分布式发电对配电网保护快速性的影响

2022-10-09

分布式发电 (Distributed Generation, DG) 是指规模较小 (在几十kW到几十MW范围内) 、分布在配电网内的独立发电设备。DG在配电网的广泛接入运行是21世纪电力工业发展的一个重要方向, 同时也将对配电网带来重大影响。传统的配电网一般为单端电源供电, DG的引入使得配电网成为一个多电源电网, 也为配电网带来了暂态稳定问题。因此, 在接有DG的配电网中, 当发生电网故障时, 为了保证系统的稳定运行, 相关继电保护必须在临界切除时间 (CCT) 之前动作, 切除故障。

下面, 本文将借助PSCAD/EMTDC仿真系统, 首先对故障发生后的临界切除时限进行测试, 然后再将这一时限与保护装置的正常动作时间进行比较, 由此即可判断出传统保护的快速性是否能够满足电网的稳定性要求。

1 所研究的配电网络

如图一所示, 变电站110kV母线在最大和最小运行方式下的短路容量分别为6000MVA和5000MVA, 其中L3和L5为终端馈线, 并以Ln代表其它10kV出线。一额定容量为10MVA的同步DG直接接在10KV馈线的分段母线上, 正常运行时其有功和无功输出分别为8.6MW和2.5Mvar。

线路L1~L3上均配置有过电流保护, 其动作时间分别为0.5s、1.0s和1.5s。

下面将针对图1所示电网, 研究馈线L1上k1处发生三相短路故障时的临界切除时间。

2 仿真模型的建立

在PSCAD/EMTDC环境下, 利用其元件模型库 (Master Library) , 建立相应的电网模型。对于DG, 不考虑其原动机调速系统的作用, 其自动调节励磁系统的影响, 采用励磁机模型Exciter (AC1A) 来模拟。对于各馈线负荷, 采用恒定阻抗来模拟。

对于110kV母线以上的电网部分, 则处理为一个电压源和系统阻抗的串联模型, 其中系统阻抗可根据变电站的短路容量来近似求得。

3 仿真结果分析

如果线路L1初端k1处发生三相短路故障, 并设置故障发生时刻为0.5s, 持续时间为1s, 这种情况下的仿真结果如图2所示。

图2 (a) 示出了外部电网故障时DG输出电流的变化情况, 故障初始定子电流很大, 接着很快由次暂态阶段进入暂态阶段, 定子电流也随之急剧衰减, 在t=1.5s时故障消失, 该电流也逐渐衰减至正常值。图2 (b) 示出了电网故障时DG功角和转子速度的变化情况, 可以看出DG功角最大可以上升到约140°, 但随着故障的切除, 便较快地恢复到正常值, 即这种情况下系统是暂态稳定的。

对于同样的故障类型和故障地点, 但设置故障持续时间为1.5s, 相应的仿真结果如图3所示。

由图3可以看出, 在其它条件不变, 而故障持续时间为1.5s, 则故障切除后, DG端电压将在 (1.0~0.5) UN范围内持续振荡, 其功角将在-180°~180°之间反复摇摆。这种情况下, DG将因与电网失去同步而最终被迫退出运行, 即系统是暂态不稳定的。

多次的仿真试验发现, 对于图1所示配电网络, 当k1处发生三相短路故障时, 如果故障不能在1.437s内切除, DG就不能恢复至稳态运行, 这就是说, 相应的CCT就是1.437s。

由保护配置可知, 馈线L1始端k1处发生三相短路时, 故障的切除时间将长达1.5s这显然超过了DG暂态稳定所要求的CCT即1.437s, 因此必将导致DG与电网失去同步而退出运行。

4 结语

DG的并网运行为配电网带来了暂态稳定问题, 从而也对继电保护的快速性带来了挑战。在有较大容量或者较多数量的DG接入电网的情况下, 必须进行稳定计算, 研究相关保护的动作时间能否保证系统的暂态稳定。

摘要:高效、环保的分布式发电将在电力系统中获得广泛应用。实现分布式发电并网运行的一个重要前提就是对相关继电保护问题进行正确处理。分布式发电的接入, 使得配电网由单电源、辐射式结构成为一个多电源的网络。文章通过一个仿真算例, 主要分析了分布式发电对配电网继电保护快速性所造成的不利影响。

关键词:分布式发电,配电网,继电保护