断是区内故障还是区外故障。

　　6 结语