含分布式电源和储能的配电网运行故障及对策

文/张浩 黄玮 胡海琴 汪德义

一般来说配电网主要指电压等级在110kV及以下的电网，它的基本职能就是向用户直接供电。研究显示，配电系统自身故障是导致电力用户遭受的停电时间的主要原因，因此电力企业应当提高对电力故障问题的重视。配电网供电的可靠性直接影响用户用电的安全性和经济性。近年来，随着世界能源结构的变化，我国社会发展的目标也发生了变化，我国开始推行建设资源节约型、环境友好型、可持续发展社会的能源发展战略。为了充分保证能源发展战略的顺利推行，我国开始加大对“分布式供能技术”的研究力度，并将其列入我国的长期科研计划中。分布式电源在未来电网的发展中将会起到非常关键的作用，甚至会成为未来电网发展的根本动力，这是毋庸置疑的。

1 分布式电源和微电网之间的联系

1.1 分布式电源的特点和主要类型

分布式电源( Distribution Resources DR) 通常是分布式储能装置和分布式发电的总称，一般情况下主要指接入到35kV及以下电压等级配电网的小型电源。分布式发电供能是由多个组成部分组成的，它包括分布式电源、电力电子接口、各种控制器、网络元件等，可与直接相连接的负荷构成微电网。由DG装置和监控、保护等设备汇集而成的并为相应区域供电的小型发配电系统构成微电网，相当于一个小型的含分布式电源的配电网。在该微电网中包含两类参量，一种是和电能相关的电气参量，另一种是和化学能、热能、等相关的非电气参量。风能和太阳能光伏等分布式发电单元的输出功率都具有间歇性和随机性的特点，且负荷的变化也具有随机性, 这给外部电网的稳定运行带来了较大挑战，由于大多数的DG和储能元件是通过电力电子装置接入到配电网之中，而各种电力电子装置的控制目标也有所不同，其中有直流电源等电子设备，还有时间常数较大的旋转设备，因此 整个分布式发电系统呈现出典型的强非线性特征，且动态过程的时间常数之间存在很大差异。因此一旦分布式发电供能系统中受到干扰，就会产生以秒为级变化的慢动态过程和以毫秒为级变化的机电暂态过程，甚至还会产生微秒级快速变化的电磁暂态过程。

图1：含储能装置的分布式电源并入配电网的基本结构模型

按照目前通常接入配电网的接口类型，可将分布式电源分成逆变型电源、同步发电机型电源和异步发电机型电源三类。其中，逆变型分布式电源又有恒功率控制型电源和恒压恒频控制型两种。

1.2 分布式电源的渗透率

分布式电源的渗透率（penetration rate）是指分布式电源发出的总电量和整个系统消耗电量的比值，用于反映某个系统中分布式电源的影响范围。分布式电源渗透率的高低受到其所在系统的特性和所考虑系统运行约束条件的影响，像潮流约束（潮流阻塞）、电能质量约束、功率因数约束以及稳定性约束等都有可能影响分布式电源渗透率的高低。在实际应用中对配电网中分布式电源渗透率的高低的规定如下：当所有的非电源元件（母线、馈线、开关、配变等）都正常运行状态的情况下，分布式电源退出或出力不足不会影响配电网内的负荷，也就不会有停电的状况出现，这个时候就可以认为是分布式电源处于低渗透率水平的，同样的，如果情况恰恰相反，则分布式电源处于高渗透率水平。原则上分布式电源总容量不能超过上一级配网变压器供电区域内最大负荷的四分之一，也可以将其看作分布式电源渗透率高低的分界线。

2 含分布式电源的配电网影响及模型

2.1 分布式电源对配电网的影响

配电网中引入较多DG后，原有的放射状单电源网络就会改变其潮流，不再单向地流向各负荷，即转变成了一个分布有中小型电源的有源网络，并且这些变化都可能会对配电网的电压、短路电流分别产生影响，而且短路电流水平变化是与故障点的相对位置、线路阻抗、分布式电源容量之间会产生很大的影响。

传统的旋转式分布电源在运行的过程中由于其短路电流的配置和变电站的配置基本一致，因此在接入电力系统后其产生的短路电流一般都比较的大。分布式电源并网的配电网拓扑结构和短路电流等会经常发生变化，而且还会影响配电网中保护和自动装置等设备的运行。因此需要运用逆变器的并网分布式电源有其独特的接口属性和控制策略，来改变发电机故障的相应特征让其产生的短路电流尽可能地减小。

2.2 含分布式电源的配网模型构建

从电力电子装置的运行方式和控制策略上看，构建含分布式电源地配网模型时应当进行综合考虑，尤其是在选取节点类型时。当含分布式电源的配电网处在非稳定运行状态时很可能会影响电能地质量，对配电网的潮流及无功产生不同程度的影响, 甚至如果没有及时地对其采取控制措施还可能会导致配电网中某些参数发生崩溃，这在很大程度上影响了负荷端的供电稳定性。另外，DG的高渗透率的接入，对配电网的故障特性、保护配置构建带来了深刻的影响。为此，对含分布式电源渗透率不低于30%的配电网建立模型如图1所示。

多个分布式电源系统组成了一个完整地配电网，其中包含像光伏电池、燃料电池、风电机组这样能够提供能量的清洁形分布式电源。研究表明，受分布式电源系统本身位置影响，分布式电源和本地母线之间一般都会有一定的距离，这个距离就会导致二者之间产生一定的线路 阻抗，图中用Zinei表示； ZLG为电网中的电路阻抗。当电网正常运行时，静态开关K 闭合，配电网处于并网运行状态；当电网运行出现故障时，K断开，此时配电网处于独立运行状态。

