顧定軍
(舟山電力局,浙江 周山 316000)
分布式發(fā)電(distributed generation—簡(jiǎn)稱DG)是指在用戶側(cè)或靠近用戶側(cè)配置的小型發(fā)電裝置,包括小型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、水力發(fā)電、燃料電池等。當(dāng)前,以環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性為特色的DG技術(shù)正在發(fā)達(dá)國(guó)家蓬勃發(fā)展,大電網(wǎng)與DG結(jié)合被認(rèn)為是保護(hù)環(huán)境、降低損耗、提高供電可靠性和靈活性的電力供應(yīng)方式,是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向[1]。DG技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重影響,如何應(yīng)對(duì)DG 的接入是國(guó)家電網(wǎng)公司在智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程中必須要面臨的新課題。
由于DG的容量較小,一般就近接入配電網(wǎng)。DG接入系統(tǒng)后將改變配電網(wǎng)的潮流分布、短路電流的流向、大小,從而深刻影響配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制、繼電保護(hù)配置及正確動(dòng)作、網(wǎng)絡(luò)損耗、電能質(zhì)量及供電可靠性。本文分析了DG的接入對(duì)電網(wǎng)造成的各種影響,并提出了消除負(fù)面影響的措施。
傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一個(gè)放射狀結(jié)構(gòu)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò),潮流是單向流動(dòng)的,為了使配網(wǎng)在不同的負(fù)荷下維持相對(duì)穩(wěn)定的電壓水平,其電壓調(diào)整主要依靠上級(jí)變電站內(nèi)變壓器有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的切換及無(wú)功補(bǔ)償電容器的投退來(lái)實(shí)現(xiàn),VQC裝置根據(jù)主變負(fù)載情況,電壓水平等因數(shù)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)位置,一般采用逆調(diào)壓方式即當(dāng)主變負(fù)荷增大時(shí),調(diào)高主變二次側(cè)電壓。DG接入后,其注入的有功功率和無(wú)功功率改變了無(wú)源配網(wǎng)的本質(zhì),擾亂了原來(lái)的潮流流向,很難用傳統(tǒng)的控制策略執(zhí)行電壓調(diào)整,其影響超過(guò)調(diào)壓能力時(shí)將導(dǎo)致配網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)的電壓水平超標(biāo),DG接入電網(wǎng)后對(duì)電壓的影響主要通過(guò)改變電網(wǎng)阻抗上有功及無(wú)功潮流來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖1)。
圖1 DG接入配網(wǎng)對(duì)電壓調(diào)整的影響示意圖
在出線L1末端接有DG,發(fā)電機(jī)出力增大時(shí),主變的負(fù)荷將減小,VQC將其抽頭往二次電壓低的方向調(diào)整,同時(shí)母線與并網(wǎng)點(diǎn)間的壓降減少,當(dāng)出力達(dá)到出線L1的負(fù)荷時(shí),壓降為0,而當(dāng)出力繼續(xù)增大,并向出線L2上的部分負(fù)荷供電時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)的電壓將高于母線電壓,DG周?chē)脩舻碾妷核娇赡艹舷?;而?dāng)DG停運(yùn)時(shí),電壓將突然下降,VQC響應(yīng)速度根本跟不上潮流變化的速度,主變供電范圍將出現(xiàn)大范圍的電壓超低限值,直至VQC動(dòng)作為止。而對(duì)于并入低壓電網(wǎng)的 DG,因配網(wǎng)的配變沒(méi)有有載調(diào)壓功能,系統(tǒng)根本無(wú)法應(yīng)對(duì)這種因潮流突變而導(dǎo)致的電壓變化,類似問(wèn)題將更加突出。文獻(xiàn)2通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn),分布于配網(wǎng)的分布式電源對(duì)饋線的電壓分布改善作用明顯,如果位置選擇不當(dāng),分布式發(fā)電的電壓支撐會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)的電壓超標(biāo),如果退出運(yùn)行,某些節(jié)點(diǎn)會(huì)遭受低電壓的嚴(yán)重電能質(zhì)量問(wèn)題。
