含分布式电源的配电网保护研究

PAGEIII分类号密级含分布式电源的配电网保护研究UDC编号学位论文含分布式电源的配电网保护研究 英文PAGEII PAGEI摘要随着分布式发电技术的研究和应用，分布式发电已成为未来电力系统的发展趋势之一，但是分布式发电系统接入配电网后，将会给电网带来一些新的技术难题。由于目前的配电网保护系统是按照传统的单电源、辐射式结构设计的，分布式电源的接入将使得配电系统变为双端或多端有源网络，原有的配电系统保护必须进行相应的调整和改变。文章首先对分布式发电的概念、分类、并网方式以及目前研究和发展的现状进行了梳理。建立了双馈风力发电机数学模型，通过MATLAB/SIMULINK软件平台搭建了以风电机组作为分布式电源的仿真模型，针对线路接入分布式电源前后和不同故障性质的情况进行了仿真，对仿真结果进行了理论分析，为风电场并网研究打下了基础。针对分布式电源接入配电网后对馈线各处保护以及自动重合闸的影响进行了研究，并进行了仿真验证。根据含DG配电系统故障时的特点，提出了在线自适应整定保护算法，并进行了仿真分析，结果表明，在线自适应整定保护算法能够根据系统当前运行方式和DG的出力情况自适应地调整整定值。在此基础上，提出了分布式发电系统下继电保护的配置方案，为未来电网中考虑分布式发电的继电保护配置工作提供了一些参考。最后，综合全文进行总结，指出研究中有待解决的问题及进一步研究的方向。关键词：配电网分布式电源风力发电重合闸在线自适应整定保护ABSTRACTDistributedGenerationhasbeenoneofthemostcriticalenergyresourcesinpowerindustry,withthepromotionandutilizationoftherenewable,integrationofwhichintodistributionnetworks,thiswillbringssomenewtechnicaldifficultproblemtotheelectricalnetwork.Sincethecurrentprotectionsystemofdistributionnetworkisdesignedaccordingtothesinglepowersupplyandradiationstructure,thesesmallcapacitygenerationswillchangetheprotectiveperformance,sotheoriginalprotectionsystemneedtomakeappropriateadjustments.Inthispaper,firststudiedabouttheconceptofDG,thetypesofDG,andthegrid-connection,aswellasthestatusofresearchanddevelopment.Buildingamathematicalmodelofthedouble-fedasynchronousInductionwindGenerator(DFIG).AccordingtothesoftwareofMATLAB/SIMULINK,builtthesimulationmodelofthewindturbineasadistributedpower.TheoccurrenceofdifferentfaultofthelineatthesamepointduringDGturningonthedistributednetworkissimulated,obtainedtheplotofshort-circuitcurrentandvoltage,andhaveatheoreticalanalysis,Laidthegroundworkforthewindfarmgrid.TheeffectontheprotectionaroundfeedersandautomaticreclosingafterDGturningonthedistributednetworkisstudiedandsimulated.BasedonafaultcharacteristicanalysisofthedistributionsystemwithDG,onlineadaptivetuningprotectionalgorithmisproposedandsimulated.TheresultsshowthatthealgorithmcanstillautomaticallycalculatethesettingsaccordingtothecurrentoperationmodeandtheoutputpowerofDG.Basedonit,relayprotectionconfigurationschemewithDGisproposed,thiswillbeagoodreferencefortheprotectionresearchoffuturegridwithdistributedgeneration.Attheendofthisdissertation,asystematicalsummaryisgiven.Furtherworktobestudiedispointedout.KeyWords:distributionnetwork;distributedgenerators;windpowergeneration;reclosing;onlineadaptivetuningprotection 目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1课题背景及研究意义 11.2国内外发展和研究现状 21.2.1分布式发电技术的发展与现状 21.2.2含分布式电源配网继电保护研究现状 41.3本文的主要工作 9第2章分布式发电概述 102.1分布式电源的概念 102.2分布式电源的种类 112.3分布式电源的运行方式 152.3.1并网运行方式 162.3.2孤岛运行方式 172.3.3分布式电源运行标准 172.4本章小结 18第3章含风电分布式电源接入配网故障特性分析 193.1双馈感应发电机风力发电系统 193.2双馈发电机的建模与仿真 203.2.1风速模型 203.2.2风力机模型 233.2.3双馈发电机模型 243.2.4传动机构模型 243.3风力发电机并网分析 253.4本章小结 32第4章分布式电源接入对配电网保护的影响 334.1传统配电网保护配置简介 334.2分布式电源接入位置对配电网继电保护影响理论分析 334.2.1分布式电源接在配电网馈线末端 334.2.2分布式电源接在配电网馈线非末端母线上 364.2.3分布式电源接在配电网馈线始端 374.3分布式电源接入容量对配电网继电保护影响理论分析 394.4分布式电源接入对自动重合闸的影响 414.4.1自动重合闸保护 414.4.2分布式电源对自动重合闸的影响 424.5仿真计算 434.6本章小结 48第5章含分布式电源的保护方案研究 495.1含分布式电源的配电网在线自适应整定保护 495.1.1分布式发电系统网络结构 495.1.2在线自适应整定保护分析 505.2仿真验证 535.3分布式发电系统下继电保护的配置 565.4本章小结 58第6章结论与展望 606.1结论 606.2展望 61参考文献 62攻读学位期间发表的学术论文及科研项目参与情况 67攻读硕士学位期间发表的论文 67参与的科研项目 67致谢 68 PAGE54 PAGE53第1章绪论1.1课题背景及研究意义能源是人类生产、生活的物质基础，能源的利用推动了社会经济的进步和人民生活水平的提高。传统的能源结构以化石燃料为主，随着经济的迅猛发展，化石燃料的储量日益萎缩，面临枯竭的危险。