高渗透率分布式电源接入下电网面临的问题及保护技术

高渗透率分布式电源接入下电网面临的问题及保护技术——2010年8月——华中科技大学电气与电子工程学院尹项根、张哲、撖奥洋主要内容概述——背景与研究内容1DG接入下电网面临的主要技术问题2DG接入下电网保护技术的研究现状3双馈风机接入配电网并网处保护研究4结语61概述1背景及研究内容（一）国家层面的战略规划加快可再生清洁能源的发展和高效利用已成为我国能源领域的重点发展战略之一。分布式供能为实现这一目的，提出了技术上的可能。1.1课题的背景1背景及研究内容（二）现有电网存在重大事故风险近年来美加“8.14”大停电、我国南方冰灾大停电等一系列严重事故，促使世界各国特别是经济发达地区积极开展有别于集中传输模式的分布式供能技术的研究，期望能优化电网资源，提高供电可靠性。美加大停电时纽约的夜景冰灾时贵州线路受损严重1背景及研究内容（三）我国将分布电源列为重点攻关课题例如：国家电网公司在其“十二五”科技发展规划中，7个研究领域中的3个支撑研究领域：大电网安全与控制、网源协调、配用电中都涉及到了分布式能源新技术；在网源协调技术和配用电技术中，分布式供电更是单独作为一个重要研究方向被提出。大规模新能源发电并网基础平台研究建设分布式新能源与配用电协调发展技术新能源智能发电技术研究新能源智能调度支撑技术新能源发电及接入新能源发电输送技术新能源发电及接入大电网安全与保护技术网源协调技术配用电技术新能源、分布式电源仿真建模分布式供电DG的特性及并网含DG的配电网技术微网关键技术虚拟电厂技术分布式供电微网关键设备DG供电试验及示范工程国家电网公司“十二五”科技发展规划三个研究领域1背景及研究内容1背景及研究内容以含有分布式发电（DG）的电网系统为研究对象：（1）论述高渗透率DG接入下电网面临的主要技术问题（2）探讨继电保护领域关注的问题和双馈风电场并网保护相关技术1.2报告研究的主要内容2高渗透率DG接入下电网面临的主要技术问题2DG接入电网面临的技术问题相对于大电网，DG存在着并网运行、大电网故障时故障穿越运行、解列组网自治运行、重新并网等多种运行状态。DG的大规模接入必将对大电网的稳态潮流分布、暂态故障电流分布产生重大影响，在大电网的规划设计、调度运行和保护控制等方面带来新的问题。总体上看，需要研究的重点主要包括：含高渗透DG的大电网运行与控制技术含高渗透DG的大电网的优化规划与可靠性评估含高渗透DG的大电网的继电保护与安全自动控制技术含高渗透DG的大电网的电能交易模式与技术分布式电源与大电网相互作用机理2DG接入电网面临的技术问题2.1分布式电源与大电网相互作用机理—关键课题DG外特性建模稳定性机理分析1、不同微电源的外特性以及运行约束条件2、建立适用于静态动态分析的DG系统等值计算模型1、DG接入大电网的功率传输极限2、高渗透率下DG随机切入切出对大电网造成的低频振荡模式3、高渗透率DG低压穿越运行对大电网稳定影响电能质量问题DG故障暂态机理1、公共连接点处以稳态电能质量扰动产生的机理和分布规律2、DG投退与切换、负荷冲击、故障等暂态过程中，电压或电流短时严重偏离其额定值或理想波形的暂态电能质量扰动产生机理和传播特性1、研究DG故障暂态特性2、建立能够表征DG故障特性的暂态模型3、故障穿越运行的DG影响大电网原有保护及紧急控制装置的机理。2DG接入电网面临的技术问题研究适合于高渗透率DG接入的配电网网架结构，提出新型配电网网架经济性评估方法，考虑有分布式电源支撑的新的供电可靠性评估方法研究不同类型DG接入后配电网的无功优化方法；研究DG接入后对传统的无功补偿市场格局的影响，针对不同的无功电源供应商的具体特点，建立完备的无功补偿市场规范研究DG对外部所呈现的功率输出变化特性，构建相应模型；研究在规划年限内大量DG不断接入下的中长期负荷预测的基本方法.