3 含分布式电源的配电网中的运行分析

配电网接入分布式电源后若出现故障，其影响程度过程趋于复杂，在对含分布式电源的配电网运行状况进行分析时应当进行全方位的考虑，不仅要考虑分布式电源自身原因，还要考虑是不是传统的非电源配电网元件发生故障所造成的。

和传统的同步电机相比，分布式电源的运行状态很可能会受到地理位置变化和气候改变的影响。由于传统的故障就按测和故障现象模拟方法已经无法满足电网的运行安全要求，所以在对分布式电源配电网故障特性进行研究时，应当充分考虑分布式电源的接入对大电网系统故障后电气量特征的影响。

分布式电源受外界因素影响的程度非常大，特别是气候变化和地理位置的变化，由于配电网保护中配置有自动重合闸，所以在分布式电源接入之后，就很可能会出现非同期重合闸和电弧重燃的情况。这样一来在高渗透率的分布式电源接入配电网后，可能会造成母线上的电压超越正常运行电压的上限，一旦大量的分布式电量脱网，又会导致母线上电压低于正常运行电压的下限。分析了分布式电源接入位置和接入功率对电网谐波的影响，对逆变型分布式电源接入电网进行了深入的研究，并对逆变型分布式电源的所提供的短路电流多态性特征以及等值模型建立等展开了分析。

基于逆变器接口电源在微电网孤岛运行时，分布式电源故障特性主要表现在以下几个方面：在系统正常运行状态下PQ 控制模式逆变型分布式电源可以向系统注入功率，但是VF 控制模式逆变型分布式电源却和系统之间很小功率的交换，因此一旦电源系统发生短路，所有含 PQ 控制模式逆变型分布式电源侧将不会出现明显的故障特征，也就是电流幅值增大幅度不是很大；但是在 VF 控制模式逆变型分布式电源侧电流变化却表现出完全不同的特征，它的变化幅度非常的大，而且它的幅值受到VF 控制模式逆变型分布式电源容量大小的影响。因此在对PQ 控制模式电源侧进行保护时，应当充分考虑实际的电流变化幅值采取适当的启动和动作判据。

在逆变型分布式电源并入配电网运行之后发生故障的电气特征会受到故障点与电源位置的影响，主要分为以下几种情况：

第一种，分布式电源都在故障点同一侧，这个时候的故障电流主要是由配电网提供的，再加上和逆变型分布式电源容量相比，配电网的容量要大的多，所有逆变型分布式电源接入点电压也会比无配网连接时高，随着短路点距离逆变型分布式电源距离的不断拉近逆变型分布式电源的输出电流会逐渐达到极限。

第二种，分布式电源位于故障点两侧。受传统配网开环运行的影响。配电网电源只能在其中一侧，即大电源侧，这一侧故障特征与传统配电网故障特征相似。小电源侧的故障特征则和微电网孤岛运行时的故障特征大致相似。

4 含分布式电源的配电网的运行控制策略和建议

从配电网调度运行模式、可再生能源消纳、市场政策因素和需求侧管理的角度来看，电力企业必须针对分布式电源并网运行模式和孤岛运行模式，采取科学有效的措施来对系统进行协调优化，在不同的运行方式下应采取不同的控制策略。

在并网正常运行时，应当首先计算净负荷的值，根据净负荷的值来采取不同的控制策略，如果净负荷大于零，那么就由剩下的非可再生能源分布式电源和大电网根据优化调度算法计算的结果依次补给。如果净负荷小于零，就要对储能系统蓄电池进行充电，充满后将富余电能输送往配电网。二是在孤岛运行条件下，要首先考虑自然条件发电，像风能、太阳能等。当局部微网中分布式发电单元的发电量无法满足所有的负荷需求时，考虑通过蓄电池放电来满足。如果通过采用蓄电池放电还是不能满足负荷需求，就要对各个分布电源的输出功率进行整体的优化控制。

此外对配电网故障定位的方法较多样化，但需依据各种分布式电源接入配电网短路故障处理性能进行统筹考虑，并结合调度支持系统以及配电自动化系统的告警和数据，综合配变、DTU、FTU、故障指示器等装置信息进行判断定位故障和隔离处理。

（1）故障隔离。对于含分布式电源的配网故障快速定位和隔离，应把故障的影响隔离在最小范围，减小故障元件的损坏程度，缩短负荷的低电压时间，一旦发现分布式电源发生故障，应当及时准确的对其进行切除，充分保障配电网内非故障区域的正常供电，进而使配电网和分布式电源得以安全运行。

（2）故障恢复。基于先进的技术支持平台，建立了涵盖分布式电源影响的配电网故障恢复模型，对模型集合内各方案进行定量计算分析，列出优先级次序，并在此基础上改进了交叉和变异算子，有助于运行指挥人员根据实际情况迅速采取合理的恢复方案，做到对故障的高效处置。

5 结语

分布式电源作为传统集中电源的补充，有助于改善配电网的可靠性、经济性和抗灾性，但是分布式电源接入地区配电网后，不仅会改变配电网的潮流结构和短路电流幅值及流向，还将引起配电网容量不足和保护配置不完备等不利因素，同时分布式发电系统结构的特殊性和功率输出的不确定性导致了其网络模型和稳定性计算趋于复杂，这些都给配电网的管理控制和运行故障处理方面带来新的困难与挑战。因而，我们要继续深入对各类分布式电源在实际运行中的问题研究，进一步优化算法，完善对策措施，实现配电网对分布式电源的消纳的技术能力的有效提升。