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反孤岛装置在分布式电源应用的重要性

添加时间:2020-05-18 09:46:10   浏览次数: 次    【 】   打印   关闭窗口

    长期以来,能源结构的不合理性以及能源利用效率的持续偏低带来了许多环境和社会问题。随着电力政策的放开,分布式电源DG(distributedgeneration)作为一种新兴的发电模式逐步被广泛关注。IEEE定义的DG是小容量的、可以在电力系统任意位置并网的发电机,容量范围小于10MW,并网电压等级通常连接到配电系统所属的各个电压等级。作为集中式发电的有益补充,DG的接入位置主要在配电网用户附近,这样不仅可以减少电力传输时功率的损耗以及配网升级带来的费用,而且也为用户带来了较低的费用、较高的可靠性、较好的电能质量、较高的能源利用率和独立性。 网辐射状结构变为多电源结构,潮流的大小和方向都将发生改变,下级电网有可能会向上级电网送电,配电网本身的电压分布也将有所变化;同时,还会增大并网点附近的短路电流水平。

      DG的接入也将对并网点附近用户的供电可靠性有所提升,但于DG本身故障的概率性和出力的随机性,也将在一定程度上降低系统的供电可靠性。显然,DG接入对可靠性的影响结果尚待分析。此外,DG的并网和控制需要使用大量的电力电子器件,器件频繁的开通和关断易产生相应的谐波分量,以及于短路电流的变化,原有的电网过电流保护也会受到影响。这些均将对配电网的管理产生一定的影响。

      基于典型中压配网模型的构建,从逆功率约束、电压提升、短路电流提高等方面研究配电网中DG的接入容量与位置问题,并进一步分析DG接入对电网可靠性及谐波、保护的影响。

      1.DG接入配电网模式介绍

      于DG的不同接入模式将对DG的接入容量产生较大影响,因此首先介绍DG的几种主要接入模式。 

       (1)低压分散接入模式:是一种基于用户的接入模式,主要是将小容量DG接入中压配电变压器低压侧。  

      (2)中压分散接入模式:是指将容量中等的DG接入中压配电线路支线的方式。  

      (3)专线接入模式:DG容量较大时,为避免对用户电能质量产生影响,宜考虑以专线形式接入高压变电站的中、低压侧母线。受容量所限,采用此模式的DG所接入的电压等级通常也为中压。

      无论DG采用何种方式接入配电网,都应当满足的重要原则是不能向上一电压等级送电,这主要是原本用来降压的中压配电变压器在升压过程中不仅允许通过容量有所下降,而且传输功率的损耗也将大幅提升。因此,低压接入的DG的最大出力必须限制在配变最小负荷之内,故可将低压接入的DG与配变原来负荷整体等效为一个负荷,此负荷与其他用户  负荷均具有类似的波动性和不确定性,对配电网运行无特殊影响。因而,将重点探讨DG在中压分散接入和专线接入两种模式下对配电网的运行影响,并研究DG的接入容量限制。

      2.DG接入的逆功率限制 

      对于中压分散接入模式,考虑负荷峰谷差因素,需要在DG出力为额定功率且馈线负荷为其谷值时依然能够满足不出现逆潮流的限制,否则将影响其他馈线的DG接入。因此,接入DG的最大出力应小于馈线负荷的谷值。根据调研,“负荷谷值/负荷峰值”的比值约为~。因此,DG总容量不应超过馈线最大负荷的40%~60%。实际运行中的最严重情况是DG出力最大而馈线负荷最小,此时DG出力与馈线负荷相同。

      对于专线接入模式,国家电网在《分布式电源接入电网技术规定》中指出:“分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%”。显然这也是基于逆功率限制的考虑。因此,在分析专线接入问题时,分布式电源容量最大不超过主变压器所带负荷的25%。

      3.DG接入对电网稳态运行的影响分析 典型配电网模型   为计算DG接入对配电网潮流(电压水平)与短路的影响,针对配电网的运行特点建立了典型模型,如图1所示。该线路电压等级为10kV,共14个负荷节点,其中,0号节点是变压器低压侧母线。线路参数采用YJY22-3×300电缆,总长度2km,每段线路等长。线路总负荷按照50%负载率来考虑,约为,且各节点负荷均分总负荷。

