能源并网电压平衡解决方案.docx

新能源并网电压平衡解决方案一、新能源介绍1980年（庚申年）联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能。2013-2017年中国新能源产业调研与投资方向研究报告新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。在中国可以形成产业的新能源主要包括水能（主要指小型水电站）、风能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及氢能等作为新能源。随着技术的进步和可持续发展观念的树立，过去一直被视作垃圾的工业与生活有机废弃物被重新认识，作为一种能源资源化利用的物质而受到深入的研究和开发利用，因此，废弃物的资源化利用也可看作是新能源技术的一种形式。新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。当前按类别，新能源可分为：太阳能，风能，生物质能，氢能，地热能，海洋能，小水电，化工能（如醚基燃料）,核能等。二、新能源发电的特点及并网存在的问题1. 新能源发电特点水力发电 水电的缺点 水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。 水力资源也是有限的，并且受季节的影响。风力发电 风力发电的优点 建造风力发电场的费用低廉，且基建周期短； 可再生，永不枯竭； 清洁，环境效益好，没有环境污染问题。风力发电的缺点 噪声，视觉污染，影响鸟类。 占用大片土地。 不稳定，可控性不好，目前成本仍然很高。 太阳能发电 利用太阳能发电的方法有三种：光伏发电：利用光电池，直接将日光转换为电流。光热发电：利用集热板将水加热，产生蒸汽以推动汽轮机及发电机进行发电。利用日光将水分解成氢与氧两种气体，再用氢作为发电的燃料进行发电。 太阳能光伏系统具有以下的特点：没有转动部件，不产生噪音；没有空气污染、不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好；作为关键部件的太阳电池使用寿命长。另外，太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。新能源发电还有 海水温差发电、地热发电、潮汐发电、波浪发电、生物发电、核电等。综上所述，新能源一族发电具有以下的特点：1)资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类持续利用；比如，陆上估计可开发利用的风力资源为253GW, 而截止2003年只有0.57GW被开发利用，预计到到2020年到20GW，而太阳能光伏并网和离网应用量预计到2020年可以增加1至2GW。2)能量密度低，开发利用需要较大空间。3)不含碳或含碳量很少，对环境影响小。4)分布广，有利于小规模分散利用。5)间断式供应，波动性大，对持续供能不利。6)除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。2. 新能源发电并网存在的问题现阶段，新能源的应用中，太阳能、风电是最佳的选择。由于太阳能、风能的光照资源与风力的随机性、间歇性、周期性是以光伏发电和风能发电为代表的新能源电站对电网产生影响的最主要因素，其三相电流不平衡、输出功率随机性易造成电网电压波动、闪变，对于用户侧入网的新能源发电系统来说同时也会直接影响用户的电器设备安全。具体主要表现在以下几点：1 由于太阳能光伏发电系统的一些特点,光伏发电站接入电网时对系统电网有一定影响。当光伏发电在电源中的比例不断增大的时候，对电网调峰的影响将愈加显著。光伏电源只在白天发电，具有一定的正调峰特性解决光伏发电的短期功率波动问题、如何利用光伏发电的正调峰特性进行合理的经济调度解决输电通道的利用率问题。2 随着光伏电站数量和规模的不断加大，光照短期波动和周期性变化引起的线路电压超限现象将逐步出现，长距离输电的电压稳定性问题将成为制约大规模光伏电站建设开发的主要因素之一。