分布式能源电气接入系统故障特性
分布式能源电气接入系统类型
分布式能源有多种形式， 在与建筑或建筑群相结合应用中， 往往高品质的电能供应是分布式能源的重要供能形式。利用各种分布式能源进行发电将是长期存在的一种建筑供能方式。
分布式能源发电可以按照分布式能源类型、发电容量、并网方式等进行划分，按照分布式发电容量可将分布式发电系统划分为小型、中型和大型分布式发电系统； 根据能源类型不同可将其划分为燃气、太阳能、风能、设备储能发电等； 按并网方式又可划分为独立式、直接并网型和经逆变器并网型。
根据我院近些年来， 在许多建筑项目中应用的分布式能源供能形式， 以及在实施设计中所采用的电气接入系统类型， 笔者总结了分布式能源电气接入系统分类，详见表 1。
表1 分布式能源电气接入系统分类
逆变型分布式电源并网故障分析
逆变器并网接入系统经过逆变器装置并网， 其并网模式受制于逆变器装置， 与逆变器内部结构直接相关。常用逆变器有恒功率控制及恒压恒频控制方案， 在建筑设计中通常采用恒压恒频控制型， 逆变器主要由 IGBT等电力电子设备构成， 在运行中由于 IGBT 自身过载能力不强， 因此须设置保护模块以限制其过电流。通常情况下配置过流短路保护， 故障整定值应达到额定工作电流的 2 倍以上。
图1 逆变型分布式电源并网故障分析图
由于逆变型分布式电源受环境影响较大， 分布式电源输出功率由于随机性等原因可能会影响系统之故障点所产生短路电流。如图 1 所示， 当故障点发生在市电网与分布式电源之间的 K1 点时， 继电保护根据系统主电源向故障点提供的短路电流进行整定， 则原有保护使系统主电源侧 QF11 保护动作， 而分布式能源提供的故障电流有可能不能促使该线路下级 QF112 保护装置动作，分布式电源会继续向短路点提供短路电流， 使系统继续带故障运行； 当故障点发生在不含分布式电源的线路 K2 点时， 由于分布式电源提供的短路电流 scc4 较小，虽然短路电流有部分增大， 但基本可维持在原灵敏度范围内， 误动作的可能性不大。因此在设计时应考虑 QF112 的整定值， 确保可靠切除故障， 或将逆变型分布式能源发电直接接入变电所母排， 减少保护电器级配， 实现可靠切除故障。
同步电机型分布式电源并网故障分析
同步电机电气接入系统在励磁控制方式上通常有两种： 电压控制和功率因数控制。采用电压控制的接入系统可看作有功功率和电压已知， 而采用功率因数控制的接入系统可以看作有功功率和无功功率已知。一旦同步电机出口处发生短路故障， 发电机将提供较大的故障电流， 尤其是在发生3 段短路故障下， 故障电流将高达 5 ～ 10 倍额定电流， 并且可以持续很长时间。
图2 同步电机型分布式电源并网故障分析图
如图2 所示， 当故障点发生在市电网与分布式电源之间的 K1 点时， 该分布式能源发电会向故障点提供与正常潮流方向相反的故障电流， 经短暂的过渡过程之后汇合电流相位稳定， 该稳定值足以确保与电网连接的 QF11 及 QF112 切除； 当故障点发生在不含分布式电源的线路 K2 点时， 系统成为双电源短路系统，这将导致其下级线路 QF112 的保护失去选择性而误动作， 在当该电流的幅值大于上级线路的整定值时可能会使其上级线路 QF11 的保护误动作从而扩大停电范围。
当分布式发电能源接入配电网以后考虑到供电的可靠性必须要对整体配电网的保护线路做一定的调整和重新整定， 有必要时分别设置双向潮流保护。
系统接地选择及设计
建筑物电气系统接地方式
建筑物接地系统或在其某一部分中采用中性点有效接地方式时， 应满足该点零序电抗与正序电抗的比值不大于 3， 且零序电阻与正序电抗的比值不大于１，否则是非有效接地方式。在中压配电系统中， 零序阻抗与正序阻抗之间往往满足中性点非有效接地方式的要求， 其常用接地方式可认为属于非有效接地， 包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地 3 种形式， 城市中压配电网普遍采用中性点非有效接地的三相三线制供电方式。
建筑中220 / 380 V 低压配电网为保证用电安全， 带电导体的系统型式通常采用单相两线制和三相四线制，低压配电系统接地方式分别为 TN （含TN - S、TN - C、TN - C - S） 系统、TT 系统和 IT 系统。
由于与建筑相结合的分布式电源类型、容量、并网方式多种多样， 因此， 分布式电源的电气接入系统接地方式也根据接入电压等级、并网方式、接入区域的变化具有不同的接地方式选择。对于大中型燃气分布式能源发电项目及大型光伏发电项目多数采用中压并网接入方式， 需统一考虑并适应于建筑物中压电网的接地方式， 在孤网运行时， 需兼顾已有继电保护整定数值， 选择相应的接地方式。对于小型燃气分布式能源发电项目及中小型光伏发电项目， 一般采用低压并网接入方式， 电源接地方式不应影响原低压配电网系统的接地方式。
分布式能源电气接入系统保护方案
根据国家电网关于促进分布式电源并网管理工作的意见和与多个市电管理部门意见， 一般现阶段建筑物分布式电源配网保护主要可分为两种形式： 即接即忘和宽限接入方式。
即接即忘： 严格控制并网容量， 使其对配网继电保护影响忽略， 故障时迅速切除隔离分布式电源， 以消除分布式电源并网对配网保护带来的影响。该方案下的分布式电源无论标准规范还是技术设计方面都不允许故障下分布式电源逆流供电， 此时的含分布式电源的配电网难以实现孤岛运行， 其保护形式与传统配电网一样。该方案已经成熟， 基本可用于所有能源类型的电气接入系统。
宽限接入： 允许分布式电源的大量接入， 减少对分布式电源的并网容量进行控制， 系统保护方案集中于对分布式电源的最大并网容量和对传统配网保护的改进研究上， 主要方法为应用反时限过流保护于系统线路， 在原有差动保护基础上逐步改进以形成新型差动保护， 方便接纳分布式电源接入； 在并网处研究引入故障限流器以达到减少故障电流的效果， 从而保证配网保护可靠动作； 根据地区市电电网的不同构架， 宽限接入实际上是一种带条件的存在， 审批和设计均较为困难。
总体看来， 近年来对于含分布式能源发电的配电网保护越来越趋于系统化、数字化、智能化。另外， 继电保护的发展与通信网络的关系越来越密切， 电网中各种信息量经采集之后经通信网传输至中央处理器或者变电站做出相应的控制策略， 再经通信网将该控制信号传输至执行命令的断路器或者其它电力设施从而完成继电保护相应的功能。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2017年增刊1——全国建筑电气设计技术协作及情报交流网2017年年会论文集(上)，详文请见杂志。
版权归《建筑电气》所有。
作者：邵民杰， 男， 华东建筑设计研究总院， 教授级高级工程师， 总院总工程师。
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