评价标准负荷预测电源规划网架结构无功优化研究常规发电能力与分布式发电能力间优化协调策略研究高渗透率下DG接入后含环境因素的新经济性评价标准2.2含高渗透DG的大电网的优化规划与可靠性评估--关键课题2DG接入电网面临的技术问题2.3含高渗透率DG的大电网运行与控制技术--关键课题1研究分布式电源的功率输出随机特性及其对大电网负荷预测的影响，研究高渗透率下含DG的大电网短期负荷预测新算法2研究高渗透率下DG并网对大电网经济运行的影响，考虑对目前大电网调度技术与规范的改进措施；研究高渗透率并网条件下DG的优化调度方法3研究DG控制管理与大电网EMS的协调配合机制；研究高渗透率下含DG的大电网运行方式的快速分析与决策方法。。2DG接入电网面临的技术问题4研究高渗透率下含DG的大电网电能质量检测、分析理论和综合控制方法。5研究DG与大电网平滑并网与分离的方法与控制策略；6研究含DG的大电网黑启动模式；研究DG故障或退出情况下，大电网对关键负荷紧急支援的控制策略。2DG接入电网面临的技术问题新型保护系统构建研究含有高渗透率DG的大电网保护的基本理论、构建模式、整定配合原则，探讨新的保护理论、方法，为保证大电网的运行安全提供理论和技术支撑。新型电网运行方式及保护配合机制根据DG的类型、接入方式和其在配电网中的作用，从保证大电网和DG运行安全的角度出发，研究不同分布式电源解列和故障穿越运行的基本原则，以及配电网保护与DG保护的协调配合机制对原有保护影响评估DG在不同接入位置、接入容量、渗透率情况下，对大电网各种保护造成的影响，建立影响大电网保护系统评价体系。2DG接入电网面临的技术问题2.4含高渗透DG的大电网的继电保护与安全自动控制技术—关键课题电能交易模式在电力市场环境下，建立由不同类型DG和用户进行电能交易的经济模型研究鼓励可再生能源参与电力市场竞争的政策激励机制。研究含DG的电力市场的市场机制与竞价策略。分布式电源与负荷将参与大电网的竞价，竞价的结果决定分布式电源与大电网的功率交换量和相应的电价。研究DG接入后对原有的电能交易模式的影响。原有的联营、双边和混合交易模式也必然要做出相应的变化以适应新的电能交易的要求。2DG接入电网面临的技术问题2.5含高渗透DG的大电网的电能交易模式与技术—关键课题3DG接入下电网保护技术的研究现状3DG接入下电网保护的研究现状（1）在分布式电源的故障暂态特性方面，现有的研究一般认为，诸如光伏、燃料电池等基于逆变器接入的DG电源，其向电网馈入的短路电流对系统故障电流水平的影响较小，故更多关注旋转类电机的故障特性。从现有的文献所提出的保护方案看，一般将DG简化为不计衰减的恒定电流源或含内阻抗的恒定电势源。主要问题：1)随着DG的大规模接入和逆变器单元容量的不断增加，需要对基于逆变器类电源的故障特征有更全面的认识，包括最大冲击电流、暂态衰减时常，故障过程中逆变器控制器和限流保护的动态行为等重要特性。2)需要考虑不同分布式电源所提供的短路电流的特性差异，考虑分布式电源在电网故障期间可能存在的间断性供电的特殊性，简化的分析结果往往与实际情况存在较大不同，难以满足保护特性分析和整定计算的应用要求。3风场并网保护构建策略（2）在含DG的配电网保护方案方面，有以下技术思路：1)在DG的并网线上串联电抗器来减小DG的助增电流，保证原有电流阶段式保护正常工作。2)以原有保护不作较大改动，并有较好的灵敏度和配合裕度为限制条件，计算馈线允许接入DG的数量、容量和位置。3)利用距离保护受系统运行方式影响较小，其I，II段的测量元件具有明确的方向性的特点，将距离保护应用于含DG的配电网中。4)运用通信手段实现纵联保护或研究基于多点信息的集成式保护的原理和方法，是当前研究的热点。探讨智能电子装置、分布式人工智能(DAI)技术、多agent系统(MAS)以及通信技术在保护、控制新原理和方案中的应用。3DG接入下电网保护的研究现状3风场并网保护构建策略（3）在分布式电源并网运行方式及接入处的保护构建方面，少有相关文献进行研究。