（上海市电力公司，上海200122）

基于选择不同暂态阻抗的分布式电源接入容量分析

盛方正，傅晓飞，陈之琛

（上海市电力公司，上海200122）

含分布式电源（DG）的配电网在发生短路故障时，DG注入的电流可能会导致过电流保护误动，因此需要根据电流保护分析DG的准入容量问题。首先分析各个故障点对电流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段保护可能产生的影响，提出了基于选择不同DG暂态阻抗的计算最大接入容量的方法。对于电流保护Ⅰ段采用分布式电源的次暂态阻抗，对于电流保护Ⅱ段和Ⅲ段则采用分布式电源的暂态阻抗，得出了DG最大容量的约束条件，最后通过仿真说明了该方法既符合DG实际的暂态过程，又能在满足现有电流保护不误动的条件下得到DG的最大容量。

暂态阻抗；分布式电源；电流保护

0 引言

分布式电源（DG，Distributed Generation）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的功率为数千瓦至50 MW小型模块式、与环境兼容的独立电源，具有调峰、利用再生能源、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等特点[1-2]。

目前，中低压配电网大都是单侧电源、辐射型网络，线路保护一般配置传统的三段式电流保护。DG接入到配电网后，配电网变成多电源结构，在故障发生时可能引起短路电流大小和方向的改变，给继电保护的正确可靠动作造成一定的影响。当分布式电源容量过大时，可能会使电流保护不能正确动作[3-5]。

有关DG容量需满足过流保护的研究，一般都是在满足配电网现有过流保护、保证保护不误动的情况下，考察DG可接入的最大容量。目前采用的DG阻抗参数可谓多种多样，包括暂态阻抗、次暂态阻抗、稳态阻抗[6-9]，而针对不同情况下选择合适的阻抗参数，从而既能够符合DG实际的暂态过程，又能在满足现有过流保护不误动的条件下研究DG最大容量的相关研究却非常鲜见。在此针对过流保护的不同阶段，选择不同的暂态阻抗以分析DG接入配电网的最大容量，并考察选择不同的暂态阻抗这一方法的意义。

1 选择不同暂态阻抗的原理

不同类型的DG在发生短路故障时，向配电网注入的短路电流是不同的[10]：逆变电源故障短路电流注入能力达到其额定电流的100%～400%，持续时间取决于控制装置；同步发电机短路电流注入能力达到其额定电流的500%～1 000%，几个周波后衰减到200%～400%；感应发电机电流注入能力为500%～1 000%，在10个周波内衰减至可忽略程度。由于故障发生时DG对配电网注入的短路电流较大，且可能持续一段时间，所以在故障时必须考虑分布式电源对配电网保护的影响。目前的DG属于小电源，故障电流衰减较慢且与配电网保护的电气距离很近，故障电流衰减时间可能长达10个周波（约0.2 s）。由于在不同的故障电流衰减阶段DG对应的暂态阻抗不同，所以在研究DG容量时根据故障发生后的不同时间阶段采用不同的DG阻抗：在考虑电流速断保护（电流保护Ⅰ段）时采用分布式电源的次暂态电抗而电流保护Ⅱ段和Ⅲ段则应采用DG的暂态电抗XD′G。

另外由于配电网一般离系统电源的电气距离比较远，在最大运行方式和最小运行方式下的短路容量变化不大，故假设系统侧的10 kV母线最大运行方式和最小运行方式的短路容量相同，即不考虑系统电源对运行方式的影响。

2 不同故障方式对电流保护的影响

2.1 典型配电网

图1是典型的10 kV配电网，电源由系统电源和1个DG构成，线路由2条馈线组成，母线4和母线6位于馈线末端，直接与负荷相连，DG通过变压器T接入配电网，断路器下方编号1，2，…，5分别表示断路器对应的保护1，保护2，…，保护5。F1，F2，…，F5表示故障点。

图2是配电网的等效电路，ZS为系统电源的等效阻抗，Z1—Z5为各线路阻抗，XT是与DG相连的变压器短路电抗，XDG为DG的等效电抗，在配电网故障时一般为次暂态阻抗或者暂态阻抗下面考虑当在F1，F2，…，F5发生故障时，DG对各处保护的影响。