有报告预测，现有的石油和天然气储量将在50年内耗尽，煤的使用也只能维持120年。同时，化石燃料也对环境质量产生了重要影响，是环境污染和气候恶化的元凶。随着我国经济和社会的持续发展，我国能源发展也面临能源供需缺口的加大、石油后备资源不足、环境污染严重等问题。为了实现能源与社会经济、环境的可持续发展，利用科技手段开发可再生的清洁能源，它们不但对环境几乎没有破坏，而且取之不尽、用之不竭，无疑发展利用这些可再生的清洁能源进行发电是解决这些问题的一个重要措施。从上世纪开始，西方发达的工业国家兴起了研制新型、高效、绿色独立电源的热潮，分布式发电(DistributedGeneration，DG)一词也应运而生[1]。目前，分布式发电与大电网相结合被世界许多能源专家认为是能节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向[2]。分布式发电[3]并不是一个全新的概念，直到电能可以完全商业化取代蒸汽、水力、直接燃烧等能量驱动负载之前，所有电能的产生都分布于需要能源的设备或设施附近，以分布式发电方式对负载供电。分布式发电的主要特点是电力就地产生、就地消化，可与大电网并网运行，具有节省输变电投资、易于实现电网安全经济高效优质运行等特点。分布式发电系统电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散的电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时它与大电网互为备用，也使供电可靠性得以改善。随着世界各国在相关领域投资的不断加大，分布式发电供能技术也得到了迅猛发展，其发电成本也越来越低，尤其是风力发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷、热、电三联产的经济性几乎可以与传统的发电方式相竞争[4]。目前，欧美等发达国家已开始广泛研究能源多样化的、高效的和经济的分布式发电系统。无疑，分布式发电系统将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑。尽管分布式发电优点突出，但本身存在诸多问题，例如，分布式发电单机成本高，控制困难等。另外，分布式发电相对配电网来说是一个不可控源，其与配电网并网运行时，会对配电网自身的电能质量、继电保护、电能效益等产生很大的影响，而其对配电网继电保护的影响尤为突出。当分布式电源接入配电网后，配电网的结构将发生改变，传统的辐射式网络将变为一种遍布电源和负荷的互联网络。在配网发生故障时，除了系统向故障点提供故障电流外，分布式电源也将对故障点提供短路电流，这样就改变了配电网的节点短路水平[5,6]。分布式电源的类型、安装位置以及容量等因素都将对配电网的继电保护的正常运行造成影响。因此，迫切需要提出一种新的保护方案来解决这种配电系统中新出现的情况。1.2国内外发展和研究现状1.2.1分布式发电技术的发展与现状分布式发电作为一种具有广阔发展空间的新型发电方式，其能源综合利用方式得到了广泛的应用。目前，全球已安装的兆瓦级分布式发电装置己超过300万台，并且以每年超过8万兆瓦的速度递增。欧洲、美国及日本等发达国家已开始研究并采用多种一次能源形式的结合，探索大电网系统和分布式发电系统相结合的供电方式，以节省电网投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性[7-9]。在美国，容量为1kW到10MW的分布式发电和储能单元成为分布式供能系统的有用单元。据美国分布式电源联盟预测，到2020年，美国分布式电源的容量将占全国总容量的3.7%。在那时由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加117×1012kW·h的电能，几乎是近20年增量的2倍，在下一个10年之后，美国的分布式发电市场装机容量[10]估计每年将达到5-6×109W。目前，美国正在研究开发就近利用分布式电源的多种新型技术，例如：分布式电源的成批控制技术(群控技术)，按需供电的多品质供电系统，区域电力网络系统等。此外，美国电力研究协会(EPRI)和美国能源部(DOE)等官方机构还成立了研究分布式电源的部门。可以预计，分布式发电技术将在美国得到相当的发展。日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求迅速增长的发展现状，开展了可再生能源和新能源的研究，其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户个性化电力需求等方面。新能源产业技术综合开发机构(NEDO)早在2003年就启动了含可再生能源的地区配电网项目，并在青森县、爱知县和京都县建立了3个微网示范工程。日本还研制了各种先进的分布式发电产品，如用于发电的燃料电池等，并大量生产太阳能光伏电池，全世界太阳能电池组件产量在2004年达到1200MW，其中日本生产的为610MW，占到50%。欧洲提出要充分使用可再生能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效整合，并积极鼓励社会各界参与电力市场交易，快速推进电网发展。早在2005年，欧洲提出了“智能电网(SmartGrid)”的目标，并于2006年出台了该计划的实现方案。欧洲有些国家已经成功将风力发电的比例提高到10%以上，其中绝大多数是分散式风电。比如丹麦建设的大多数是1万～2万千瓦的小型风电场，全国总装机容量3100MW的风机较为均匀地分散在各地，风力发电已经占到了全国入网总量的20%，最高峰时达到60%，并计划在2013年，将风电总装机量提高40%，到2025年，丹麦的电力供给将有一半来自于风能。我国对分布式发电技术研究虽然尚处在起步阶段，但随着我国经济的迅速发展，对电源系统本身的研究已引起了一定的重视，已开始在北京、上海等地兴建基于冷、热、电联产的分布式电源，在西部和沿海兴建基于包括太阳能、风能的分布式电源。在分布式发电中应用最为广泛、市场前景最为明朗的，首推热电冷三联产技术，因为这种分布式供能系统可满足中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂的需求。随着“西气东输”工程的发展建设，燃气冷热电联产将作为合理利用天然气的最佳方式之一，已经在北京、上海、广州等城市开始发展，并建立了一批试点项目。我国小水电的容量范围一般是指在100kW和30MW之间的水电站。小水电资源分布广泛，有些与大电网并联运行，有些分散独立运行，基本上以满足当地电力需求为主，大部分属于分布式发电。在一些人口分散的地区，电力需求小，小水电完全解决可以满足电力需求。我国小水电资源极其丰富，可开发量约1.3亿千瓦，居世界首位。2003年启动的“小水电代燃料”工程，将进一步推动我国小水电的迅速发展。小水电供电方式可节省大电网供电的远距离输电线路投资，提高能源利用效率，对于电力消费总量很低的偏远山区，是一种经济合理的供电方式。风力发电已经发展成为除水力发电之外最为可靠和清洁的发电方式。我国风能资源丰富，在我国沿海、新疆和内蒙地区已建成大规模的风力发电场。在小型风机组的生产和应用方面，我国进步很快，以15万台拥有量居世界首位。风力发电具有占地面积小、装机规模灵活和建设周期短等优点，同时风力发电的成本与火力发电成本相近，可以并网发电。但由于风速是随时变化的，风能的不确定性大，因此利用风力发电直接供电的可靠性小，可采用将风力发电并网的方式进行供电。目前，并网风力发电已经成为风力发电的主要利用方式。太阳能属于清洁型、环保型能源，我国又是太阳能资源丰富的国家，因此利用可再生能源的光伏发电具有很好的发展前景。