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反孤島裝置在分佈式電源應用的重要性

添加時間:2020-05-18 09:46:10   浏览次数: 次    【 】   打印   關閉窗口

   長期以來,能源結構的不合理性以及能源利用效率的持續偏低帶來了許多環境和社會問題。隨着電力政策的放開,分佈式電源DG(distributedgeneration)作爲一種新興的發電模式逐步被廣泛關注。IEEE定義的DG是小容量的、可以在電力系統任意位置併網的發電機,容量範圍小於10MW,併網電壓等級通常連接到配電系統所屬的各個電壓等級。作爲集中式發電的有益補充,DG的接入位置主要在配電網用戶附近,這樣不僅可以減少電力傳輸時功率的損耗以及配網升級帶來的費用,而且也爲用戶帶來了較低的費用、較高的可靠性、較好的電能質量、較高的能源利用率和獨立性。 網輻射狀結構變爲多電源結構,潮流的大小和方向都將發生改變,下級電網有可能會向上級電網送電,配電網本身的電壓分佈也將有所變化;同時,還會增大併網點附近的短路電流水平。

     DG的接入也將對併網點附近用戶的供電可靠性有所提升,但於DG本身故障的概率性和出力的隨機性,也將在一定程度上降低系統的供電可靠性。顯然,DG接入對可靠性的影響結果尚待分析。此外,DG的併網和控制需要使用大量的電力電子器件,器件頻繁的開通和關斷易產生相應的諧波分量,以及於短路電流的變化,原有的電網過電流保護也會受到影響。這些均將對配電網的管理產生一定的影響。

     基於典型中壓配網模型的構建,從逆功率約束、電壓提升、短路電流提高等方面研究配電網中DG的接入容量與位置問題,並進一步分析DG接入對電網可靠性及諧波、保護的影響。

      1.DG接入配电网模式介绍

     於DG的不同接入模式將對DG的接入容量產生較大影響,因此首先介紹DG的幾種主要接入模式。 

       (1)低壓分散接入模式:是一種基於用戶的接入模式,主要是將小容量DG接入中壓配電變壓器低壓側。  

     (2)中壓分散接入模式:是指將容量中等的DG接入中壓配電線路支線的方式。  

     (3)專線接入模式:DG容量較大時,爲避免對用戶電能質量產生影響,宜考慮以專線形式接入高壓變電站的中、低壓側母線。受容量所限,採用此模式的DG所接入的電壓等級通常也爲中壓。

     無論DG採用何種方式接入配電網,都應當滿足的重要原則是不能向上一電壓等級送電,這主要是原本用來降壓的中壓配電變壓器在升壓過程中不僅允許通過容量有所下降,而且傳輸功率的損耗也將大幅提升。因此,低壓接入的DG的最大出力必須限制在配變最小負荷之內,故可將低壓接入的DG與配變原來負荷整體等效爲一個負荷,此負荷與其他用戶  負荷均具有類似的波動性和不確定性,對配電網運行無特殊影響。因而,將重點探討DG在中壓分散接入和專線接入兩種模式下對配電網的運行影響,並研究DG的接入容量限制。

      2.DG接入的逆功率限制 

     對於中壓分散接入模式,考慮負荷峯谷差因素,需要在DG出力爲額定功率且饋線負荷爲其谷值時依然能夠滿足不出現逆潮流的限制,否則將影響其他饋線的DG接入。因此,接入DG的最大出力應小於饋線負荷的谷值。根據調研,“负荷谷值/负荷峰值”的比值約爲~。因此,DG總容量不應超過饋線最大負荷的40%~60%。實際運行中的最嚴重情況是DG出力最大而饋線負荷最小,此時DG出力與饋線負荷相同。

     對於專線接入模式,國家電網在《分佈式電源接入電網技術規定》中指出:“分佈式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%”。顯然這也是基於逆功率限制的考慮。因此,在分析專線接入問題時,分佈式電源容量最大不超過主變壓器所帶負荷的25%。

      3.DG接入对电网稳态运行的影响分析 典型配电网模型   爲計算DG接入對配電網潮流(電壓水平)與短路的影響,針對配電網的運行特點建立了典型模型,如圖1所示。該線路電壓等級爲10kV,共14個負荷節點,其中,0號節點是變壓器低壓側母線。線路參數採用YJY22-3×300電纜,總長度2km,每段線路等長。線路總負荷按照50%負載率來考慮,約爲,且各節點負荷均分總負荷。