      接入对配电网电压的影响   为实现DG接入电网的潮流计算,根据DG的运行和控制方式,可将DG分别看作PQ节点、PV节点、PI节点和PQ(V)节点。其中长期运行在额定工况附近、波动性不大的DG可看作PQ节点,如同步电机接入电网的DG,当其励磁控制方式为功率因数控制时,则可看作PQ节点;将能维持节点电压幅值的DG节点看作PV节点,如用同步电机接入电网,当其励磁控制方式为电压控制时可看作PV节点;储能系统可看作PI节点;对于直接并网的异步风力发电机组,可看成是PQ(V)节点[1]。

 1)中压分散接入模式   根据电力系统运行特性,作为电源的DG,接入位置在线路末端且出力与线路负荷相等的情况下对电压抬升作用最为明显。将上述条件均带入电压降落计算公式ΔU=(PR+QX)/U,可以得出DG接入配电线路对节点电压的最大提升不足1%,因此,电压问题不构成限制DG接入的因素。

 2)专线接入模式   受接入点的影响,此接入模式只影响变压器电压,不对馈线电压产生影响。根据逆功率限制结果,专线接入模式下DG容量最大不超过变压器所带负荷的25%,即使变压器负荷处于低谷、DG为峰值出力的最严重情况下,DG对电压降落的影响依旧在1%以内,若同时考虑变压器分接头的调节作用,则可忽略专线接入DG对配电网电压的影响。 接入对配电网短路电流的影响   为实现DG接入电网的短路计算分析,可按照并网接口的不同将DG分为旋转型和逆变型两种类型。其中旋转型又可以分为采用同步电机并网和异步电机并网两类。于以同步电机作为接口的DG短路电流注入能力最大[2],为考虑最严重情况,将针对采用同步电机接口方式的DG进行分析。在DG的同步电机接口的出口短路情况下,单位DG容量可提供的短路电流约为/MW。   计算出采用专线接入模式和分散接入模式时不同容量DG所提供的最大短路电流,见表  1。 

    根据现有配电网规划技术原则,中压短路电流限制为16kA,特殊地区允许到达20kA。从表中可以看出,在中压分散接入条件下,DG最大能提供的短路电流为,占中压短路电流限值的比例为3%左右;在专线接入条件下,DG最大能提供的短路电流则将达到3kA以上,约占中压短路电流限值的比例为15%以上。因此,若DG采用中压分散接入,则对短路电流影响较小;若DG采用专线接入,则各地区应结合自身的实际短路电流水平来制定相应的DG接入容量限制,或者在DG接入时应用故障限流器等短路电流限制措施。 接入容量与模式的建议   通过以上分析可知,各种接入模式下影响DG接入容量的主要因素还是逆功率限制,而电压与短路对DG接入容量的影响均很有限。综合上述研究结果,可以得出DG接入容量与模式的建议如下。

      (1)采用低压接入模式的DG,建议其容量小于所接入中压配电变压器最大负荷40%。以配电变压器的容量为400kVA计,若其负载率为50%,则建议采用低压接入模式的DG容量小于80kVA。

      (2)采用中压分散接入模式的DG,建议其容量要小于所接入中压馈线最大负荷的40%。以YJY22-3×300为例,若采用单环网接线,则建议采用中压分散接入模式的DG容量小于。

      (3)采用专线接入模式的DG,建议其容量要小于所接入主变压器最大负荷的25%。其中,若考虑容载比为,则容量为20MVA和的35kV主变所能接入的最大DG容量分别为和,而()~10MVA的DG只能采用35kV专线接入更高等级的变电站中低压侧母线。

      4.DG的接入对电网可靠性的影响   在线路发生故障时,DG可以为停电的用户供电,尤其是对于那些非常重要的负荷,年平均断电时间将可大大减少。但另一方面,在DG并网条件下,配电网可靠性的评估需要考虑新出现的影响因素,如孤岛的出现和DG输出功率的随机性等。其中,DG对供电可靠性的影响与DG孤岛运行紧密相关,孤岛运行是指当连接主电网和DG的任一开关跳闸,与主网解列后,DG继续给部分负荷独立供电,形成孤岛运行状态。在当前条件下,这种孤岛运行将影响检修人员的安全性,因此是不允许的[3],但若能提高运行管理水平,则可确保供电可靠性的有效提升。另外,DG受环境、气候影响很大,特别是风力发电和太阳能发电,它们的出力很不稳定。这两种因素都从一定程度上影响可靠性的提升效果。

