含大面积光伏电源的配电网保护策略研究

发布时间：2016-05-07 06:27

第 1 章   绪论

1.1 研究的背景意义
在人类社会、经济发展的过程中，能源一直占据着举足轻重的地位，电力系统发展一直以能源为重要依托。2010 年以来的燃煤发电增长仍一直高于所有非化石能源增长的总和，延续以往 20 年不变的发展趋势。化石能源储量有限与其需求急剧增加之间的矛盾，以及经济快速发展与环境污染愈加严重之间的矛盾，使得我们不得不考虑能源的可持续发展模式。ETP2014 探讨分析了远至 2050 年的能源发展未来，得出三种情况：6℃情景（6DS）是维持目前世界的发展方向，其结果具有潜在的破坏性；4℃情景（4DS）是反映世界各个国家提出的削减排放及提高能源利用效率的意愿；2℃情景（2DS）是提供一种减少温室气体及二氧化碳排放的全世界发展可持续能源系统的共同愿望[1]。 据《全球新能源发展报告 2014》显示[2]，2013 年全球发电总量 22513.8TWh，同比增长 4.3%。然而化石燃料的发电量仍占到全球总发电量的 70%，但是新能源发电呈现了持续快速增长的趋势，年发电量同比增长达 13%，占全球发电量总量的5.2%。表 1 为 2007-2013 年全球发电量的能源类型构成。近些年，以光伏发电、风力发电以及水电为主的清洁能源得到了大力发展，其中太阳能光伏发电的发展在全球范围内备受关注[3]。截至 2013 年底，全球光伏总装机容量达到 138.9GW，可以每年提供约 160TWh 电量。中国光伏总装机容量达到了 18.6GW，约占全球光伏总装机容量的 13.4%。图 1 是从 2004 年到 2013 年世界和中国光伏累计装机容量和每年新增装机容量。仅 2013 年，全球光伏新增装机容量为 38.4GW，其中中国光伏新增装机容量高达 11.8GW，占全球光伏新增装机容量的 30.7%。中国超越了德国，并首次成为全球最大的光伏市场，有力推动光伏从以欧洲为核心逐渐向亚洲转移。过去几年中，全球太阳能光伏一直保持了两位数的增长，在 IEA 提出的 2DS 可再生能源高占比情景中，预计到 2040 年太阳能光伏发电将成为主导电力来源，到 2050年可能会占到全球发电量的 26%。
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1.2 研究的现状及存在问题
针对光伏电源接入配电网给配电网电流保护带来的影响及对策，国外很早便开始研究，但进展相对较慢；国内在这方面虽然起步较晚，但发展迅速。一些优秀的国内外文献提出并讨论了这些方面的问题，部分给出了相应解决措施。本文就从以下三个方面总结国内外研究现状与发展动态：DG 接入对配电网的影响、多电源保护新对策、多电源重合闸配合和孤岛保护研究。对于 DG 接入配电网，会给配电网带来什么样的影响，以及为我们解决问题找准方向，国内外做了很多相关研究。文献[6]对分布式发电对配电网电压分布的影响进行了分析，并结合分布式电源出力、接入位置变化以及与线路电压调节配合进行仿真实验，全面总结了分布式电源在配电网中的运行规律。文献[7]非常详细地讨论了  DG  并入配电网不同馈线的不同区段时，对原来配网继电保护（包括三段式电流保护和反时限电流保护）的影响。文献[8]则以杭州 10kV 配网为例，在线路中的不同位置引入 DG，分析所引入的 DG  对馈线保护及其动作行为的影响（包括系统电源侧故障带来的影响）。以上这两篇文献中，作者简要指出了影响的关键点，部分还给出了相应解决办法。文献[9]侧重于研究两相相间短路对含 DG 配电网的协调性影响，其中，又着重考虑了重合闸前加速和后加速。得出对于重合闸-熔丝配合，不适合采用后加速方式。文献[10]对 DG 接入配网后保护间协调性进行了详细的研究，指出 DG 的规模、类型和位置是影响的主要因素，然后分别分析了对熔丝-熔丝、熔丝-重合闸和保护-保护的影响。得出若 DG 注入短路电流在一定范围内，原有保护协调性可以保持的结论。文献[11]重点考虑 DG 电源容量对各种短路故障的影响，通过理论推导含 DG 配电网的短路电流，以确定 DG 最大准入容量来保证对保护的影响降到最小。
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第 2 章   分布式光伏电源特性分析