然而，在电网能够覆盖的地区，光伏电能的价格仍然比由常规电网提供的电能价格高2～5倍，在没有电网的地区，考虑了维护和运行费用后，光伏电能是最便宜的电力资源，因此主要用于人口分散地区的离网独立发电和城市与建筑物结合的并网发电，最典型的就是屋顶光伏发电。据估计，到2020年，中国无电地区分散电源和城市并网型光伏发电的总量可达到100万千瓦。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。1.2.2含分布式电源配网继电保护研究现状分布式发电作为一种新兴的、高效节能的发电技术，近年来获得了迅速发展。针对分布式电源对配电网继电保护的影响以及含分布式电源的配网保护研究，正得到国内外学者们广泛的关注。目前已提出的保护方案有两种：切源方案和孤岛方案[11]。切源方案是指在发生任何故障时，首先断开所有的DG，再采取原来的保护措施。IEEEStandard1547[12]标准要求：①若故障发生在DG所在馈线，DG应停止向配电网供电；②在DG所在馈线的自动重合闸动作前，DG必须跳离配电网。孤岛运行方案是指当故障发生时，由DG装置独立地向负荷供电的运行状态[13-15]。当配电网发生故障时，在保证系统安全稳定运行的前提下，为减小停电面积和提高发电效率，利用DG将配电网分成若干个孤岛运行。但在孤岛方案下，原有的保护装置并不能直接应用在含DG的配电网中，需要对原有的保护原理和方案进行改进，或者提出新的保护原理与保护方案。目前国内外学者们提出许多基于DG的配电保护方案，下面具体介绍几种方案。(1)自适应电流保护方案自适应电流保护能够克服传统电流保护的缺点，根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时调整保护定值[16-21]，其整定值的实时算法可表示为：(1-1)式中：为系统的等效相电动势；为系统电源侧的综合阻抗；为被保护线路的阻抗；为可靠系数；为故障类型系数（三相短路时，可近似取；两相短路时，取）。自适应电流速断保护动作条件为：(1-2)优点：能根据系统当前运行方式自适应的调整保护定值。缺点：该整定方法没有考虑DG接入的情况，对于接有DG的系统，系统侧阻抗不再只是，这种整定方法可能遇到一些问题。基于多Agent的技术的配电网保护方案大多数学者认为，Agent是具有知识、目标和能力，能单独或在人的少许指导下进行推理决策的能动实体，是一种处于一定环境下包装的计算机系统，为了实现设计目的，它能在那种环境下灵活自主地活动。多Agent系统(简称MAS)集中在自主的Agent之间智能行为的协调，它们之间协调各自的知识、目标、技能、规划来产生相应行为或解决问题。而基于广域信息的电网自适应协调保护系统是多Agent系统理论成果的一个很好的应用场所。多Agent系统由多个具有不同特性、不同能力且完成不同任务的个体Agent组成，每个Agent都是具有自治性、自主性和社会性，它可以根据周围环境的变化和自身的知识来决定自己的智能行为[22]，并且可以通过和其它Agent交换信息或知识来实现各自问题的协作求解。基于多Agent技术[23,24]的配电网故障恢复系统结构中主要包含了保护Agent、通信Agent、调度Agent、决策Agent、范例Agent、数据Agent以及计算Agent。这些Agent的功能如下：保护Agent：它是终端，是数据采集以及执行的最前线。它监测本保护区域内各设备的状态，如果有故障引起状态发生了变化，则定位故障区域，并设置标签，为下一步的分析和计算做准备。数据Agent：其主要负责系统与SCADA的接口，将SCADA传送过来的数据进行相应的归类封装，将各个Agent需要的数据转发给它们。计算Agent：主要是负责配电网的复杂计算。范例Agent：其主要完成对范例库中的范例进行维护、检索、修改、复用和添加保存等工作。决策Agent：它在整个系统中处于一个承上启下的位置，是整个系统的枢纽，它一方面将调度员提出的决策任务分解给相应的保护Agent，协调规划各个保护Agent的运行，另一方面对各保护Agent形成的决策意见进行相应的冲突消解和合理性验证，形成最终决策意见通过调度Agent提供给调度员。调度Agent：调度Agent负责系统与调度员之间的交互，它一方面用图形及数据方式动态显示当前系统运行状态和决策意见，另一方面接收调度员的交互命令，解释后传送给决策Agent。优点：利用多Agent技术，既可以加强其相关的多个微机保护间信息共享和合作的关系，提高整个保护系统的性能，又可以提高单个微机保护装置的智能作用，以大幅改善保护装置的性能[25]。缺点：该方案设置比较复杂，还不够成熟，此外实现全网自适应协调保护的关键是如何能够提高电网结线分析、短路计算和定值计算的速度，使整个整定计算的速度能跟得上电网方式变化速度。因此如何提高自适应保护整定计算的实时性，也是该方案需要研究的一个重点。(3)区域纵联比较保护方案该方案的主要思想是：将包含DG在内的变电站及所有馈线作为保护区域，在变电站中设置一个站级保护主机，在每条馈出线的独立DG、微网、分段开关或用户接口等具有切断短路电流能力的开关处都安装一个借助通信通道与主机通信实现信息交互的保护从机[26]。区域纵联保护系统的结构如图1-1所示，其中保护主机负责故障的判断和定位，从机负责向主机提供安装点处故障方向信息，根据本地检测的结果和主机信息，决定是否跳开相应的开关。图1-1变电站级区域纵联保护的结构Fig.1-1Configurationofsubstationarealongitudinalprotection优点：用于DG容量不大但渗透率较高、接入电网为放射状结构的配电网系统中，其中方向检测元件与传统的功率方向元件没有本质区别，只是对正方向重新定义，达到方向检测灵敏度基本不受DG容量、类型、并网位置和运行方式变化等因素影响的目的。缺点：对于大容量的DG，包括风力发电等，该保护方案不再适用，而且过度的依赖通信。此外，文献[27]在参考国外的并网规则的基础上，论述了DG并网运行的基本技术和运行参数的相关要求，并且提出我国制定并网规则应遵循的方向，具有一定的现实意义。文献[28]在尽量不调整配电保护装置的情况下，针对分布式电源的准入容量问题，提出计及短路电流约束的准入容量计算原理和模型，对配电网中计及DG影响的故障计算原理进行分析，然而，限制分布式电源的准入容量不符合长远发展，无法满足用户自由选择的要求。文献[29]详细分析了不同重合闸方式下，分布式电源的接入对配电系统保护协调性所产生的各种可能的影响，给出了各种情况下消除分布式电源的接入对配电网保护设备影响的判断条件。文献[30]中介绍了一种应用于逆变型分布式电源的自适应电流速断保护的方案，考虑到了DG接入的情况，但是该方案只提到了速断保护，没有提及线路的后备保护，不能保护线路全长，保护的可靠性不高。文献[31]分析了工频变化量距离保护在含DG典型配电网故障时的动作情况。结果表明，工频变化量距离保护方向性明确、动作快速，其可靠性、灵敏度等性能均优于配电网传统的距离保护和电流保护，适用于35kV及以下电压等级电网。但当分布式电源的出口电压较高时(例如一些大型的风电场接入电网时)，该保护方案将不再适用。文献[32]指出微网独立运行时的故障电流幅值太小，传统的过流保护技术不再适用，提出了根据零序电流和负序电流幅值设定整定值的保护策略；文献[33]提出了一种基于差动电流分量与零序负序分量的微网保护策略，但是其针对的微网结构较为简单，通用性不够，在微网结构变得复杂时，可能造成矛盾的结果；文献[34]介绍了一种自适应的继电保护方案，其主要原理就是把采集到的电气量信息与计算机存储的信息进行对比，从而确定故障区域和故障点；文献[35]介绍了一种为分布式发电中方向继电器提供保护算法的方案，文中采用了两种算法，这两种算法互为后备，但是由于算法中使用了零序分量，所以只能用于单相接地故障的检测中，有一定的局限性。1.3本文的主要工作(1)对分布式发电的概念、分类、并网方式以及目前研究和发展的现状进行梳理。