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频率保护与分布式发电

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口 厶专题 频率保护与分布式发电 赵希才,徐光福 (南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京2l1102) 摘要:文章描述了分布式发电并网保护的配置要求,分析了频率保护应用于分布式发电并网保护时所面临 的挑战,介绍了频率保护国际标准制定的新进展,提出了下一步需要研究的相关课题。 关键词:分布式发电;频率保护;频率变化率保护 中图分类号:TM73 文献标志码:A DOI:10.19421 ̄.cnki.1006—6357.2017.02.008 0引言 分布式发电因其具有经济、高效、节能减排、解决 边远地区用电等突出优点,已逐步成为我国乃至全世界 能源发展的重要方向之一,是促进可再生能源和清洁能 源利用的重要手段¨ J。大量分布式发电接入配电网, 改变了传统配电网的拓扑结构,给电网的系统安全、设 备安全,以及检修人员人身安全带来了威胁,因此有必 要在分布式发电公共连接点处配置并网保护L3 J当电网 侧和分布式发电侧发生短路故障或异常情况时,并网保 护能及时跳闸,隔离分布式发电。 频率保护是分布式发电并网保护的重要组成部 分¨ ,一方面作为防孤岛保护的判据之一,另一方面 图1分布式电源并网保护的典型配置 Fig.1 Typical configuration of grid—connected protection for distribution generation 当频率异常时提供跳闸功能。基于不同的一次能源、能 源转换方式、接入方式、控制策略,分布式发电系统本 身以及含分布式发电的电网在电网故障和其他异常工况 下,所呈现的状态不同于传统发电系统和传统电网。比 护(LOM)、系统侧故障保护、分布式电源侧故障保护。 如分布式发电系统转动惯量小,提供的短路电流小、持 分布式电源并网保护的典型配置如图1所示,其中,频 续时间短,电压相量可能突变,频率变化比传统发电系 率保护作为防孤岛保护的一部分,当频率异常时提供跳 统要快,等等。在这种情况下,需要审视现有频率算法 闸功能。 对分布式发电的适应性,以满足调频控制和故障保护的 需要;设计合适的检测手段以确信频率保护功能和设备 符合规范要求。 2频率保护算法 2.1频率的定义 国家标准GB/T 2900.92—20 1 5《电工术语数学函 1分布式电源并网保护 数》 (等同采用IEC 60050一l03:2009)给出的定义 分布式电源并网保护是分布式电源并网点处的继电 是:频率是周期的倒数,周期是使周期量取值完全重 保护措施L6J。该处的继电保护应能检测到主电网一侧和 复的两个独立变量的最小正差。正在修订的IEC/IEEE 分布式电源一侧发生的故障和其他各种异常情况,并及 60255一ll8《同步相量测量功能标准》则定义频率是相 时将分布式电源与主电网隔离,避免损坏分布式电源发 角的一阶导数。前者更为通用,不限定波形,后者假定 电装置或者危及主电网的正常运行。具体包括防孤岛倮 信号是一个正弦波。 28 l 供用电2。17。2 DlSTRlBUTION&UTlLIZAT10N CIGRE C6年会专题 口 2.2频率测量算法 直接受变流器控制,频率的变化取决于所采用的控制策 继电保护反映电网故障和其他异常工况,其正确动 略。分布式发电系统转动惯量低,再加上其特有的频率 作依赖于正确的测量。根据频率的定义,存在众多的测 控制策略,一方面频率变化幅值可能更大、变化速率可 量算法 。基于微处理器嵌入式硬件平台和嵌入式软件 能更快,男一方面,储能的存在也可能会延缓频率的 构建的频率保护,当其应用于分布式发电场合时,其算 变化。 法应满足 :①在频率偏离额定频率,并且信号中含有 文献[10]应用RTDS和实际的控制器搭建了含 谐波、直流、噪声等分量时,均能精确测频;②计算量 光伏、储能的微网仿真系统,光伏和储能最大容量为 不能太大;③不占用或者少占用内存;④较快的动态跟 500kW,其中储能变流控制器能够运行在PQ(并网运行 踪能力,测量时滞小。 时)和v/f(孤网运行时)两种控制模式下。图2、3、4 分别是微电网非计划性脱网、计划性脱网、并网过程、 3分布式发电系统的频率特性 传统电力系统电源主要以旋转同步电机为主,系 统频率与发电机转子的旋转速度有关,由于其巨大的惯 离网状态负荷波动下的电压、频率波形。 