光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统中光伏电源和其他电源（如蓄电池、风力发电、柴油发电、小水电等）又可构成风光互补、风光柴储、光伏-水电、光伏-蓄电池等独立小系统。而并网光伏发电系统则直接并入公共电网，或者通过如家庭等用户并入电网。由于分布式光伏电源一般不超过几个兆瓦，且这类电源通常接入中、低压配电网，本文主要考虑此类型并网分布式光伏电源。 本章的主要内容是介绍并网型光伏发电系统的主要组成及控制，并基于 PSCAD 仿真软件，搭建并网型分布式光伏发电系统仿真模型，重点仿真分析光伏电源的故障特性。

2.1 分布式光伏电源的组成与控制
并网型光伏发电系统主要由光伏阵列、直流变换器、逆变器三部分组成，如图2-1 所示。部分并网光伏发电系统省去了 DC/DC 直流变换环节。本文将以包括DC/DC 直流变换的额定有功功率 2MW 并网型光伏发电系统为例进行仿真及分析。另外，光伏发电系统还有一些重要的组成元件，如直流连接电容，滤波器，并网变压器等。 并网型光伏发电系统的主要组成中，根据光伏模块排列结构的不同，并网光伏逆变器可大致分为以下三种：集中式、单串式和多串式[41]。集中式逆变系统只包含一个光伏逆变器，所有光伏电池板都连接（串联、并联或串并联）在这个逆变器上。单串式逆变系统中包含多个并联分支串，每个分支串都配有独立的光伏逆变器。而多串式逆变系统是由单串式结构发展而来，它是在每个分支串上增加了一级 DC/DC 直流变换器，然后所有的 DC/DC 直流变换器再连接在同一个并网光伏逆变器上。为了简化，光伏电源采用等效模型，，以便于分析与仿真。   光伏阵列是由一定数量的光伏模块串、并联组成的，光伏模块是一定数量的光伏电池串、并联组成的。光伏电池是基于电流源进行模型等效的，如图 2-2 所示。光伏电池在光照情况下产生直流电流，直流电流与光照强度是呈线性相关的。但是，光伏电池输出 I-V 特性呈现高度的非线性特性，原因主要是反并联二极管及所产生的反并联电流 Id。图 2-2 虚线显示的第二个并联二极管适用于更为精确和复杂的光伏电池模型，它考虑了光伏电池中半导体耗尽区电荷复合的情况。由于光伏电池单二极管模型已经能很好反映其电气特性，所以本文采用较为简单的单二极管模型。 
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2.2 分布式光伏电源的故障特性分析及仿真
对于光伏电源 MPPT 控制来说，由于电网故障情况下其暂态稳定过程很短，光照和温度基本保持不变，MPPT 控制对光伏电源故障特性基本没有影响。 一般而言，IGBT 的过流能力最大不超过其额定电流的两倍[50]。所以，对于逆变器并网光伏系统，由于受电力电子器件自身过流能力的限制，一般规定电网侧故障时逆变器提供的电流最大不应超过其额定值的 2 倍。为满足这一条件，逆变器控制一般会采取限幅环节，但这样会造成故障情况下逆变器交直流两侧功率不平衡，直流侧多余的功率会使直流侧电压升高，危及绝缘，损坏直流连接电容。目前，对于当故障情况下逆变器提供电流大于 2倍额定值且逆变器输出电压处于低电压穿越范围内时（小于 0.9pu），普遍的做法是投入直流卸荷电路[51]，以实现逆变型分布式电源故障情况下低电压穿越。
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第 3 章   大量分布式光伏电源接入对配电网保护的影响 ...... 19 
3.1  光伏电源接入电网相关规定 ....... 19 
3.2  大量分布式光伏电源接入对配电网站主变保护功能的影响 ......... 21 
3.3  大量分布式光伏电源接入配电网线路保护功能的影响 ........ 29 
3.3.1  光伏电源对相邻馈线保护的影响 .......... 32 
3.3.2  光伏电源对本馈线保护的影响 ..... 35 
3.4  本章小结 ............ 38 
第 4 章   大量分布式光伏电源接入配电网后的线路保护策略 ....... 39 
4.1 大量分布式光伏电源接入配电网后站 110kV 侧保护对策 ..... 39 
4.2  新型配电网反时限电流保护 ....... 41
4.3  新型配电网纵联电流差动保护 ............ 49
4.4  大量分布式光伏电源接入配电网后的重合闸与孤岛保护策略 ..... 60
4.4.1  重合闸方式选择 ........... 61 
4.4.2  重合闸时间的整定 ....... 62 
4.5  本章小结 ............ 63 
第 5 章   结论与展望 ............ 65 