      根据国家相关标准在光伏等分布式电源并网容量超过配电变压器额定容量的25%以上时,必须加装反孤岛装置。对于建设光伏电站的用户来讲,他们考虑的并网的几个问题,每个台区可以接入多少光伏?光伏的接入要满足什么技术要求?国网对于这些有着明确的规定,对于光伏的接入,如果不加装反孤岛装置,光伏电站的接入只允许接到光伏的25%。如果加装反孤岛装置的话,那么光伏容量可达到50%或者80%,具体多少由当地供电部门决定。

      反孤岛装置主要用于光伏并网系统中,其核心作用是通过设备中的扰动负载来打破用电平衡,使其光伏逆変器检测到的外部电压不足以满足正常输出发电,逼停逆变器,从而达到安全检修的目的。据国家电网分布式光伏发电典型设计规范要求,分布式光伏发电要求安装反孤岛装置。分布式反孤岛装置其实是一个成套的柜子,安装在变压器侧。反孤岛是以柜子的形式安装在变压器旁,与JP柜配合使用。其目的是当出现孤网运行状态时,及时处理。通过电阻的扰动迫使逆变器停止工作。

      目前,经保定特创电力科技有限公司技术人员不懈努力,开发出了新一代反孤岛设备-TC-5000反孤岛装置,该装置体积小、重量轻、操作方便,兼具主动式反孤岛和被动式防孤岛功能,解决了以往反孤岛和防孤岛不能放在一起的难题。反孤岛控制模块(TC-3087)不仅能采集电流、电压、频率、谐波等电能质量参数,而且具有高低压、过欠频、防孤岛、防逆流、反孤岛检测等功能。TC-3087模块通过内部软件计算,能准确判断电网是否正常运行,一旦出现非计划性孤岛等故障,装置可以迅速控制上级开关分闸,并能自动报警,且能控制反孤岛专用断路器,防止其误动作。本公司更有防孤岛和反孤岛多功能综合并网柜,一柜多用,不必在安装其他JP柜,接线更加方便,操作更加灵活。TC-5000反孤岛装置还有通讯功能,可以把电网运行情况实时反应给上位机,以便实现无人监控。

      5.DG对其他运行方面的影响

      (1)谐波与电压波动:采用逆变器接口形式的DG,于电力电子设备的动作将会对馈线的谐波水平具有一定影响。DG越接近系统母线,对系统的谐波分布影响越小[4]。同时,于DG接入对配电网电压的影响在1%以内,因此对电压波动的影响也很小。当相对于采用逆变器接口的DG,采用同步机接口的DG对功率调制信号的响应速度上较慢,减少电压暂降持续时间的能力也较弱[5]。

      (2)保护:DG的接入将会增加配电线路的短路电流,进而影响上下游保护的故障判别能力。基于上述分析可知,采用分散接入的DG对短路电流的增量可控制在以下,对保护的整定值影响很小;而采用专线接入的DG将对保护的整定值有很大影响。

      (3)故障定位:对于基于FTU的故障定位隔离技术,若未引入DG,发生故障时可通过任意两个相邻遥测点的电流大小来判断故障点,即两点均有或无短路电流,则故障点不在两点之间,  否则故障点在两点之间;若线路中引入DG,则线路中的某些区段变为双端电源供电,上述故障处理方法将不再适用,因此需要通过两个相邻遥测点的电流方向来判断故障点的位置。 

      6.结语   首先介绍了DG分类方式和接入电网模式,在此基础上,以典型中压配网模型为基础,定量计算了DG接入对配电网稳态特性的影响,提出了DG接入的容量与模式建议。通过分析可知,DG接入后对配电网的电压与短路等方面的影响均较小,影响DG接入的主要因素为电网的逆功率限制。同时也对DG接入在电能质量、保护的影响进行了分析,为配电网相应管理工作提供了技术借鉴。 

 

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