4频率保护面临的挑战 性,一般情况下频率的波动范围以及变化速率相对较 4.1分布式发电对频率保护的总体要求 小。分布式发电系统大量采用变流器并网,其输出频率 l・5 电力系统对继电保护的基本要求就是安全性、可靠 1 = 一 E兰.三兰三 至二 t/s \ D兰 S 0 5 0 {I9j 赳 10F  二二 一 r…『¨ 一『¨…r … …… 咕— —…『“… 『¨ —志—— — — — 南 t/s ……一川 r 8 癌 000r 平0 0.1 … 0.2 …『“ ; 0.3 0.4 t/s 『"… 0.5 0.6 0.7 …‘ 0.8 差 一 . 三主二 主一::: 二二主二二 图2非计划性离网控制仿真波形 Fig.2 Simulated Waveform of Microgrid under Non・intentional Disconnection 图3并网过程控制仿真波形 Fig.3 Simulated Waveform ofMierogrid under Connecting 1 l l 1.05 - 1 / ,√ S 0 0 一广 ~ 一『 『 0 95 0 9 0 c 0 5 1 1 5 2 2 5 t/s 3 3.5 4 4 5 5 5O・1 I50.0 ; 小呻j H ;  :基 49.9 州 l  ;I 49 8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 s 3 3 5 4 4 5 5 图3计划性离网控制仿真波形 Fig.3 Simulated Waveform of Microgrid under Intentional Disconnection 图4离网状态下负荷突变控制仿真波形 Fig.4 Simulated Waveform of Microgrid under Sudden Change in Load DlSTRIBUTION&UTILIZAT10N 供用电2。17・。2 l 29 曰 6年会专题 电系统中的频率保护则主要用于防孤岛保护,由于主要 性、速动I『生、选择性。 在分布式电源渗透率较低自勺J『青况下,频率保护动作 由新能源发电构成的分布式发电系统转动惯量较低、频 切除的分布式电源容量比较有限,对电网的影响较小。 率变化较快,对频率保护的速动性要求趋于严酷。根  但是在高渗透率情况下,如果频率保护因为测量精度等 据国际大电网会议组织和国际供电会议组织CIGRE B5/原因误动,造成大面积分布式电源离网,对电网的冲击 C6.26/CIRED联合工作组的调查,在新能源发电比例较 巨大,因此确保频率保护的可靠性极其重要。 高的一些国家,如奥地利、德国,其动作时间已经压缩 当分布式发电系统并网运行时,电网有功缺额造 No.1S 。 成的频率下降主要应由低频切负荷等功能去处理,并网 4.4分布式发电频率保护与其他保护和控制的协调 点频率保护应可靠不动作。因孤岛运行导致并网点频 在频率保护的应用方面,其整定值要与分布式发电 率越限时,并网点频率保护必须迅速动作切除分布式电 故障穿越能力的配合、与电网侧的低频减载配合。如当 源。所以并网点频率保护应能够区分是电网有功缺额还 电网频率跌落超出一定范围时,一股首先采取低频减载 是孤岛运行造成的频率下降,这无疑对频率保护提出了 的方法使得电网频率恢复至额定范围内。但如果分布式 更大的挑战。在有些应用中,引入了频率变化率保护 电源频率保护定值因整定不当而先于低频减载动作,将 (ROCOF)作为防孤岛保护元件,ROCOF在系统侧故障 使系统有功缺额增大,必须切除更多的负荷甚至导致系 及故障切除过程中可能因测到频率急剧变化而误动作, 统崩溃。 而在真正脱网时,则可能因为孤网运行的小系统发电、 用电能大体平衡而拒动作。 在系统停电后的恢复过程中同样如此¨ 。分布式 发电机组配备有频率保护,当频率超出规定的限值,发 频率保护一般有欠电压闭锁, df闭锁等安全措施, 电机机组便自动切机,与电网解列。若频率恢复到预定 但这些安全措施在分布式发电的背景下,是否仍然有效 的限值以内,分布式发电机组便自动重新并网。当这些 也需要探讨。 发电机组并网并向电网供电时,在孤岛运行的电网恢复 过程中可能会引起一些问题。分布式发电出力增加,频 4.2频率测量的精度和响应速度 频率保护依赖于电压信号来进行测量。在故障或者 率将受到影响,影响幅度取决于分布式发电与集中式发 异常情况下,由于电力电子变流器的存在,分布式电源 电之比。