(2)对双馈发电机组的机构和工作原理进行分析，建立双馈机组的数学模型，并以风电机组作为分布式电源搭建仿真模型，比较接入分布式电源前后线路发生故障时电压电流的变化情况。针对分布式电源接入位置、注入容量不同时对馈线各处保护以及对自动重合闸的影响进行理论分析，并通过仿真进行验证。(4)根据含DG配电系统故障时的特点，计算各线路的短路电流，给出含DG的配电网线路电流保护的整定公式，包括I段，II段和III段保护，通过仿真进行验证。(5)提出分布式发电系统下继电保护的配置方案，并对含分布式电源配电网线路保护进行初步分析和展望。第2章分布式发电概述2.1分布式电源的概念分布式发电作为电力行业的第二次物质革命展现在世人面前，但国内外对分布式发电的具体含义仍没有准确的定义，甚至各国的叫法也大不相同：在英国，称为嵌入式发电(EmbeddedGeneration)；在北美，称为分散式发电(DispersedGeneration)；在欧洲和亚洲的部分国家，叫做非集中式发电(DecentralizedGeneration)。分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至几十兆瓦之间的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的，可作为备用发电容量、削峰容量，也可承担系统的基本负荷，还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。对于电力系统的运行，分布式发电还可以起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用[36]。与远离负荷中心依靠远距离输配的传统电源相比，DG具有如下特点[37]：(1)提高电网的可靠性。DG可作为备用电源为要求不间断供电的用户提供电能，当大电网发生故障时，可通过启动断开装置使DG与电网断开，由DG独立为用户供电。(2)缓解能源危机，保护环境。现阶段燃煤发电仍是主要的发电手段，燃煤发电不仅消耗能源，而且环境污染较大，DG大量采用可再生能源和清洁能源(如风力发电、太阳能发电和生物能源发电等)，更加环保，还减少了对能源的依赖。(3)投资少，安装和运营具有更高的灵活性。由于容量及体积均较小，因此易于找到合适的安装地点，可以方便地为边远贫困地区供电。同时，分布式电源多采用性能先进的中小型、微型机组，操作简单，有灵活的负荷调节能力。(4)经济性。由于DG可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的阶梯利用，从而可提高能源的利用效率(达70%-90%)，此外还可降低初期投资的费用和网损。2.2分布式电源的分类目前，分布式发电研究热点之一是可再生能源发电技术，包括水力发电、生物质能发电，这些属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳能发电、地热及海洋能发电等都属于新兴的发电技术。对于使用燃料的分布式发电技术、燃料电池和微型燃气轮机是目前关注的焦点。下面介绍几种分布式发电方式。(1)风力发电风力发电技术资源分布广泛，技术成熟，是近年来发展应用最广的发电技术。风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。世界风力发电总装机容量以每年20%～30%的速度增加。2007年全球风电新装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。2008年，风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机最多的国家，装机容量超过2000万千瓦。“十五”期间，中国的并网风电也得到了迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到2600兆瓦，成为继欧美和印度之后发展风力发电的主要市场之一。到2008年，我国也已建成了250多个风电场，新增风电装机容量达到7190兆瓦，新增装机容量增长率达到108%，累计装机容量跃过13000兆瓦大关。风力发电主要有两类运行方式[38]：一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，在通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般约为100W～10kW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳能光电池组成混合供电系统，系统容量一般约为10～200kW，可解决规模较小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式，机组单机容量范围在200～2500kW之间，既可单独并网，也可以有多台，甚至成百上千台组成风力发电场。风力发电主要是通过原动机(风力机)捕获风能，并将其转化为机械能，然后再由发电机将机械能转化为电能，最后并网运行。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机一般分为鼠笼式异步发电机、转差可调的绕线式异步发电机、双馈异步发电机、低速同步发电机等。按其并网方式将其分为二类：直接并网和通过逆变器并网。通过逆变器并网的风力发电机由于逆变器的自身特性，不可能承受电网短路电流，所以，通过逆变器并网的风机在系统发生故障时，将会迅速关断，使系统恢复到无DG的状态。(2)光伏发电光伏发电自20世纪50年代第一块太阳电池问世以来，从太空应用到地面独立电源，从屋顶发电到并网电站，经历半个多世纪后，该产业出现了“井喷式”发展。全球太阳电池产量1996～2006年10年间增长22倍，年复合增长率超过36%。2007年国内太阳能电池的产量约为1100MW，而欧洲、日本和美国产量分别为1062MW，920MW，266MW，中国已成为名副其实的太阳能电池产量世界第一。“十一五”期间，我国在屋顶光伏发电系统方面[39]，以2008年奥运会国家体育场鸟巢226.8KW光伏并网发电系统、国家体育馆102.5KW以及五棵松体育馆100KW光伏并网发电系统最具代表性，备受关注的上海世博会3MW屋顶光伏并网发电系统目前也已投入使用。在大型光伏并网电站的建设上，以甘肃敦煌10MW、云南昆明石林166MW以及青海柴达木盆地拟建设的GW级光伏并网电站最具代表性和期盼性。光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电方式，光伏发电系统通常是由由光伏电池板、能量优化控制器、电能存储及逆变器等环节构成的发电与电能变换系统。光伏系统一般分为两大类[40]：独立发电系统和并网发电系统。独立发电系一般是指供用户单独使用的光伏发电系统，包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网发电系统是指与电网系统相连的光伏系统，产生的电能可以输入电网，可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电[41,42]。带有蓄电池的光伏并网发电系统通常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。热电联产与冷热电三联产热电联产(CombinedheatandPower，简写为CHP)是指热能与电能的联合生产。CHP系统已在能源密集工业如造纸、纸浆和石油等行业应用了一百多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。生产电能的动力装置的排热与余热用于工业生产供热与冬季采暖，使不同品质的能量得到阶梯利用。