3 光伏发电的大规模接入对电网的安全稳定分析提出了新的挑战。4 我国的中、低压配电网主要是中性点不接地(或经消弧线圈接地)系统，采用单侧电源辐射型供电网络。光伏电源接入配电网，使配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流和短路电流大小、流向以及分布特性均发生改变。5 标准问题。三、新能源并网电压对系统的冲击影响由于太阳能、风能的光照资源与风力的随机性、间歇性、周期性是以光伏发电和风能发电为代表的新能源电站对电网产生影响的最主要因素，其三相电流不平衡、输出功率随机性易造成电网电压波动、闪变，对于用户侧入网的新能源发电系统来说同时也会直接影响用户的电器设备安全。具体主要表现在以下几点： 由于太阳能光伏发电系统的一些特点,光伏发电站接入电网时对系统电网有一定影响。当光伏发电在电源中的比例不断增大的时候，对电网调峰的影响将愈加显著。光伏电源只在白天发电，具有一定的正调峰特性解决光伏发电的短期功率波动问题、如何利用光伏发电的正调峰特性进行合理的经济调度解决输电通道的利用率问题。 随着光伏电站数量和规模的不断加大，光照短期波动和周期性变化引起的线路电压超限现象将逐步出现，长距离输电的电压稳定性问题将成为制约大规模光伏电站建设开发的主要因素之一。 光伏发电的大规模接入对电网的安全稳定分析提出了新的挑战。 我国的中、低压配电网主要是中性点不接地(或经消弧线圈接地)系统，采用单侧电源辐射型供电网络。光伏电源接入配电网，使配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流和短路电流大小、流向以及分布特性均发生改变。 标准问题。四、新能源并网电压平衡问题现有解决技术分布式电源并网是指分布式发电(distributedgeneration，DG)与区域电网建立相应的物理连接。分布式新能源发电并网后，各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故；可以弥补大电网安全稳定性的不足；可以对区域电力的质量和性能进行实时监控；能够使输配电损耗很低，可降低或避免附加的输配电成本。在传统的配电网络中，潮流的方向是辐射形的。分布式发电接入配电网后，辐射式的网络将变为一遍布电源和用户互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的根本性的变化使得电网各种保护定值与机理发生了深刻变化。现有的运行规程规定，当配网发生故障的时候，DG必须首先退出运行，以保证继电保护的正确动作。这种方法虽然保证了电力系统的安全可靠运行，但牺牲分布式电源可以提高供电可靠性能力。DG接入后，单靠继电器的本地信息已经不能满足保护的功能需求。但是保护动作相对于高压电网具有较大的时间裕度，这就为继电保护系统对配网信息的采集和交流提供了时间。通过分析分布式发电并网对继电保护的影响及DG不同渗透率下配电系统特点，通常的技术方法是串联电抗器和“主从式”的变电站级区域纵联的方式进行保护，这样可以有效地解决分布式发电对传统继电保护的影响。DG 并网运行对传统配电系统保护的影响分布式发电引入配电系统后，使传统的单电源辐射状网络变成了一个多源网络。正常运行时网络中的潮流分布及系统故障时短路电流的大小、流向和分布，均会发生变化。传统配电系统中保护设备之间建立起来的配合关系被打破，保护的动作行为和动作性能都将会受到较大的影响。以图1 所示系统为例，分布式发电并网对保护的影响主要表现在以下方面1-3：图1 DG 对继电保护的影响（1）导致本线路保护的灵敏度降低甚至拒动。以k1点故障为例，DG 引入之前，故障点的短路电流只由系统提供，DG 引入之后，D和系统都会对故障点提供短路电流， 但QF1 处的保护只能感受到系统提供的短路电流，在其他条件不变的情况下，该电流将会因DG 对下游的助增作用而减小，在保护定值不变的情况下，其灵敏度将会降低，严重时甚至会拒动。DG 的容量越大，对配网保护灵敏度的影响也就越大。（2）导致本线路保护误动。