(1)研究新的VQC及AVC控制策略,使其參與DG的運(yùn)行控制,以調(diào)整DG本身的出口電壓。
(2)在DG接入點(diǎn)安裝快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備如SVC或SVG。
(3)在正常情況下應(yīng)多發(fā)有功,少發(fā)無(wú)功,保持高功率因數(shù)運(yùn)行[2]。
(4)根據(jù)電網(wǎng)狀況選擇最佳的DG接入位置。
DG作為一個(gè)電源,當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),會(huì)向故障點(diǎn)注入短路電流,大量DG的并網(wǎng)運(yùn)行將增加電網(wǎng)的短路容量,可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響,對(duì)于短路容量接近額定遮斷容量的斷路器而言,其影響甚至是危險(xiǎn)的。
(1)改變配網(wǎng)的運(yùn)行方式,或在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)裝設(shè)限流電抗器。
(2)在選址階段,根據(jù)電網(wǎng)狀況選擇合適的DG接入位置。
(1)背景分析
DG并網(wǎng)后將影響電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及短路電流的大小,流向,短路電流的改變使繼電保護(hù)的靈敏性,選擇性降低,給整定計(jì)算帶來(lái)困難,如果現(xiàn)有的保護(hù)和自動(dòng)裝置的配置及定值不能適應(yīng)這種變化,可能造成繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作,造成事故擴(kuò)大或設(shè)備損壞。
10kV配網(wǎng)由上級(jí)變電站供電,保護(hù)裝設(shè)在變電站饋線開(kāi)關(guān)處,一般配置不帶方向的三段式電流保護(hù),對(duì)于非全電纜線路配置三相一次重合閘。DG的接入使配網(wǎng)從傳統(tǒng)的單電源網(wǎng)絡(luò)變成多電源網(wǎng)絡(luò),如圖2。
圖2 DG接入配網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響示意圖
(2)使保護(hù)誤動(dòng)作
如在饋線的BC段接入DG1,此時(shí)饋線被分成兩段,其中母線A與DG1接入點(diǎn)之間為雙側(cè)電源供電,DG1以下部分為單電源供電。當(dāng)AB段任一點(diǎn)K1發(fā)生短路故障時(shí),保護(hù)R2將感受到由DG1流向K1點(diǎn)的反向短路電流,由于R2沒(méi)有功率方向元件,若DG1容量足夠大的話,該故障電流可能超過(guò)電流整定值,導(dǎo)致BC段饋線保護(hù)誤動(dòng)作,對(duì)于R1而言,故障電流僅由系統(tǒng)提供,和未接DG1時(shí)一樣。當(dāng)相鄰饋線AD上的K3點(diǎn)故障,保護(hù)R3感受到的故障電流由系統(tǒng)電源和 DG1共同提供,其值大于未接DG1時(shí)的值,保護(hù)R3的靈敏度提高了,而保護(hù)R1、R2將感受到由DG1提供的反向故障電流,當(dāng)DG1容量足夠大時(shí),該電流可能超過(guò)整定值,使保護(hù)R1或R2誤動(dòng)作。
(3)使保護(hù)靈敏度降低甚至拒動(dòng),部分保護(hù)靈敏度增加
如圖2所示,如果未接入DG1,而在饋線的AB段接入DG2,此時(shí)若在靠近線路末端C的K2點(diǎn)發(fā)生短路故障,流向K2的短路電流由系統(tǒng)電源和DG2共同提供,大于DG2接入前的單純由系統(tǒng)提供的短路電流,使保護(hù)R2的靈敏度增加了,而保護(hù)R1僅感受到從系統(tǒng)側(cè)流過(guò)來(lái)的短路電流,且該短路電流比未接入DG2時(shí)的短路電流小[3],保護(hù)R1的靈敏度降低,嚴(yán)重時(shí)拒動(dòng)。未接入DG時(shí),K2點(diǎn)發(fā)生短路故障,保護(hù)R2的速動(dòng)段應(yīng)該不會(huì)動(dòng)作(R2的速斷定值應(yīng)按躲過(guò)線路BC末端即C點(diǎn)最大三相短路電流整定),接入DG2后,K2點(diǎn)發(fā)生短路故障,流過(guò)保護(hù)R2的故障電流隨著DG2容量的增大而增大,當(dāng)DG2的容量足夠大時(shí),R2測(cè)量到的故障電流可能超過(guò)其速斷定值,而使保護(hù) R2的速動(dòng)段動(dòng)作,使原來(lái)配置的繼電保護(hù)誤動(dòng)作,也可以說(shuō)失去了選擇性。
(4)多臺(tái)DG同時(shí)接入配網(wǎng)不同位置對(duì)繼電保護(hù)的影響將變得更加復(fù)雜