如果频率增加超过上限,分布式发电机组应减 输出电压中含有丰富的谐波分量,难以准确测量频率。 少出力。但是,一些老的分布式发电机组不能满足这一 另外,单相电压、相间(线)电压、综合量(正序量) 要求。如果频率超过固定限值,保护设备将切除分布式 电压中所包含的谐波成分不尽相同,选择何种测量量对 发电机组,频率瞬时降低。为避免解列电网恢复起动中 频率测量的精度影响最小也是值得深入研究的问题。 当无电压互感器或者电压互感器断线时,需要依赖 的这一混乱,可临时调高频率上限。 电流信号进行频率测量。但分布式电源的输出电流中同 样合有谐波分量,尤其是可能含有间谐波,如双馈风电 5频率保护标准 国际上,鉴于目前尚无频率保护相关的专门标准, 机组在投入撬棒保护的情况下定子电流中会出现转速频 国际电工委员会量度继电器和保护装置标准化技术委员 率分量。此时频率测量算法会出现较大的误差。 会IEC/TC95开辟绿色通道,组织MT4工作组着手制定 由于分布式发电系统转动惯量低,再加上其特有的 ((IEC 60255—181频率保护功能要求》。该标准规定了定时 频率控制策略,频率变化率可能很快。频率测量算法的 限过频、欠频、频率变化率(ROCOF)保护的功能、性 动态响应能否跟上频率的变化,不失真地反映频率变化 能要求和试验标准。在输入激励量方面,除了常规的电 的细节也是衡量测频精度的重要因素。 压信号之外,也考虑到电流信号的可能性以照顾到无电 在频率保护的设计方面,需要仔细推敲测量算法、 压互感器的场合。标准也考虑到欠电压闭锁、三相不平 测量时间窗,保证精确工作范围内的测量精度、响应速 衡闭锁、df/dt闭锁(对过频、欠频保护)、过频/欠频闭 度。在频率保护的测试方面,需要设置合适的测试场 锁(对ROCOF)、电流闭锁、功率闭锁(PP)等逻辑。 景、测试波形。 标准规定了频率保护的精确工作范围、工作范围、测量 精度、启动时间精度、动作时间精度、返回(复归)时 4.3频率保护的速动性 传统的频率保护主要用于低频减载或解列、高频 间等静态性能指标。标准也规定了含谐波情况以及电压 切机或解列,动作时间一般整定为0.2~0.5s。分布式发 幅值突变、电压相角突变下的动态性能。标准详细描述 3。 I 供用电2。17 O2 DISTRlBUT10N&UTILIZATION CIGRE C6年会专题 曰 年底前发布和性能指标的检测方法。该标准预计于2叭7 。 6结语 ~~ 考虑到分布式发电的存在及其所带来的影响,有几 频率测量对于分布式发电的保护控制至关重要。需 个问题需要进一步讨论:①考察电压相量突变下的频率 要研究分布式发电系统分别处于并网运行和孤网运行状 保护特性,幅值和相角变化多大合适?如果还要模拟分 态下的频率特性,考虑其不同接入方式、控制策略和集 布式发电离网再并网的过程,两次电压相量突变的间隔 群效应的影响,审视现有频率算法对分布式发电的适应 时间多长?每次幅值和相角变化多大合适?②考察谐波 性,以满足调频控制和故障保护的需要。 的影响,考虑多少次谐波、多大含量合适?要不要考虑 需要制定相应的频率保护标准,提出合适的定值 非整数次谐波?20 1 7年4月IEC/TC95/MT4工作组在东京 范围、精度、动态特性等参数和性能要求,并设计适当 召开会议,届时可能会有答案。 的检测手段,以确保频率保护满足分布式发电的实际需 在我国,现行的频率保护标准有JB/T 9574--2000 求。国家标准GB/T 14285《继电保护和安全自动装置技 《欠频率继电器及装置》LI3]DL/T 3 1 5—2010《电力系 术规程》即将进行修订,现行版本尚无专门的分布式 统低频减负荷和低频解列装置通用技术条件》[14]0这两 电源保护配置的章节,应借此机会吸收GB,T 14598.306 个标准只考虑了欠频率保护,未考虑过频率保护,在试 《分布式电源并网继电保护技术规范》(即将发布)等成 验项目上只关注静态指标,未设置动态特性试验项目。 果予以补充。回四 参考文献 [1]国家发展和改革委员会,国家能源局.可再生能源发展 “十三五”规划[z].北京:国家能源局,2016. [2]国家发展改革委,国家能源局.电力发展“十三五”规 划(2016--2020)[z].北京:国家能源局,2016. [3]杨碾鑫,张沛超.分布式电源并网保护研究综述[J]. 