分布式发电对配电网重合闸的影响

2022-10-25

集中发电、远距离高电压输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式, 当前我国供电系统即以“大机组、大电网、高电压”为主要特征。这种供电系统存在一些弊端, 主要有:不能灵活地跟踪负荷的变化、技术复杂、管理水平要求高、安全稳定性不足、不能满足当前对环境保护的要求和限制[1]。目前, 大电网与分布式发电 (Distributed Generation, DG) 相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式, 是21世纪电力工业的发展方向[2]。

分布式发电是指功率在几十千瓦到几兆瓦范围内、模块式的、分布式负荷附近的清洁环保发电设施, 能够经济、高效、可靠地发电, 直接向负荷供电或接入大电网并网运行[3]。同时分布式发电的原动机可以是燃气轮机、内燃机、风轮机、太阳能光伏、燃料电池、能量存储系统等多种形式的能源转换装置。分布式发电对电力系统和电能用户来说是多用途的, 可以作为备用容量、削峰容量, 也可承担系统的基本负荷, 还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。对于电力系统的运行, 分布式发电还可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用。江苏电网中出现了大量的风电场和生物质能电厂, 研究含分布式发电配电网的继电保护及重合闸问题具有重要的现实意义。

1 配电网自动重合闸

电力系统运行经验表明, 架空线路故障绝大多数是瞬时性故障, 在继电保护迅速动作断开断路器后, 故障点电弧即自行熄灭, 绝缘强度重新恢复, 此时, 如果把断开的断路器再合上, 就能够恢复正常的供电。因此, 在线路被断开之后自动将断路器重合, 不仅大大提高了供电的可靠性, 减少线路停电的次数, 而且还提高了电力系统并列运行的稳定性, 同时对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸也能起到纠正作用。目前, 在电力系统中, 自动重合闸与继电保护配合方式有两种, 即自动重合闸前加速保护和自动重合闸后加速保护。

自动重合闸前加速是当线路上发生故障时, 靠近电源的保护首先无选择性的瞬时动作于跳闸, 而后再借助自动重合闸来纠正这种非选择性动作。该方式的优点是:能快速切除瞬时性故障;可使瞬时性故障来不及发展成永久性故障, 从而提高重合闸的成功率;能保证厂用电和重要用户的电能质量;只需装设一套重合闸装置, 简单、经济。主要用于35k V及以下配电网。而自动重合闸后加速使得含分布式发电的配电网保护结构更复杂, 应用很少[4]。

2 分布式发电对自动重合闸的影响

传统配电网的继电保护, 都是以单侧电源的配电网为基础设计的, 其潮流从电源到用户都是单向流动, 系统保护的设计通常在变电站线路处安装传统的三段式电流保护, 主馈线上装设自动重合闸装置, 保证在馈线发生瞬时性故障时, 快速恢复供电, 提高系统供电可靠性。然而随着分布式发电在配电网中的大量并入, 致使原有的单电源放射状网络变为一个遍布电源和负荷的网络, 配电网的潮流分布和短路电流分布也相应发生了改变, 将有可能造成继电保护及安全自动装置不正确动作。

当分布式电源接入配电线路后, 如果线路因故障跳闸后, 分布式电源在重合闸动作时没有跳离线路, 这将产生两种潜在的威胁, 即非同期重合闸和故障点电弧重燃[5]。

2.1 非同期重合闸

分布式发电接入配电网后, 若故障出现在系统电源和分布式发电之间的线路上, 此时若分布式发电仍然并列于配电网, 则有可能在自动重合闸动作时造成非同期重合闸, 会对配电网和分布式电源产生冲击和破坏。现以含分布式发电的10k V简单配电网为例, 分析分布式发电对自动重合闸装置的影响, 如图1所示。