第 4 章   大量分布式光伏电源接入配电网后的线路保护策略

目前，10kV 电网是我国主力配电网，其结构大多是环网结构，开环运行。当大量分布式光伏电源接入配电网，传统单端电源变成了多电源网络，同时给 110kV 变电站保护及传统电流保护带来不可忽视的影响。传统电流保护的保护范围、灵敏性因此而发生变化，导致保护拒动或误动，非同期重合闸，给配电网的安全、可靠性带来了极大挑战。因此，有必要针对目前配电网保护提出应对策略，以适应更多分布式光伏电源的接入。 分布式光伏电源具有很大的随机性和波动性，保护策略应当适用于无分布式光伏源接入的情况、部分分布式光伏电源接入的情况以及大量分布式光伏电源接入的情况。

4.1 大量分布式光伏电源接入配电网后站

110kV 侧保护对策 本对策主要针对 110kV 线路发生单相瞬时接地故障情况下，既要保证站主变的安全运行，又要保证中、低压侧供电的可靠性，避免中、低压侧负荷长期失电。主要还应适应大量光伏电源的接入，使光伏电源在 110kV 线路发生单相瞬时接地故障情况下不大面积离网。 如图 3-2，原正常供电线路 1-2 改造为成双回线供电运行方式，且互为备用。线路 1-2 上原有的距离、零序电流保护可升级改造为为允许式方向纵联保护，原有距离、零序电流保护作为后备，保护 2 处零序电流定值根据中、低压侧电源配置情况整定。保护 1 处普通三相重合闸更换为检线路无压三相自动重合闸，保护 2 处配置检线路有压带功角测量的自动合闸装置。

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结论

近些年能源危机与环境污染的加剧给可再生能源发电的发展提供了良好契机，光伏等新能源发电的崛起对实现能源电力可持续发展具有重要意义。然而，大量光伏电源接入配电网后极大改变了配电网网络结构及故障电流分布，给电流保护带来了较大影响。解决好此类问题对光伏电源乃至其他新能源接入配电网有着非常积极的意义。为此，本文针对大量光伏电源接入配电网后保护的影响及策略进行了研究，主要结论如下：
1） 通过对并网型光伏发电系统模型的搭建以及接入配电网后进行仿真分析，光伏电源可等效为压控电流源。即当其并网点电压在 0.5pu~1.1pu 时，光伏电源等效为恒有功功率电源；当其并网点电压在 0pu~0.5pu 时，光伏电源等效为恒电流电源。总之，光伏电源提供注入电网电流的能力最大不超过其额定电流的 2 倍。 
2） 通过搭建 110kV 变电站模型和 10kV 配电网模型以及光伏电源接入配电网后对站主变零序电压保护、输电线路零序电流保护、馈线线路电流保护等影响的仿真分析，大量光伏电源接入可能造成输电线路瞬时不对称故障时站主变零序电压保护动作跳开主变三侧开关，造成中、低压侧失去负荷；大量光伏电源接入可能造成输电线路瞬时不对称故障时相关零序电流保护误动；大量光伏电源接入可能造成馈线线路电流保护反方向误动、超范围误动、保护拒动、灵敏度降低等。 

3） 根据大量光伏电源接入配电网后带来的相关保护影响，提出了相应对策或方案。为解决对站主变零序电压及零序电流保护的影响，建议 110kV 输电线路改造为双回线路供电结构且配置允许式方向纵联保护，这样不仅可保证中、低压侧负荷供电可靠性，而且可以保证光伏电源的利用率。对大量光伏电源接入配电网后，当馈线某处故障光伏电源不同时离网造成保护测量电流出现变化，反时限电流保护可以做出相应改进，即通过测量电流变化改变保护动作跳闸时间的方法。对大量光伏电源接入配电网后，提出简单、可靠且经济的电流差动保护方案，即通过增加投资较低的单通道通信装置，相邻保护构成差动单元，使用主从通信乒乓算法简化的故障信号同步方法，由主机保护控制切除故障区段。对重合闸方式的选择和重合闸时间的整定，以及重合闸在大量光伏电源接入情况下使用存在的问题做出了分析。本文对光伏电源的故障电流特性及含大量光伏电源配电网保护影响及策略进行了探索、仿真和研究分析，并对相关的保护策略进行了比较。因为本人时间和能力有限，所以论文所做的工作还有待进一步完善，现对论文工作做如下展望。 

参考文献：（略）

本文编号：42769