燃煤热电联产为的能源利用率达到70%以上，而即便当今世界上最高效率的燃煤发电产厂，也只有50%的效率。为进一步提高能源利用效率，在热电联产的基础上，发展起来了通过锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电的冷热电三联产技术，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽[43]，生产C冷水用于空调或工艺冷却，便于减少冷凝损失、降低煤耗、提高能源利用率。(4)微型燃气轮机发电微型燃气轮机起源于20世纪60年代，是单机功率为25～300千瓦的小功率燃气轮机，它能利用天然气、沼气、汽油、柴油及烷类气体等多种燃料。先进的微型燃气轮机发电技术不仅采用了可调节烟气回热燃烧技术，还采用了空气轴承、永磁发电机、晶体管变频、智能化程序控制等技术。微型燃气轮机发电技术己在欧美及日本等国获得应用。在美国，卡普斯顿公司已制造出65千瓦级微型燃气轮机发电装置，发电效率达到26%，年产量1万台；霍尼威尔公司开发成功了75千瓦级的发电设备，发电效率为28.5%。日本的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统[44]。微型燃气轮机在我国也已得到广泛的重视与应用。目前，在中科学技术部“863”项目支持下，由中国科学院工程热物理研究所、哈尔滨东安集团、西安交通大学三家单位组成的产学研联合体已经完成100KW级微型燃气轮机的样机[45]设计，并通过了验收，预计在不久的将来推出市场。微型燃气轮机(简称微燃机)是指发电功率在几百千瓦以内的小型热力发动机或动力装置，由径流式叶轮机械、单筒形燃烧室和回热器构成，可分为单轴型和分轴型两种。大多数微型燃气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转子转速在50000一120000r/min之间。发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60Hz、480V的交流电。微型燃气轮机具有可靠性高、寿命长、噪音低、体积小、污染低、油耗低等一系列优点，是目前应用较为广泛的一种分布式电源。(5)生物质能发电生物质能发电起源于20世纪70年代，自爆发世界性的石油危机后，欧美等国开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行农林业剩余物等生物质发电。国外以高效直接燃烧发电为代表的生物质发电在技术上已经成熟。我国生物质发电也有了三十多年的发展历史，到2006年，我国生物质发电总装机容量约为2000MW，其中蔗渣发电占了近90%，达到1700MW以上，主要是蔗糖厂蔗渣发电。近年来还发展了一大批秸秆直接燃烧发电厂，也取得了良好的社会效益和环境效益。截至2008年8月，我国累计核准农林生物质发电项目130多个，总装机容量约3000MW，已有25个生物质直燃发电项目并网发电。从广义上讲，生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有动植物和微生物等。生物质做蕴含的能量称为生物质能，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种可再生能源。通常来说生物质能资源包括以下几类物质：农作物秸秆和水生植物可作燃料使用的部分、合理采伐的薪柴和木材加工的剩余物、能源植物、人畜粪便、有机废水废渣、城镇垃圾等。生物质能发电[46]有多种方式，其基本工艺流程为：生物质能→预处理→生物质能生产装置→动力机→发电机→发电。目前生物质能发电的主要包括直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电、沼气发电、垃圾发电等五种形式。直接燃烧发电是指将生物质在锅炉中直接燃烧，生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电，其关键技术包括生物质原料预处理、锅炉防腐、锅炉的原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率等技术[47]。生物质的直接燃烧今后将会是我国生物质能利用的主要方式。混合燃烧发电是指将生物质与煤混合作为燃料发电，对生物质原料预处理的要求较高，在技术方面，混合燃烧发电一般是通过改造现有的燃煤电厂实现的，只需在厂内增加储存和加工生物质燃料的设备和系统，同时对原有燃煤锅炉燃烧系统进行适当改造。气化发电技术是指生物质在气化炉中转化为气体燃料，经净化后直接进入燃气机中燃烧发电或者直接进入燃料电池发电。其关键技术之一是燃气净化，气化出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分，焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质出去，以保证发电设备的正常运行。沼气发电主要是利用工农业或城镇生活中的大量有机废弃物经厌氧发酵处理产生的沼气驱动发电机组发电。其关键技术主要是高效厌氧发酵技术、沼气内燃机和沼液沼渣综合利用技术等。垃圾焚烧发电是利用垃圾在焚烧锅炉中燃烧放出的热量将水加热获得过蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电。(6)燃料电池发电早在1839年W.R.Grove提出了燃料电池的概念，距今已有170多年的历史了。20世纪60年代以后，燃料电池的研究受到越来越多的管住和重视，发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目。20世纪70年代，天津研究所也研制成功了石棉膜型动力排水的航天用氢氧燃料电池系统。在“九五”期间，燃料电池被列入国家重点科技项目攻关计划，加强了研究开发力度。燃料电池[48]是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。在燃料电池中，不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能。燃料电池不同于常见的干电池与蓄电池，它不是能量储存装置，而是一个能量转化装置。一方面，需要不断地向其供应燃料和氧化剂，才能维持连续的发电输出，供应中断，发电过程就结束。另一方面，燃料电池可以连续地对自身供给燃料并不断排出生成物，只要供应不断，就可以连续地输出电力。燃料电池系统主要包括发电系统、燃料重整供应系统、氧气供应系统、水管系统、热管理系统、直流-交流逆变系统、控制系统、安全系统等。2.3分布式电源的运行方式根据不同用户的要求，DG有两种运行方式：并网运行和孤岛运行[49,50]。孤岛运行是指在一些特殊地理位置，由于连接到大电网的成本很高，DG可作为其独立电力供应源；在其他更多情况下，考虑到基于可再生能源的DG出力会受到自然条件的影响，为了提高对用户供电的可靠性，DG应该并入当地配电网络实现对当地负荷的电力补充。由于DG所采用的技术类型不同，发出的电有工频交流电、直流电和高频交流电之分。因此，DG与电力系统相连时，并网方式有直接并网(通过变压器相联)和经逆变器并网两种方式，各种DG的并网方式如表2-1所示。表2-1DG的并网方式Table2-1ThemodeofDGconnectedtopowersystem技术类型输出并网方式小型燃气轮机AC直接并网水力发电AC直接并网太阳能热发电AC直接并网生物质能发电AC直接并网地热发电AC直接并网潮汐发电AC直接并网风力发电AC直接并网/逆变器并网光伏发电DC逆变器并网燃料电池DC逆变器并网2.3.1并网运行方式并网运行方式是指分布式电源通过PCC点与大电网互联，与大电网之间有功率交换，当负荷大于分布式电源发电时，微电网从大电网吸收部分电能，反之，当负荷小于分布式电源发电时，微电网向大电网输出多余电能。