IEEE1547系列标准制定了当前DG的并网运行规程，一般是是基于DG并网不影响原有配电网保护控制系统正常工作的原则提出的，这将导致分布式电源在故障过程中频繁退出，极大降低了分布式电源的利用率，且难以实现对电网在故障紧急情况下的电源支持。3DG接入下电网保护的研究现状综上所述——DG的高渗透率接入，对配电网的故障特性、保护构建模式带来了深刻的影响，存在大量的理论和技术问题亟待解决。从现有的文献来看，迄今的研究工作基本还停留在初步的理论研究和探讨阶段，仍存在大量的理论和技术问题需要解决。特别是以下几个方面的研究工作亟待深入：3风场并网保护构建策略3DG接入下电网保护的研究现状（1）不同类型分布式电源短路电流的“多态”性研究及仿真计算模型的建立。（2）新型配电网保护系统的构建及整定计算的研究。提出不同渗透率情况下配网保护系统的构建方案和应对措施，包括配电网主保护的改进与调整，DG故障穿越运行下的重合闸方式与保护的协调配合机制针对具有高渗透率分布式电源配电网后备保护配合复杂的问题，探讨利用网内多点综合信息，采用自适应技术改进后备保护性能的途径在整定计算方面，应重点研究DG所提供的短路电流“多态”性，以及DG运行方式多变等因素对整定计算的影响，针对不同的保护原理和配置模式，提出相应的整定计算原则与和方法对于双馈直驱式风机旋转电源，应计及转子侧励磁特性、crowbar保护动作特性以及电机的功率解耦策略等对短路电流的影响；对于逆变器电源，应考虑电压控制策略以及功率器件的过流和过压保护等因素的影响对于以微网方式接入的分布式电源，则需考虑解列控制对短路电流的影响根据继电保护特性研究和整定计算的应用要求，提出相适应的电源简化数学模型，该模型应能准确反映不同分布式电源的短路电流外部故障特征3风场并网保护构建策略3DG接入下电网保护的研究现状（3）配电网保护与分布式电源保护之间协调配合机制的研究配网发生故障后，DG是以岛形式运行还是从配网中退出运行或者做穿越故障运行，应根据配网和电源本身的运行安全，以及兼顾配网用户和分布式电源的所有者利益等方面综合考虑。保证配电网和分布式电源运行安全的角度出发，根据分布式电源的类型、接入方式和其在配电网中的作用，研究提出不同分布式电源解列和故障穿越运行的基本原则。对配电网保护与分布式电源保护的协调配合机制进行研究，以期在保证运行安全的前提下，提高分布式电源，尤其是直接馈入式分布式电源的利用率。4双馈型风机接入配电网并网处保护研究4双馈风机并网保护研究4.1双馈电机的“多态”故障特性外部故障时，双馈电机提供的短路电流大小以及衰减特性与传统的同步电机相比存在较大差异。本文从继电保护的的研究和应用角度出发，建立了较为完备的双馈风力发电系统的故障仿真模型，重点考虑了短路故障下的crowbar保护的动作行为和P-Q控制策略下的转子励磁逆变系统的响应特性。仿真系统如图1所示。Rcb=0.1Ω双馈电机转子侧功率控制器PrefQref_RrefU网侧控制器PWM_LrefU__EdcQref风参数测定与目标值给定690V母线主动crowbar保护10KV母线联络线PWM图1双馈风力发电系统的故障仿真模型4双馈风机并网保护研究(1)双馈电机发生近端短路故障：转子内的电压能从转差电压激升到定子电压值附近，保护转子逆变器的crowbar保护电路在故障发生后的几个毫秒内动作，短接转子绕组，定子电流仿真波形：0.60.811.21.41.61.82-202U/pu(a)0.60.811.21.41.61.82t/s-2-101234I/pu(b)0.60.811.21.41.61.82-0.200.20.40.6直流分量/pu(c)0.60.811.21.41.61.82-10123周期分量/pu(d)0.60.811.21.41.61.82-2-101234短路冲击电流波形/put/s0.60.811.21.41.61.82-10123周期分量幅值变化/put/s图2近端故障下，双馈电机馈入电网短路电流4.1双馈电机的“多态”故障特性4双馈风机并网保护研究(2)双馈电机远