图1 典型10 kV配电网示意图

图2 配电网等效电路

2.2 线路L4上发生短路故障

F3点发生短路故障，此时DG将通过线路L1向故障点提供反向短路电流，可能引起保护1的误动作，显然当F3位于线路L4出口处时对保护1的影响最大，此时流过保护1故障电流是：

一般来说，由于电流Ⅲ段动作时间较长，在其动作前，保护4的电流Ⅰ或Ⅱ段已经动作且将故障切除，故不考虑式（4）对DG接入容量的约束。值得说明的是，由于所以相比使用参数，在不导致保护1误动情况下，按照式（2）—（4）计算DG最大接入容量的值可以更大。

2.3 L5发生短路事故

其中故障点F1表示L5出口处短路，F2表示L5线路末端短路。当F1点发生故障时，保护4电流保护Ⅰ段可能误动，当F2点发生故障时，保护4电流保护Ⅰ，Ⅱ段，保护5电流保护Ⅰ段都有可能发生误动。

当F1点故障时，流过保护4和保护5的电流是：

当满足：

保护4电流保护Ⅰ段不会误动。

当F2点发生故障时，流过保护4和保护5的电流是：

保护4和保护5的电流保护Ⅰ段不会发生误动。

当满足：

当满足：

保护4的电流保护Ⅱ段不会误动。

对于保护4与5的电流Ⅲ段，由于DG对其电流的助增作用，会提高电流保护Ⅲ段的灵敏性，所以不必对DG接入容量进行限制。

2.4 线路L1或L2上发生短路故障

故障点为F4，在保护1的电流Ⅰ段或Ⅱ段的保护范围内，可以由保护1切除故障，并且此时DG产生的故障电流不流经保护1，所以对保护1的动作特性无影响。

考虑线路L2末端发生故障，故障点为F5，此时流经保护1和保护2的故障电流分别是：

显然，由于DG对流经保护1的短路电流有汲流作用，而对流经保护2的故障电流有助增作用，所以DG对保护1与2的动作特性都有影响：DG的汲流作用使保护1的保护范围减小，降低其灵敏性，可能使保护拒动，但不影响其选择性；DG对保护2的电流助增作用使得流过保护2的短路电流增加，增大其保护范围，可能会使电流保护Ⅰ段误动；对于保护2的Ⅱ段，由于F4本来就位于其保护范围内，不存在误动的问题；对于保护2的过流Ⅲ段保护，DG的助增作用使其灵敏性增加，故对电流Ⅲ段无明显负面影响，所以L2末端发生故障时只需考虑DG对保护2的电流Ⅰ段的影响。

当满足式（10）时DG对保护2的电流保护Ⅰ段无影响。计算式（10）时，XDG取暂态阻抗

2.5 线路L3上发生短路故障

此时DG对通过保护2和保护3的电流起到助增作用，类似于线路L5发生故障时DG产生的故障电流通过保护4和保护5的情况；而对于保护1的影响，类似于线路L2上发生故障时DG起到的故障电流汲取作用，故不再赘述。另外，对于末端线路L3有时仅仅安装过流Ⅲ段保护，此时DG的助增作用使其灵敏性增加，可以不计其对DG容量的约束。

以上式（2）—（10）构成了存在DG时，原有配电网电流保护对可以接入其中的DG容量的约束，下面通过仿真求出在一定参数条件下可接入DG的最大容量。

3 系统仿真分析

3.1 仿真系统

仿真系统如图1所示。线路参数x1=0.347 Ω/km，r1=0.27 Ω/km；线路L1—L5长度分别是5，5，5，6，6 km；系统电压10.5 kV，内部电抗为L=0.005 H，系统电源容量为S=500 MVA；变压器T的容量为100 MVA，变比为10 kV/690 V，短路电压百分比为10%；DG出口电压为690 V，馈线1与2分别带有额定功率因数为0.85、额定容量为6 MVA的负荷。取分布式电源

3.2 模拟线路L4发生短路故障

L4上发生短路故障时为使DG对原有线路保护1电流Ⅰ段不产生影响，需分析分布式电源容量和通过保护电流的关系。由于考虑的是电流Ⅰ段，所以此时应考虑使用次暂态阻抗，计算结果如图3所示。从图中可以看出，最大可接入的DG容量为16.5 MW。