      接入对配电网电压的影响   爲實現DG接入電網的潮流計算,根據DG的運行和控制方式,可將DG分別看作PQ節點、PV節點、PI節點和PQ(V)節點。其中長期運行在額定工況附近、波動性不大的DG可看作PQ節點,如同步電機接入電網的DG,當其勵磁控制方式爲功率因數控制時,則可看作PQ節點;將能維持節點電壓幅值的DG節點看作PV節點,如用同步電機接入電網,當其勵磁控制方式爲電壓控制時可看作PV節點;儲能系統可看作PI節點;對於直接併網的異步風力發電機組,可看成是PQ(V)節點[1]。

 1)中压分散接入模式   根據電力系統運行特性,作爲電源的DG,接入位置在線路末端且出力與線路負荷相等的情況下對電壓擡升作用最爲明顯。將上述條件均帶入電壓降落計算公式ΔU=(PR+QX)/U,可以得出DG接入配電線路對節點電壓的最大提升不足1%,因此,電壓問題不構成限制DG接入的因素。

 2)专线接入模式   受接入點的影響,此接入模式隻影響變壓器電壓,不對饋線電壓產生影響。根據逆功率限制結果,專線接入模式下DG容量最大不超過變壓器所帶負荷的25%,即使變壓器負荷處於低谷、DG爲峯值出力的最嚴重情況下,DG對電壓降落的影響依舊在1%以內,若同時考慮變壓器分接頭的調節作用,則可忽略專線接入DG對配電網電壓的影響。 接入对配电网短路电流的影响   爲實現DG接入電網的短路計算分析,可按照併網接口的不同將DG分爲旋轉型和逆變型兩種類型。其中旋轉型又可以分爲採用同步電機併網和異步電機併網兩類。於以同步電機作爲接口的DG短路電流注入能力最大[2],爲考慮最嚴重情況,將針對採用同步電機接口方式的DG進行分析。在DG的同步電機接口的出口短路情況下,單位DG容量可提供的短路電流約爲/MW。   計算出採用專線接入模式和分散接入模式時不同容量DG所提供的最大短路電流,見表  1。 

    根據現有配電網規劃技術原則,中壓短路電流限制爲16kA,特殊地區允許到達20kA。從表中可以看出,在中壓分散接入條件下,DG最大能提供的短路電流爲,佔中壓短路電流限值的比例爲3%左右;在專線接入條件下,DG最大能提供的短路電流則將達到3kA以上,約佔中壓短路電流限值的比例爲15%以上。因此,若DG採用中壓分散接入,則對短路電流影響較小;若DG採用專線接入,則各地區應結合自身的實際短路電流水平來制定相應的DG接入容量限制,或者在DG接入時應用故障限流器等短路電流限制措施。 接入容量与模式的建议   通過以上分析可知,各種接入模式下影響DG接入容量的主要因素還是逆功率限制,而電壓與短路對DG接入容量的影響均很有限。綜合上述研究結果,可以得出DG接入容量與模式的建議如下。

     (1)採用低壓接入模式的DG,建議其容量小於所接入中壓配電變壓器最大負荷40%。以配電變壓器的容量爲400kVA計,若其負載率爲50%,則建議採用低壓接入模式的DG容量小於80kVA。

     (2)採用中壓分散接入模式的DG,建議其容量要小於所接入中壓饋線最大負荷的40%。以YJY22-3×300爲例,若採用單環網接線,則建議採用中壓分散接入模式的DG容量小於。

     (3)採用專線接入模式的DG,建議其容量要小於所接入主變壓器最大負荷的25%。其中,若考慮容載比爲,則容量爲20MVA和的35kV主變所能接入的最大DG容量分別爲和,而()~10MVA的DG只能採用35kV專線接入更高等級的變電站中低壓側母線。

      4.DG的接入对电网可靠性的影响   在線路發生故障時,DG可以爲停電的用戶供電,尤其是對於那些非常重要的負荷,年平均斷電時間將可大大減少。但另一方面,在DG併網條件下,配電網可靠性的評估需要考慮新出現的影響因素,如孤島的出現和DG輸出功率的隨機性等。其中,DG對供電可靠性的影響與DG孤島運行緊密相關,孤島運行是指當連接主電網和DG的任一開關跳閘,與主網解列後,DG繼續給部分負荷獨立供電,形成孤島運行狀態。在當前條件下,這種孤島運行將影響檢修人員的安全性,因此是不允許的[3],但若能提高運行管理水平,則可確保供電可靠性的有效提升。另外,DG受環境、氣候影響很大,特別是風力發電和太陽能發電,它們的出力很不穩定。這兩種因素都從一定程度上影響可靠性的提升效果。