以上分析只涉及一臺(tái)DG接入時(shí)的情況,事實(shí)上,會(huì)有多臺(tái)DG同時(shí)接入配網(wǎng)不同位置的情況出現(xiàn),其對(duì)繼電保護(hù)的影響將變得更加復(fù)雜。對(duì)于規(guī)劃孤島內(nèi),由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變(當(dāng)孤島和大網(wǎng)解列時(shí)),保護(hù)定值需重新整定,理論上講,需另外生成一套適應(yīng)孤島運(yùn)行的保護(hù)定值,但不同類型的DG對(duì)故障點(diǎn)提供的短路電流不同,難以精確計(jì)算短路電流,且實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)于大量未實(shí)時(shí)受控的配網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備,做到定值隨運(yùn)行方式改變而及時(shí)切換是不現(xiàn)實(shí)的。
(1)為應(yīng)對(duì)DG的接入,電網(wǎng)必須對(duì)現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行重新配置或改造,如所有可能出現(xiàn)雙向供電的線路配置帶方向的電流保護(hù),重新進(jìn)行定值計(jì)算,并驗(yàn)算靈敏度。
(2)對(duì)于規(guī)劃孤島內(nèi)的保護(hù),因情況過(guò)于復(fù)雜,只能維持原定值,犧牲保護(hù)的“四性”。
(3)研究適合于DG接入的新型保護(hù)設(shè)備,如文獻(xiàn)[6]提出了一種基于多智能體的新型分布式電流保護(hù)策略,該策略以工頻電流變化量幅值和相位比較為基礎(chǔ),利用智能體的分布式處理優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的在線搜索和定位,適合DG大量接入且具備一定的自適應(yīng)能力。
(1)對(duì)自動(dòng)重合閘的影響
配網(wǎng)接入DG后,如果線路因故障跳閘,由DG帶部分負(fù)荷孤島運(yùn)行,對(duì)重合閘有兩方面影響。
1)失去系統(tǒng)電源后,DG可能繼續(xù)對(duì)故障點(diǎn)供電,使故障點(diǎn)電弧重燃,導(dǎo)致絕緣擊穿,使瞬時(shí)故障轉(zhuǎn)化為永久性故障,如果重合閘動(dòng)作,就會(huì)重合于故障上,線路再次跳閘,不僅使重合閘動(dòng)作失敗,且使系統(tǒng)再次經(jīng)歷短路過(guò)程。
2)使重合閘不能起動(dòng)或?qū)е路峭谥睾祥l,對(duì)于檢無(wú)壓重合閘,將檢測(cè)到線路一直處于有壓狀態(tài),使重合閘不能起動(dòng);如果是不檢無(wú)壓的重合閘,將導(dǎo)致系統(tǒng)電源與DG的非同期并列,沖擊電流可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)、擴(kuò)大事故或損壞DG。
(2)對(duì)備用電源自動(dòng)投入裝置的影響
如果在主供電源供電中斷時(shí),DG會(huì)繼續(xù)給失去系統(tǒng)電源的母線供電,由于母線電壓的存在,滿足不了“無(wú)壓無(wú)流”這一備自投動(dòng)作的基本條件,導(dǎo)致備自投裝置拒動(dòng),影響供電可靠性。如果備自投的無(wú)壓檢定電壓定值整定過(guò)大,由于DG孤島運(yùn)行時(shí),有功及無(wú)功缺口過(guò)大,使母線電壓低至無(wú)壓檢定電壓定值以下,可能導(dǎo)致備自投動(dòng)作,造成系統(tǒng)電源與DG的非同期并列,這是不允許的。
DG接入后,必須在DG側(cè)配置低周低壓解列裝置,確保在自動(dòng)重合閘、備自投動(dòng)作前,切除DG,系統(tǒng)側(cè)重合閘檢線路無(wú)壓,DG側(cè)重合閘檢同期,無(wú)壓檢定電壓定值宜整定得小一點(diǎn)。
(1)正面效應(yīng)
在電網(wǎng)供電能力不足的情況下,DG向外輸送電力,滿足了本來(lái)須限電用戶的用電需求,對(duì)提高供電可靠性起到了重要作用。
(2)負(fù)面效應(yīng)
在電網(wǎng)供電能力充足的時(shí)候不允許孤島運(yùn)行的DG對(duì)提高供電可靠性基本不具正面影響效應(yīng),因DG本身故障也可能影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)有規(guī)劃的孤島能進(jìn)一步提高電網(wǎng)的供電可靠性
DG對(duì)供電可靠性的影響與 DG孤島運(yùn)行緊密相關(guān),孤島運(yùn)行是指當(dāng)連接主電網(wǎng)和DG的任一開(kāi)關(guān)跳閘,與主網(wǎng)解列后,DG繼續(xù)給部分負(fù)荷獨(dú)立供電,形成孤島運(yùn)行狀態(tài),孤島也被稱作微網(wǎng)。
基于以下原因,意外的孤島運(yùn)行是不允許的。
1)孤島中的電壓和頻率及系統(tǒng)穩(wěn)定性得不到有效控制,電能質(zhì)量得不到保障。
2)因系統(tǒng)故障導(dǎo)致的孤島運(yùn)行,在故障點(diǎn)未被隔離前,會(huì)有前述第4點(diǎn)不良影響,影響系統(tǒng)的恢復(fù)。
3)電網(wǎng)事故處理人員會(huì)誤以為線路已全部停電,從而危害電力事故處理人員的人身安全。