当系统侧k2 或其他馈线k3 处发生故障时，在DG 引入之前，QF1 处的保护感受不到故障电流，DG 引入之后，相同点故障时，QF1 处的保护将感受到DG 提供的故障电流，如果该电流足够大，将导致保护误动。（3）导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性。设k4 处发生故障，在DG 引入之前，短路电流只由系统流向故障点。DG 引入之后， DG 和系统都会对故障点提供短路电流，此时相邻故障线路的保护（即QF2 处的保护）也会感受到故障电流，将可能导致其速断保护误动，从而失去选择性。（4）DG 可能导致重合闸不成功。当DG 引入之后，线路两侧连接的是两个电源，线路故障时，如果只有系统侧保护动作跳闸而DG 不跳开，则DG 会继续向故障点提供短路电流，故障点仍处于游离状态。如果此时系统侧进行重合闸，必然会重合于故障状态，导致重合闸不成功。在分布式发电技术发展的初期，供电公司一般均采取限制DG 接入数量、接入容量和接入点位置的措施，来减小它对配电系统继电保护选择性和灵敏度的影响4-5；在高渗透率情况下，DG 一般以微网的形式与配电系统连接。微网是指由分布式电源、储能装置、用电负荷和相关监控、保护装置汇集而成的自治发配电子系统，它既可以并网运行，也可以独立运行6-7。由于微网中的DG 发电设备具有多种不同的类型，且易受气象条件的影响具有间歇性发电的特点，从而使DG 高渗透率下配电系统的运行方式、故障特征等变得十分复杂，传统的过电流保护将难以协调。方向过电流保护尽管能够判断故障方向，但定值、时限的整定配合将会变得十分困难，无法保证保护的性能。五、新能源并网电压平衡解决方案设计新能源并网电压平衡解决方案：基于GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案随着能源的日渐紧张，人们纷纷开始考虑充分利用其他形式的能源来满足现代社会的发展，分布式发电将会在不久的将来得到快速的发展，将会极大地缓解能源紧缺的危机。然而，分布式电源的引入必然会对原有的传统保护存在很大的影响。特别是高渗透率分布式电源并网将会成为未来的发展趋势，这就要求我们对这种电网方式提出有效的继电保护措施，即新型纵联保护在理论上为高渗透率分布式电源并网运行提供了一种新的继电保护方法分布式电源并网运行继电保护改进措施和新的纵联保护方案。而在此基础之上，基于新能源及电力网络系统的GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案则是新能源并网电压平衡解决方案的下一代智能化信息服务的最优化综合解决策略。1. 分布式电源渗透率比较低的继电保护改进措施在分布式电源渗透率比较低的情况下，如果对配网的影响较小，可以忽略分布式发电的影响，当前保护配置无需改变；当无法忽略分布式电源的影响时，必须采取适当的措施加以应对。图2 分布式电源对保护1 继电保护的影响注： Z s 为系统等效阻抗； Z L 为线路阻抗； ZDG为分布式电源的系统等效阻抗如图2 所示，如果一个分布式电源接在离线路末端x处，当线路末端发生短路故障后，它将向故障点提供短路电流，减小了线路保护 1 检测到的故障电流值I K ，从而降低了保护1 的灵敏度 。设。电流瞬时速断保护整定值 按照躲过本线路末端的最大短路电流来整定，过电流保护整定值按照躲过最大负荷电流来整定，本文假定为电流瞬时速断保护整定值的1/2，所有计算数据采用标幺值（ 以电网侧为基值）, 参数取值分别为当引入分布式电源后，线路末端发生三相短路时，保护1检测到的短路电流I K 可近 似用下列公式描述：当x=0.5，即分布式电源在线路1 的中间引入，则保护1检测到的短路电流I K =0.11，此时：。可见，当分布式电源接入配电线路后，使得该线路过流保护的灵敏度降低，甚至有可能造成速断保护无法启动，形成速断保护死区。若分布式电源并网点位于速断保护死区，如果仍然采用传统的保护定值和配置方式，则只能由后备保护切除故障；若减小速断保护整定值，就可能造成速断、过流保护和其他控制装置之间无法协调，导致保护误动。