     根據國家相關標準在光伏等分佈式電源併網容量超過配電變壓器額定容量的25%以上時,必須加裝反孤島裝置。對於建設光伏電站的用戶來講,他們考慮的併網的幾個問題,每個臺區可以接入多少光伏?光伏的接入要滿足什麼技術要求?國網對於這些有着明確的規定,對於光伏的接入,如果不加裝反孤島裝置,光伏電站的接入只允許接到光伏的25%。如果加裝反孤島裝置的話,那麼光伏容量可達到50%或者80%,具體多少由當地供電部門決定。

      反孤島裝置主要用於光伏併網系統中,其核心作用是通過設備中的擾動負載來打破用電平衡,使其光伏逆変器檢測到的外部電壓不足以滿足正常輸出發電,逼停逆變器,從而達到安全檢修的目的。據國家電網分佈式光伏發電典型設計規範要求,分佈式光伏發電要求安裝反孤島裝置。分佈式反孤島裝置其實是一個成套的櫃子,安裝在變壓器側。反孤島是以櫃子的形式安裝在變壓器旁,與JP櫃配合使用。其目的是當出現孤網運行狀態時,及時處理。通過電阻的擾動迫使逆變器停止工作。

     目前,經保定特創電力科技有限公司技術人員不懈努力,開發出了新一代反孤島設備-TC-5000反孤島裝置,該裝置體積小、重量輕、操作方便,兼具主動式反孤島和被動式防孤島功能,解決了以往反孤島和防孤島不能放在一起的難題。反孤島控制模塊(TC-3087)不僅能採集電流、電壓、頻率、諧波等電能質量參數,而且具有高低壓、過欠頻、防孤島、防逆流、反孤島檢測等功能。TC-3087模塊通過內部軟件計算,能準確判斷電網是否正常運行,一旦出現非計劃性孤島等故障,裝置可以迅速控制上級開關分閘,並能自動報警,且能控制反孤島專用斷路器,防止其誤動作。本公司更有防孤島和反孤島多功能綜合併網櫃,一櫃多用,不必在安裝其他JP櫃,接線更加方便,操作更加靈活。TC-5000反孤島裝置還有通訊功能,可以把電網運行情況實時反應給上位機,以便實現無人監控。

      5.DG对其他运行方面的影响

     (1)諧波與電壓波動:採用逆變器接口形式的DG,於電力電子設備的動作將會對饋線的諧波水平具有一定影響。DG越接近系統母線,對系統的諧波分佈影響越小[4]。同時,於DG接入對配電網電壓的影響在1%以內,因此對電壓波動的影響也很小。當相對於採用逆變器接口的DG,採用同步機接口的DG對功率調製信號的響應速度上較慢,減少電壓暫降持續時間的能力也較弱[5]。

     (2)保護:DG的接入將會增加配電線路的短路電流,進而影響上下游保護的故障判別能力。基於上述分析可知,採用分散接入的DG對短路電流的增量可控制在以下,對保護的整定值影響很小;而採用專線接入的DG將對保護的整定值有很大影響。

     (3)故障定位:對於基於FTU的故障定位隔離技術,若未引入DG,發生故障時可通過任意兩個相鄰遙測點的電流大小來判斷故障點,即兩點均有或無短路電流,則故障點不在兩點之間,  否則故障點在兩點之間;若線路中引入DG,則線路中的某些區段變爲雙端電源供電,上述故障處理方法將不再適用,因此需要通過兩個相鄰遙測點的電流方向來判斷故障點的位置。 

      6.结语   首先介紹了DG分類方式和接入電網模式,在此基礎上,以典型中壓配網模型爲基礎,定量計算了DG接入對配電網穩態特性的影響,提出了DG接入的容量與模式建議。通過分析可知,DG接入後對配電網的電壓與短路等方面的影響均較小,影響DG接入的主要因素爲電網的逆功率限制。同時也對DG接入在電能質量、保護的影響進行了分析,爲配電網相應管理工作提供了技術借鑑。 

 


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