分布式发电系统与电力系统之间存在以下四种关系[51]：(1)分布式发电系统独立运行向附近用户供电；(2)分布式发电系统独立运行但与当地电网之间有自动转换装置；(3)分布式发电系统与系统并联运行但对当地电网无输出；(4)分布式发电系统与系统并联运行且对当地电网输出电能。分布式电源的并网系统包括：(1)在分布式电源和电网之间建立起物理联系设备；(2)分布式电源与外界形成电气联系的手段，同时并网可实现分布式电源单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能。图2-1中虚线框内的组件就是实现分布式电源与电网之间联系的并网系统。由图2-1可知一个完整的并网系统可以实现以下功能。图2-1分布式发电并网结构示意图，DR为分布式电源Fig.2-1SchematicdiagramofDGconnectedtopowersystem,DR-distributedgeneration2.3.2孤岛运行方式孤岛运行是指与大电网分开一部分网络独立运行，由一个或多个分布式电源供电。孤岛是一个没有调节控制的电力系统，由于发电和供电之间的不平衡且孤岛电网中没有电压、频率控制，其特性是不可预知的。孤岛运行分为两种[52,53]：计划内孤岛运行和计划外孤岛运行。计划外的孤岛运行是指在大电网发生故障或其电能质量不符合标准情况下，微电网可以以孤岛方式独立运行。在这种方式下，可以保证微电网自身和大电网的正常运行，从而提高供电的可靠性和安全性，此时，微网的负荷全部由分布式电源承担。考虑到经济型，微网可以主动与大电网隔离，独立运行，称为计划内的孤岛运行。2.3.3分布式电源运行标准一些工业发达国家已对DG并网的技术标准进行制定。英国电力协会早在1991年就发布了《G59/1嵌入式发电并入地区配电网的推荐技术标准》；加拿大在2003年7月完成了微电源的发展临时准则，这一准则着重基于逆变器的微电源；国际电气电子工程师协会(IEEE)于2003年6月发布了“DG并网技术标准IEEEStd.1547”，2003年10月该标准被批准为国家标准。IEEEStd.1547实际上是分布式电源一系列互连标准中的第一项标准。IEEE1547对分布式发电装置有严格的要求，规定了10MW以下DG互联的基本要求，但也限制了分布式发电的运行方式，使其优势和潜能受到一定的限制，这些研究和规定并没有解决分布式电源大规模并网问题。在我国，上海市电力公司和上海燃气集团公司联合制定了《分布式供能系统工程技术规程》，上海市政府于2005年8月发文要求在全市范围内贯彻实施这一规程。国家电网公司于2010年8月发布了《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480—2010》，规定指出接入系统原则为：(1)并网点的确定原则为电源并入电网后能有效输送电力并且能确保电网的安全稳定运行。(2)当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。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%。(3)分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不宜低于10。(4)分布式电源接入电压等级宜按照：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。经过技术经济比较，分布式电源采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时，可采用低一电压等级接入。但总体来说，我国在这方面的工作还比较滞后，特别是接入配电线路的DG的并网问题，没有可供参考的技术标准、规范，急需启动有关标准的制定工作。2.4本章小结本章主要介绍了分布式发电的概念，并对多种分布式电源(包括风电，光伏发电等)进行了概述，以及对其运行方式做了简单介绍。第3章含风电分布式电源接入配网故障特性分析3.1双馈感应发电机风力发电系统风电的随机性使风电场输入系统的有功功率处于不易控制的变化中，相应的风电场吸收的无功功率也处于变化之中。在系统重负荷或者临近功率极限运行时，风速的突然变化将成为系统电压失稳的扰动[54]。风电场所在地区往往远离负荷中心，处于供电网络的末端，而且需要消耗感应无功功率，系统的电压稳定问题更加突出。目前世界上流行的风力发电技术大体上可以分为恒速恒频(CSCF)和变速恒频(VSCF)两大类。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，风速变化时，系统通过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率[55]的恒定。变速恒频风力发电技术将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机的控制中来获取高质量的电能，已成为近年来的研究热点。在新安装的变速恒频风力发电机中，现在最常用的是双馈感应发电机(DFIG)。双馈感应变速恒频风力发电技术可以提高风能捕获能力和转换效率，改善并优化风力发电机组的运行条件，便于顺利实现并网操作，是一种优化的具有良好应用前景的风力发电解决方案[56]。双馈发电机[57-59]又称为交流励磁发电机，它的结构类似于绕线式异步电机，定子和转子均安放对称三相绕组。定子绕组有频率恒定的对称三相电源激励，转子绕组由频率可调的对称三相电源激励，电机的转速由定子和转子之间的转差频率确定。定子侧直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交直交变频器与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅值、相位、频率均可变，其中励磁频率为转差频率。其中交-直-交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。双馈发电机除通过定子向电网溃入功率之外，还通过部分功率变频器与电网之间交换转差功率，并可以通过变频器的控制对整个双馈电机的有功功率和无功功率分别进行控制。双馈风力发电机组系统主要由风力机、双馈发电机、变流器、控制检测系统等组成，结构图如图3-1所示。图3-1双馈风力发电机系统结构示意图Fig.3-1Theschematicdiagramofdouble-fedwindgenerator(1)风力机：主要部分有叶片、轮毂、齿轮箱等。叶片用于捕捉风能并通过轮毂、齿轮箱等转化为机械能进行传递。(2)双馈感应发电机：双馈风力发电机的定子侧直接接入电网，转子侧经双向变流器接入所需低频励磁电流[60]。因为定子与转子两侧都可能有能量的馈送，所以称为双馈风力发电机。(3)变流器：变流器采用功率可双向流动的电压源型交-直-交PWM变流器。网侧变频器主要是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线处电压的稳定。转子变流器主要任务一是调节有功功率，实现对风能的最大捕获；二是可以通过改变励磁电流的幅值和相位，调节定子无功功率。(4)控制系统：双馈感应发电机控制系统包括电气控制与变桨距角控制。当风速小于额定风速时采用最大功率跟踪策略来实现对最大风能的捕获；当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。3.2双馈发电机的建模与仿真3.2.1风速模型作用在风力机叶片上的空气流，也称之为风能，是风电系统的原动力，具有随机性和间歇性的特点[61-63]。