4)對(duì)中性點(diǎn)接地的配網(wǎng),孤島與系統(tǒng)解列后,可能會(huì)失去接地的中性點(diǎn),成為非有效接地系統(tǒng),此時(shí)的孤島運(yùn)行可能引起過(guò)電壓,危害設(shè)備及人身安全。
所以DG都被要求裝設(shè)反孤島保護(hù),一旦檢測(cè)到孤島形成,立即切除DG。
但是,有規(guī)劃的允許DG孤島運(yùn)行,將大大提高電網(wǎng)的供電可靠性(圖3)。
圖3 有規(guī)劃的DG孤島運(yùn)行示意圖
取消DG反孤島保護(hù),在預(yù)設(shè)的解列點(diǎn)裝設(shè)故障解列裝置,該裝置是基于對(duì)電網(wǎng)頻率電壓等運(yùn)行參數(shù)的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)解列的。當(dāng)解列點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)可能導(dǎo)致孤島形成的設(shè)備(如K1或K2點(diǎn))故障時(shí),并不解列DG,而是在第一時(shí)間跳開(kāi)解列點(diǎn)開(kāi)關(guān)QF(解列點(diǎn)配置同期裝置,功率方向元件,并退出重合閘),解列點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)的故障點(diǎn)與DG之間將被有效隔離,DG對(duì)系統(tǒng)的恢復(fù)已不具負(fù)面影響。根據(jù)故障后的負(fù)荷與DG出力情況,判斷是否需要切除部分不重要的負(fù)荷,或部分 DG,或安裝儲(chǔ)能設(shè)備,以使孤島保持穩(wěn)定運(yùn)行。在系統(tǒng)故障消除,電網(wǎng)恢復(fù)正常后,通過(guò) QF的同期裝置實(shí)現(xiàn)孤島與大網(wǎng)的并列運(yùn)行,整個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤島內(nèi)的全部或部分用戶的不間斷供電,提高了供電可靠性。當(dāng)故障點(diǎn)在解列點(diǎn)的孤島側(cè)時(shí)(如 K4),對(duì)于解列點(diǎn)而言,短路功率反向,不滿足解列條件,所以解列點(diǎn)開(kāi)關(guān)不跳閘,由規(guī)劃的孤島內(nèi)的保護(hù)來(lái)切除故障。因孤島內(nèi)DG的抗短路擾動(dòng)能力較系統(tǒng)差得多,且孤島內(nèi)原來(lái)整定的繼電保護(hù)定值由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變將失效(在孤島內(nèi)再發(fā)生故障時(shí)也存在該問(wèn)題),如果此時(shí)先將孤島解列,可能導(dǎo)致孤島全黑的嚴(yán)重后果。
此運(yùn)行模式已經(jīng)在舟山電網(wǎng)某高危客戶的供電系統(tǒng)中得到應(yīng)用,并成功經(jīng)歷了電網(wǎng)的全停事故,保證了重要負(fù)荷的不間斷供電。但還是存在風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)解列點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)不會(huì)導(dǎo)致孤島形成的設(shè)備發(fā)生短路故障(如K3點(diǎn))時(shí)(應(yīng)由L3的保護(hù)切除故障,而不應(yīng)解列孤島),解列裝置可能誤動(dòng)作,將規(guī)劃孤島解列,影響孤島內(nèi)全部或部分用戶的供電。單個(gè)用戶孤島運(yùn)行與部分公用電力系統(tǒng)孤島運(yùn)行在技術(shù)上是類似的,如果規(guī)劃恰當(dāng),自動(dòng)裝置配置合理,實(shí)現(xiàn)DG的孤島運(yùn)行是可能的,其對(duì)供電可靠性的提高具有重要積極的影響。2008年的冰雪天氣導(dǎo)致我國(guó)發(fā)生大面積停電,暴露了現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在保證用戶連續(xù)供電方面的弱點(diǎn),在大網(wǎng)崩潰的條件下,DG的孤島運(yùn)行可以保證部分用戶的供電。孤島的規(guī)劃及運(yùn)行穩(wěn)定控制、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置、孤島與大網(wǎng)的相互作用機(jī)理等課題是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。
(1)加強(qiáng)對(duì)DG的管理,避免DG影響系統(tǒng)事故的發(fā)生。
(2)通過(guò)有規(guī)劃的DG孤島運(yùn)行模式提高電網(wǎng)的供電可靠性。
(1)太陽(yáng)能、光伏發(fā)電、燃料電池等通過(guò)逆變器并網(wǎng)的DG會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流,導(dǎo)致電壓波形畸變。
(2)DG如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的投入和切除引起系統(tǒng)電壓閃變或電壓跌落。