若系统电源和分布式发电之间的线路发生短路故障F1, 则保护1动作切除故障线路, 将系统电源S与配电网解列开来。由于分布式发电机组仍和配电网相接, 形成孤岛。但分布式发电机组容量小于负荷容量, 更远小于系统容量, 在失去系统电源后, 分布式发电机组将快速失去稳定性。且断路器1处的重合闸无法进行检无压重合, 若在断路器1处强行手动重合, 系统电源和分布式发电两者的电压相角差可能是0~360°任意值, 则保护1可能会检测到冲击电流, 当分布式发电容量比较大时, 冲击电流会超过发电机运行的最大冲击电流, 对机组产生影响, 甚至损坏机组, 重合闸也失去了迅速恢复瞬时故障的能力, 所以在这样的情况下自同期重合闸的方式不能满足要求。

若短路故障F2、F3发生在非系统电源和分布式发电之间的线路上时, 分布式发电和系统电源仍然保持电气联系, 则自动重合闸动作时不存在非同期重合闸问题, 如故障能够快速切除则分布式发电机组可保持连续运行, 减少不必要的切除。

2.2 故障点电弧重燃

配电网中断路器因故障跳闸后, 必须有充分的时间使故障点的电弧熄灭才能保证重合闸的成功。但是在含分布式发电的配电网中, 当断路器跳闸后, 未解列的分布式发电仍然向故障点提供电流, 电弧持续燃烧, 故障将继续。当进行重合闸时, 由于电网电源的作用, 可能引起故障电流跃变, 使得故障点电弧燃烧时间延长, 导致绝缘击穿, 进一步扩大事故。若采用自动重合闸前加速, 对于在系统电源和分布式发电间的线路故障, 并入配电网的所有分布式发电必须在重合闸动作时限的前期就要检测到故障并从配电网断开;否则将使电弧继续燃烧, 故障将继续。

2.3 应对措施

在电力系统配电网中, 造成含分布式发电的配电网自动重合闸问题复杂化的原因是采用了大量的快速重合闸。自动重合闸的动作时限一般为0.5s, 最短可以快到0.2s, 其是为了提高向电力用户供电的电能质量。但在含分布式发电的配电网中, 过短的自动重合闸时限将降低分布式发电与配电网在故障时解列的可能性。若增大自动重合闸时限, 使得分布式发电与配电网在故障时解列的可能性提高, 但供给用户的电能质量将降低。当今后在配电网中存在高渗透率的分布式发电时, 增大自动重合闸动作时限到1s或更长, 将大大增加分布式发电在故障时与配电网解列的可能性, 同时降低电能质量是不可避免的。而对于当断路器因故障断开时, 仍然连在配电网中的分布式发电与系统电源可能失步。这时, 应该考虑让分布式发电立即停止孤岛运行, 解列开来, 待系统电源与配电网重合闸成功后, 借助检同期装置再与配电网重合闸, 避免非同期重合闸, 即在现有的自动重合闸装置的基础上增加检同步环节, 实现准同步重合闸。

3 结语

根据目前对分布式技术应用的研究, 可以预见在不久之后, 连接到配电网中的分布式电源数量将会有大幅度提高。当分布式电源在配电网中的渗透率大幅提高时, 必须保证分布式发电接入后, 配电网的供电可靠性不会因此而下降, 就要采取必要的措施保证重合闸动作的成功且不能对系统造成不好的影响。

摘要:由于含分布式发电配电网其结构发生了根本变化, 当故障发生时会对配电网自动重合闸产生影响。文中分析了配电线路因故障跳闸后, 分布式发电在重合闸动作时没有跳离线路时产生的两种威胁, 即非同期重合闸和故障点电弧重燃, 并提出一定的应对措施。

关键词:分布式发电,配电网,重合闸

参考文献

[1] 殷桂梁, 杨丽君, 王珺.分布式发电技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[2] El-Khattam W, Salama M M A.Dis-tributed generation technologies, defi-nitions and benefits[J].Electric Power Systems Research, 2004 (71) :119~128.

[3] 王志群, 等.分布式发电对配电网电压分布式影响[J].电力系统自动化, 2004, 28 (16) :56~60.

[4] 谢昊, 卢继平.重合闸在分布式发电条件下的应用分析[J].重庆大学学报 (自然科学版) , 2007, 30 (2) :30~33.

[5] 高飞翎, 蔡金锭, 候秀玉.分布式发电对重合闸影响的仿真分析[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集, 2008:1055~1058.