为了能精确描述风速具有随机性和间歇性的特点，在研究中，通常用四种成分的风速来模拟：基本风、阵风、渐变风和随机风。(1)基本风可由风电场测风所得的威布尔(Weibull)分布参数近似确定：(3-1)式中：为基本风速(m/s)；C、k为威布尔分布的尺度参数和形状参数；为伽马函数。当考虑秒级时间段的计算时，基本风速可视为常数。基本风速用Simulink中的常量模型模拟如下：图3-2基本风模型图Fig.3-2Themodeldiagramofmeanwind(2)阵风描述风速突然变化的特性一般用阵风来表示：(3-2)(3-3)式中：为阵风风速最大值(m/s)；为周期(s)；为启动时间(s)。取参数，，，阵风用Simulink中的模块模拟如下：图3-3阵风模型图Fig.3-3Themodeldiagramofgustwind(3)渐变风对风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟：(3-4)(3-5)式中：为最大值(m/s)；为起始时间(s)；为终止时间(s)，为保持时间(s)。取参数，，，，阵风用Simulink中的模块模拟如下：图3-4渐变风模型图Fig.3-4Themodeloframpwind(4)随机风风速变化的随机性可用随机噪声风速成分来表示：

(3-6)(3-7)(3-8)式中：为之间均匀分布的随机变量；为第个分量的角频率；机变量的离散间距；为风场表面阻力系数；为风速波动规模系数(m2)；为相对高度的平均风速(m/s)；为风速随机分量分布谱密度(m/s)。综合上述四种风速成分，模拟实际作用在风力机上的风速[64]为(3-9)3.2.2风力机模型风力机是一种将风能转变换为机械能的能量装置，是实现风能发电的重要设备。风力机主要由风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统等组成。风力机的吸收功率是风速的函数，可表示为：(3-10)式中：为空气密度()；为风能利用系数；为风力机扫风面积；为风速()。由风力驱动而产生的叶片转矩可表示为：(3-11)式中：为风力机叶片转矩(p.u.)；为叶片半径(m)；为风力机额定机械角速度(rad/s)；为风力机额定功率(kw)；为风速()。通过以上对风力机原理及特性的分析，建立风力涡轮机模型如图3-5所示：图3-5风力机的模型图Fig.3-5Themodelofwindturbine3.2.3双馈发电机模型双馈电机转子均为三相对称绕组，电路、磁路呈对称分布，并且d轴和q轴的阻抗是完全相等的，可列出其dq方程如下：电压方程如下：(3-12)式中：下标为s的表示定子量，下标为r的表示转子量，下标为1的表示电网量，p为微分算子。绕组磁链方程如下：(3-13)式中：表示励磁电感。电磁转矩方程为：(3-14)转子运动方程为：(3-15)式中：表示惯性时间常数，D表示阻尼系数。联立(3-12)-(3-15)，求解就可准确描述双馈式发电机的全部动态行为。3.2.4传动机构模型风力机和发电机之间通过传动机构相连，传动机构一般由轮毂、传动轴和齿轮箱组成。在建模中，一般用一阶惯性环节表示其特性。传动机构的运动方程可以表示为：(3-16)式中：为风力机叶片转矩(p.u.)；为传动机构输出转矩(p.u.)；为轮毂时间常数(s)。传动机构的搭建Simulink模型如图3-6所示：图3-6传动机构模型图Fig.3-6Themodelofdrivegear3.3风力发电机并网分析MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB软件已推出了电力系统仿真工具箱(SimPower)、控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)、信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox)、数字信号处理模块(DSPBlock)、滤波器设计工具箱(FilterDesignToolbox)、小波分析工具箱(WaveletToolbox)和神经网络工具箱(NeuralNetworkToolbox)，在电力系统方面[65,66]的应用已经成熟。对比多种仿真软件，本文选用电力软件MATLAB对含分布式电源的配电网进行仿真分析。使用MATLAB软件进行电力系统数字仿真，具有3个突出的优势。电力系统仿真工具箱(SimPower)功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并提供了可自己变成的方式创建适合的元件模型。强大的MATLAB平台。在相同的平台上，MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。友好的界面。从电力系统仿真、到数值计算、图形处理、再到信号分析，MATLAB不仅提供了各类问题的解决方案，更重要的是使这些技术变得尤为轻松简单。首先，对没有接入风电的110kV配电网线路进行仿真，具体模型如图3-7所示。无穷大系统取为110kV电源经线路和变压器降压为35kV和690V(方便与风电并网后比较)。图3-7配电线路的simulink模拟图Fig.3-7Thesimulinkmodeldiagramofdistributionline当系统正常运行时，配电线路(line2)仿真所得的电压、电流波形如图3-8所示(蓝色代表A相，绿色代表B相，红色代表C相)，横坐标表示仿真时间，纵坐标采用标幺值(pu)来表示，易于进行计算和对结果的分析比较。(a)正常运行下电压波形(b)正常运行下电流波形图3-8正常运行线路电压、电流波形Fig.3-8Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationoftheline当配电线路(line2)发生各种故障时，仿真所得的电压、电流波形如图3-9、图3-10、图3-11所示。在0.05s时刻发生故障，0.08s时刻清除故障。(a)三相故障时电压波形(b)三相故障时电流波形图3-9三相故障时线路电压、电流波形Fig.3-9Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultoftheline(a)BC两相故障时电压波形(b)BC两相故障时电流波形图3-10BC两相故障时线路电压、电流波形Fig.3-10ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultoftheline(a)单相接地故障时电压波形(b)单相接地故障时电流波形图3-11A相单相接地故障时线路电压、电流波形Fig.3-11ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultoftheline由图3-9可以看出，配电线路(line2)上发生三相短路时，故障电流达到近4pu，电压下降，接近于0。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。由图3-10可以看出，配电线路(line2)上发生BC两相短路时，故障电流达到0.75pu，正常相电压变化较小，故障相电压降为0.5倍左右的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。由图3-11可以看出，配电线路(line2)上发生单相接地短路时，故障电流达到0.45pu，故障相电压降为0，正常相电压达到1.8倍的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。大规模风电接入系统对电力系统电能质量影响较大，由于风能的随机性和不可控性，向系统提供的短路电流也越来越大，对原有的系统保护会产生影响，可能导致保护误动。