(3)孤島解列時(shí),孤島內(nèi)的電能質(zhì)量很難保證。
通過(guò)安裝濾波器解決諧波超標(biāo)問(wèn)題,通過(guò)配置響應(yīng)速度快的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置解決電壓閃變問(wèn)題。
DG接入改變了原有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流,會(huì)對(duì)電網(wǎng)的損耗產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[4]指出DG接入并不能保證使網(wǎng)損降低,其對(duì)網(wǎng)損的影響與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、以及DG的滲透率(DG裝機(jī)容量與用電負(fù)荷之比值)有關(guān)。
在規(guī)劃階段,以網(wǎng)損、電能質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),確定DG的最佳接入點(diǎn),及DG的功率。
DG接入增加了配網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行管理的難度,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等輸出功率具有不確定性,因通信等原因大量DG不能納入SCADA系統(tǒng),調(diào)度無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控DG的運(yùn)行,給合理安排運(yùn)行方式及配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)困難,配網(wǎng)作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)加大。
采用各種通信方式將DG納入SCADA系統(tǒng),加強(qiáng)對(duì)DG的運(yùn)行管理。
(1)用戶安裝DG的隨意性將影響負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,從而進(jìn)一步影響電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。
(2)DG接入位置的不確定性,將對(duì)包括變壓器容量、分接開(kāi)關(guān)調(diào)壓范圍、線路輸送容量、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的配置等內(nèi)容的電網(wǎng)合理規(guī)劃帶來(lái)困難。
(3)電網(wǎng)規(guī)劃需與DG布點(diǎn)及容量規(guī)劃協(xié)調(diào)。DG最佳布點(diǎn)能有效降低系統(tǒng)網(wǎng)損,提高電能質(zhì)量,但不合適的布點(diǎn),及未受控制的DG出力都可能增加系統(tǒng)損耗使電能質(zhì)量不合格,如文獻(xiàn)[5]研究了配電系統(tǒng)中DG的位置和容量規(guī)劃問(wèn)題,建立了考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的DG規(guī)劃多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型。
將DG規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃有機(jī)結(jié)合,確定DG最佳布點(diǎn),實(shí)現(xiàn)DG與電網(wǎng)和諧發(fā)展的雙贏目標(biāo)。
分布式發(fā)電在中國(guó)剛剛起步,隨著國(guó)家“節(jié)能減排,建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”等政策的實(shí)施,肯定會(huì)得到廣泛應(yīng)用。DG在帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益的同時(shí),也將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)前所未有的重大挑戰(zhàn),電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)須未雨綢繆,適時(shí)開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)性研究工作,加大DG接入電網(wǎng)課題的研究投入,制定DG入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),研究通過(guò)DG接入提高供電可靠性的方法,提出消除 DG接入負(fù)面影響的措施,必要時(shí)向政府要求政策方面的支持,積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。
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