若相邻线路2(假设两条线路具有相同的长度和单位阻抗)在距离母线y 处发生三相短路故障，保护1 检测到的故障电流值I K 可近似描述为：当分布式电源接在距离线路末端12 处,故障发生在母线处时（y=0），I K =0.1818，可以看出，随着x值的变化，会使得1II K I set ，例如，x=0.75时，I K =0.2353。所以如果故障发生在距离母线较近的部分，由于分布式电源的作用，会使保护1 检测到的故障电流大于其速断保护的整定值，将导致保护1 误动。针对上述问题，可考虑采用在分布式电源的并网线上串联电抗器，限制分布式电源提供的短路电流，以确保原有保护的协调配合。电网正常运行时，由于负荷电流相对较小，电抗器不会产生较大的电压降而损害电网的电压质量。当系统发生短路故障时，电抗器可以将短路电流限制在设定值以下。图3 串联电抗器后，分布式电源对保护1 的影响如图3 所示，当线路1 末端F1 点发生三相短路故障时，保护1检测到的故障电流值I K1可近似描述为：当相邻线路2 母线端发生三相短路故障时，保护1 检测到的故障电流值I K2可近似描述为：为了保证保护1 的选择性与可靠性，故障电流值必须满足:根据不同的线路参数，由上式可以计算出串联电抗Z K的取值范围。由于电抗器高阻抗值的作用，在线路短路故障时，分布式电源所提供的短路电流大幅度降低，有利于故障点电弧熄灭和降低分布式电源机组检测到的负序电流，确保了重合闸的正确动作和发电机组的健康运行。2. 高渗透率分布式电源并网运行的纵联保护方案高渗透率分布式电源并网运行，可以充分发挥分布式电源的优势，也是未来电网的发展趋势。随着引入分布式电源的增加，3.1 所介绍的保护改进措施就存在着局限性，同时在串联电抗器的选择上也较为麻烦。为此本文提出了一种纵联保护方案，解决高渗透率DG 并网给保护带来的问题。与传统的“点对点”对等式结构的线路纵联比较式保护不同，新的保护方案为一种主从式结构。本保护方案的原理如图4 所示。在被保护区域的变电站中设置一个站级保护主机（MPD），而在不同的断路开关处设置从机（SPU，图4 用S 来表示），主机通过通信网络与从机通信。每一个从机内部均安装有一个方向继电器，用来测量其安装点处的故障方向。当从机收到主机的查询命令时就将故障方向信息提供给主机，主机利用故障定位算法通过处理不同从机上传的信息判断出故障区段，从而对相应的断路器发出跳闸命令。该保护方案中，所有从机的方向继电器正方向均为“自上而下”的方向，即由主配电系统侧指向配电系统的末端方向。这样，每一处的方向继电器仅反映其下游的故障。由于主电网一般容量较大且能够提供较大的短路电流，这使得方向继电器的检测灵敏度主要由主电网决定，所以分布式电源运行的易变性和断续性对方向继电器的检测灵敏度变化带来的影响将大为削弱。保护方案采用的是一种分层顺序检测故障的算法，只有在检测到故障且变电站与外网连接点（PCC）处的从机（也就是图4 中的S9）动作时，才启动该算法。通过该算法，我们可以得出如下判断：如果S9 动作但S8 未动作，则判定是变压器故障。如果S9 和S8 都动作但是S57 未动作，则判定为母线故障。如果任何一条馈线安装处的从机动作（如图4 中的S57）则说明故障发生在相应的馈线上。例如，如果S6 动作，则故障一定位于馈线2 上。然后主机将向该馈线上的所有从机发出查询命令（即图4 中的S14）。S14 将响应主机的命令把它们各自检测到的故障方向结果上传给主机。主机通过比较S14 的检测结果来确定故障区段，然后给相应的从机发送动作信号，相应的从机将向本地的断路器发出跳闸命令切除短路电流。电压调节问题原有的调压方案不能满足接入分布式电源后的配电网电压调节要求。因此必须评估分布式电源对配电网电压的影响，研究新的调压策略对有载调压分接头动作影响高电压 ：DG接入馈线，变压器一次电压接近上限时低电压：DG安装在LTC或者电压调节器侧对VQC影响DG启停，无功变化造成VQC动作次数越界增加电网运行成本目前为太阳能发电提供系统备用以及调峰、调频、调压等辅助服务没有建立定价和补偿机制，随着分布式能源的大规模发展，也将增加电网的运行成本。故障时保持并网在电压跌落到0时，至少要坚持150ms不脱网。