本节使用MATLAB中的SIMULINK环境，选择双馈式风电机组作为此处仿真的模型[67]，对图3-12所示的带有风电机组作为分布式电源的配电网线路进行仿真，具体如图3-13所示，仿真模型的主要参数如下：(1)取双馈异步风力发电机的额定功率为1.5MVA，发电机出口电压有效值为0.69kV，额定频率为50Hz，通过升压将电压升至35kV，再通过升压将电压由110kV与系统相连。(2)风力涡轮机参数：取基本风速为12m/s，额定机械输出容量为1.5MW。(3)风速参数：风速输入设为基本风速为8m/s，从1s开始输入阵风，阵风幅值为4m/s，持续1s。(4)在配电线路末端接500KW三相串联RLC负载。图3-12双馈风力发电机与系统连接示意图Fig.3-12Thediagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem图3-13双馈风力发电机并网的simulink模拟图Fig.3-13Thesimulinkmodeldiagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem当系统正常运行时，配电线路(line2)仿真所得的电压、电流波形如图3-14所示。(a)正常运行时电压波形(b)正常运行时电流波形图3-14风机并网后正常运行线路电压、电流波形Fig.3-14Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem当配电线路(line2)发生各种故障时，仿真所得的电压、电流波形如图3-15、3-16、3-17所示。在0.05s时刻发生故障，0.08s时刻清除故障。(a)三相故障时电压波形(b)三相故障时电流波形图3-15风机并网后三相故障时线路电压、电流波形Fig.3-15Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)BC两相故障时电压波形(b)BC两相故障时电流波形图3-16风机并网后BC两相故障时线路电压、电流波形Fig.3-16ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)单相接地故障时电压波形(b)单相接地故障时电流波形图3-17风机并网后A相单相接地故障时线路电压、电流波形Fig.3-17ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem由图3-14可以看出，与图3-8中未接入风电机组线路正常运行时的电压、电流波形相比较，当系统接入风电机组(6*1.5MW)后，作为助增电源，风电机组的接入对线路电压几乎没有影响，电流大小稍有增加，但是变化不大。由图3-15可以看出，配电线路(line2)上发生三相短路时，故障电流达到近5pu，电压下降，接近于0。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。对比接入风电机组分布式电源前后，在相同位置同样发生三相短路时，接入风电机组后短路电流都有较大增加，已经超过了无风电机组接入情况下短路电流的20%，会影响到配电网线路速断保护。由图3-16可以看出，配电线路(line2)上发生两相短路时，故障电流达到1.5pu，正常相电压变化较小，故障相电压降为0.5倍左右的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。对比接入风电机组分布式电源前后，在相同位置同样发生两相短路时，接入风电机组后短路电流都有较大增加，超过了无风电机组接入情况下的短路电流，对配电网线路的速断保护造成影响。由图3-17可以看出，配电线路(line2)上发生单相接地短路时，故障电流达到0.5pu，故障相电压降为0，正常相电压达到1.8倍的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。对比接入风电机组分布式电源前后，在相同位置同样发生单相接地短路时，接入风电机组后短路电流变化不大。3.4本章小结本章主要对双馈发电机组的结构和工作原理进行了分析，并对风速、风力涡轮机、发电机和传动机构建立了数学模型，通过数学模型搭建其仿真模型。以风电机组作为分布式电源，使用MATLAB/SIMULINK软件对110kV配电线路进行仿真分析，比较了接入分布式电源前后线路发生故障时电压电流的变化情况。第4章分布式电源接入对配电网保护的影响4.1传统配电网保护配置简介目前，我国的中低压配电网大都是单侧电源，辐射型的配电网络，一般装设三段式电流保护，同时起到主保护与后备保护的作用。几乎所有10kV或者35kV馈线[68]都是从35kV至220kV变电站母线送出，大部分馈线都属于直接向用户供电的终端线路，只有部分10kV馈线通过其他变电所10kV母线转供其他10kV终端线路，属非终端线路。三段式电流保护包括无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护。其中，电流速断保护(I段)按照躲过线路末端短路时流过保护的最大三相短路电流的方法整定，瞬时动作切除故障，不能保护线路全长；带时限电流速断保护(II段)按照躲过相邻下一元件电流速断保护的动作电流整定，能够保护本线路全长；定时限过电流保护(III段)按照躲过线路最大负荷电流并与相邻线路的过电流保护配合的方法整定，做相邻线路保护的远后备，能够保护相邻线路的全长。对于非终端线路，线路保护一般采用三段式电流保护与其它保护相配合；对于不存在与相邻线路配合问题的终端线路，为简化保护配置，大多采用电流速断保护加过电流保护组成的二段式保护，再配以三相一次重合闸(前加速)的保护方式，对于非全电缆线路，配置三相一次重合闸，保证在馈线发生瞬时性故障时，快速恢复供电。4.2分布式电源接入位置对配电网继电保护影响理论分析DG一般通过10kV馈线接入配电系统，由于其容量小，在配网中接入位置不确定，我们分别在不同位置处接入DG，针对配电网中广为配置的三段式电流保护，分析不同情况下DG对各电流保护及其动作行为的影响[69,70]。4.2.1分布式电源接在配电网馈线末端如图4-1(a)所示，分布式电源接在馈线末端母线D上，馈线1变为双侧电源供电线路，馈线2仍然可视为单侧电源供电线路。假设参数：系统等值电动势为，分布式电源等值电动势为；系统阻抗为，分布式电源阻抗；变压器等效阻抗为；AB、BC、CD和AE线路阻抗分别为~，、、和分别表示线路AB、BC、CD和AE的短路点距各自母线的距离占该段输电线路的百分比，以上参数均取标幺值，等效电路如图4-1(b)所示。(a)分布式电源接在配电网馈线末端(b)等效电路图图4-1分布式电源接在配电网馈线末端及等效电路图Fig.4-1DGconnectedtotheendoffeederofdistributionnetworkandtheequivalentcircuitdiagram(1)点短路在点发生短路时，引入DG前后，保护1感受到的故障电流均只由系统侧提供，大小不变，因此保护1的动作行为不受DG影响，能够准确动作切除保护范围内的故障。同时，DG通过保护2，保护3向故障点提供短路电流，该短路电流有可能引起保护2，保护3的误动作而使DG右侧的系统形成孤岛，这时要考虑DG的带负荷能力和系统重合闸时的同期问题[71,72]。此时流过保护1，保护2，保护3的短路电流为：(4-1)(4-2)(2)点短路在点发生短路时，情况与点发生短路时类似，这里就不做具体分析了。(3)点短路在点发生短路时，在点发生短路时，保护3感受到的故障电流均只由系统侧提供，大小不变，因此保护3能够正常动作于故障，但是保护3动作后，DG仍向故障点提供短路电流，使故障点电弧[73]不能熄灭，线路重合闸不成功，导致瞬时性故障的停电时间延长。因此，需要在线路