图3 L4发生故障时DG容量与故障电流的关系

当L4发生短路故障时为避免保护1的电流Ⅱ段动作，根据以上分析，研究电流保护Ⅱ段时采用的DG阻抗应该为仿真结果如图4所示。图4中曲线1和曲线2分别表示使用次暂态阻抗和暂态阻抗的计算结果，可以看出此时使用暂态阻抗求出的DG最大接入容量（29.6 MW）要明显大于使用次暂态阻抗的计算结果（5.8 MW），这说明计算DG容量时区别使用和是有意义的。

图4 L4发生故障时DG容量与故障电流的关系

3.3 模拟F1点故障

模拟F1点故障时保护4电流保护Ⅰ段工况，此时应使用次暂态阻抗计算。仿真结果如图5所示，可以看出在所选参数的条件下，F1点故障时保护4的电流保护Ⅰ段不会误动，即此时该约束条件不会对DG接入容量的选择产生影响。

图5 F1发生故障时DG容量与故障电流的关系

3.4 模拟F2点故障

模拟F2点发生故障时保护4和保护5的电流保护Ⅰ段工况。此时应该按照式（7）—（8）判断。根据图5的仿真结果，F1点故障时保护4电流保护Ⅰ段不会误动，所以F2点发生故障时保护4的电流Ⅰ段不可能发生误动，仅需考虑保护5的动作情况。此时仿真结果如图6所示，可以看出F2点发生故障时保护5也不会发生误动。同理分析当F2点发生故障时保护4的电流保护Ⅱ段的工况，此时应该考虑式（9）的约束，仿真时采用的DG阻抗应该为仿真结果表明保护4的电流保护Ⅱ段也不会误动。

图6 F2发生故障时DG容量与故障电流的关系

3.5 模拟线路L2末端发生故障时DG对保护1和保护2的影响

根据以上分析，此时仅需考虑DG对保护2的电流保护Ⅰ段有无影响即可，此时应选用次暂态阻抗计算。仿真结果如图7所示，可以看出此时只有在DG容量小于8.0 MW时才不会对保护2的电流Ⅰ段产生影响。

图7 F5发生故障时DG容量与故障电流的关系

综合考虑以上仿真和分析结果，在图1所示的配网系统中，接入DG的容量小于8.0 MW时不会对原有配电网电流保护产生影响，即可接入该配电网的分布式电源最大容量为8.0 MW。

4 结语

在存在DG的配电网中，DG下游发生短路故障时，对下游的保护测量电流产生助增作用，对上游的保护测量电流产生汲流作用，这样会增大下游保护的保护范围而可能引起误动并减少上游保护的灵敏度。在此提出了基于选择不同DG暂态阻抗的方法，以研究DG的最大接入容量。通过有针对性的选择DG的阻抗参数，确保在满足原有电流保护约束的情况下获得最大的DG接入容量，通过仿真给出了系统可接入DG最大容量的计算分析过程。

通过仿真还可以看到，并不是所有的电流保护都可能会对DG的接入容量形成约束。另外，通过分析不同电流保护整定值之间的关系，可以对部分故障点是否会导致保护误动进行判断，从而减少了仿真计算和分析的复杂程度。

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（本文编辑：杨勇）

Analysis on Distribution Generation Integration Capacity Based on Selection of Different Transient Impedances

SHENG Fang-zheng，FU Xiao-fei，CHEN Zhi-chen
（Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China）

When the short circuit fault occurs in the distribution network with distributed generation（DG）connected，the DG injection current may cause misoperation of overcurrent protection.Therefore,the DG integration capacity needs to be analyzed on the basis of current protection.Firstly，the impact of each failure on current protection sectionⅠ，ⅡandⅢare analyzed and the method of computing the maximum integration capacity based on selection of different transient impedances of DG is proposed.The DG sub-transient impedance is used to analyze the influence on protection sectionⅠand the transient impedance is used to analyze that on sectionⅡandⅢ.The constraints on the maximum capacity of DG have been obtained.The simulation results show that the method is consistent with the actual transient process of DG and can help obtain the maximum capacity of DG without misoperation of the existing current protection.

transient impedance；distributed generation；current protection

TM715

：A

：1007-1881（2012）09-0005-05

2012-02-01

盛方正（1979-），男，山东威海人，博士，工程师，从事变电运行工作。