在红实线以下的区域，可以脱网运行，当然能并网运行也是可以的。故障时通过发出无功支撑电网电压u 当电压跌落超过10%时，每1%的电压跌落，至少要提供2%的无功电流。 u 响应速度应在20ms之内，必要时，必须能够提供100%的无功电流。3. 基于GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案新能源并网电压平衡解决方案：基于GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案随着能源的日渐紧张，人们纷纷开始考虑充分利用其他形式的新能源来满足现代社会的发展，新能源的共同特点是比较干净，除核裂变燃料外，几乎是永远用不完的。由于煤、油、气常规能源具有污染环境和不可再生的缺点，因此，人类越来越重视新能源的开发和利用。尤其是取之不尽的太阳能地利用将成为主流。我国的西部地区幅员辽阔，待开发地区面积巨大，自然条件比较适合风能、太阳能的开发利用。西部地区的新能源大面积推广应用前景广阔。东部沿海地区及中部地区的分布式新能源应用将成爆炸性增长。分布式发电将会在不久的将来得到快速的发展，将会极大地缓解能源紧缺的危机。然而，分布式电源的引入必然会对原有的传统保护存在很大的影响。特别是高渗透率分布式电源并网将会成为未来的发展趋势，这就要求我们对这种电网方式提出有效的继电保护措施，即新型纵联保护在理论上为高渗透率分布式电源并网运行提供了一种新的继电保护方法分布式电源并网运行继电保护改进措施和新的纵联保护方案。而在此基础之上，基于新能源及电力网络系统的GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案则是新能源并网电压平衡解决方案的下一代智能化信息服务的最优化综合解决策略。GRS智能电网技术对光伏电站和风电场接入电网之后的有功功率控制、功率预测、无功功率、电压调节、低电压穿越、过电压保护、防雷接地、运行频率、电能质量数据库、模型和参数、通信与信号和接入电网测试等方面均作出了一揽子系统解决方案和规定，用以解决太阳能、风能等新能源发电标准化接入、间歇式电源发电功率精确预测以及运行控制技术等问题，以实现大规模新能源的科学合理利用；使得新能源发电系统本身具备自我的安全保障接入与智能自控自愈的功能。 GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的要素简介设备：包括新能源发电系统相关的所有设备装置，例如：光伏组件、风机、控制器D、蓄电池组、逆变器、发电控制与逆变器一体化电源等、变压器、电力控制与保护装置（柜）。功能与参数：新能源发电系统所需的系统功能、参数、控制操作、通讯传输类型。 GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统组成GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统（简称GRS智能电力系统）包括数据通讯端、数据联网端、电力大数据云端服务器（计算机数据处理中心）、新能源电力测控管服务客户端、新能源电力测控管综合服务平台，以及GRS电力综合通讯传输规程。 基于GRS分布式新能源电站智能（测、控、管）一体化电能管控系统的解决方案GRS智能电力系统是基于智能电网即电网智能化的一体化技术应用方案。具有先进的传感测量、检测和监测装置、先进的控制保护方案以及系统的管控软件，实现了光伏电站运行的可靠安全、经济高效和智能化管控的目标，并能够搭建智能微网来容纳各种不同形式的发电单元的接入促进以电力市场资产的优化策略进行调配组合而达到高效、高收益运行。从系统设计出发，优化设备功能组合与参数配置，最大限度地降低设备装置复杂度，降低传输电缆及汇流设备自身电能损耗；独特的智能化电站监控管理模式，使得保障系统持续运行的维护成本更加低廉。GRS专注提供新能源发电测、控、管一体化技术应用方案，是新能源智能化测控管一体化技术的先行者和领导企业，拥有成熟的太阳能、风能、水能等可再生能源发电测控管技术和解决方案并在此基础上可以结合各项目实际情况进行方案聚优创新一揽子服务。