电网技术,2016,40(6):1888.1895. YANG Peixin.ZHANG Peichao.A survey on intercon- nection protection of distributed resource.power system Power Systems,23(3):54—58. [9]袁石良,董杰,徐志强,等.适应于时变频率的高精度 测频算法设计与实现[J].电力自动化设备,2016,36 (11):171.175. YUAN Shiliang,DONG Jie,XU Zhiqiang,et a1. Design and implementation of high—precision time-varying requency measurifng algorithm[J].Electric Power Automation Equipment,2016,36(1 1):171-175. technology LJJ.2016,40(6):1888-1895. L4J CIGRE Technical Brochure 613-Protection of Distribution Systems with Distibutred Energy Resources.Joint Working [10]中国电机工程学会继电保护专业委员会.继电保护原理 及控制技术的研究与探讨一发电侧[M].北京:中国 水利水电出版社,2014:479-487. Group CIGRE B5/C6.26/CIRED.March 2015. 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[14]GB/T 14285--2006继电保护和安全自动装置技术规程 [s].北京:中国标准出版社,2006. 收稿日期:2017.01.03;修回日期:2017-01.16 作者简介: 赵希才(1969一),男,工学硕士,研究员级高级工程师,主要 研究方向为继电保护、变电站自动化。 徐光福(1982一),男,工学硕士,高级工程师,主要研究方向 为电力系统继电保护、分布式发电保护控制。 (下转第8页continued on page 8) DlSTRlBUTION&UTI L_ZATION 供用电2O17_02 I 31 口 EC 厶专题 3.3推进电能替代 挥各级能源主管部门在配电网规划中的主体责任, 服务电动汽车充电设施发展,满足1.2万座充换 形成常态化的规划编制机制。督促各省级“十三五” 电站、480万台充电桩接入需求,为500万辆电动汽车 配电网规划的实施,有效推动规划项目落实。积极 提供充换电服务;开展辽宁大连港等船舶岸电工程、 推动增量配电业务改革试点工作。 浙江宁波等空港陆电建设;推广与试点电采暖项目。 3.4推动智能互联 4.2积极应对“邻避效应”,提升电网与市政发展的 契合度 持续提升配电自动化覆盖率,推进用电信息采集 组织直辖市、省会城市和计划单列市专项开展 全覆盖,配电自动化、智能电表覆盖率均达到90%; 重点城市配电网优化布局工作,重点加强中心城 适应分布式电源、电动汽车、微电网等多元化负荷接 区、国家级新区以及经济热点区域电网项目的有效 入,打造清洁、安全、便捷、有序的互动用电服务平 落地。 台等。提升输配电网络的柔性控制能力,应用配电侧 4.3建立配电网数据信息平台 储能系统及柔性直流输电工程。建立并推广供需互动 推动建立国家能源局与地方能源主管部门之间, 用电系统,实施需求侧管理,引导用户能源消费新观 国家能源局与中央电网企业之间纵向一体的配电网 念,实现电力节约和移峰填谷。 3.5打造重大创新示范 信息平台,做好配电网海量数据、规划成果的积累 与分析,加强信息共享,为配电网建设与发展提供  在北京、天津、苏州、厦门、广州等开展主动配 支撑。电网、分布式多能源互补、交直流混合配电网、直流 4.4完善配电网标准体系建设 供电系统、多能源综合优化利用等综合示范工程。 开展配电网及智能电网顶层设计,研究影响配 用电领域发展的重大问题和基础理论,注重实际 4近期重点工作 4.1持续加强配电网规划能力建设 需要,加强宏观指导,加快建立高效的配电网标 准体系,满足电力体制改革和提高供电可靠性的 进一步加强规划等业务指导,打牢根基、继续发 要求。回四 (上接第31页continuedfrom page 31) Frequency Protection and Distribution Generation ZHAO Xicai ,XU Guangfu (1.NR Electric Co.,Ltd,Nanjing 21 1 102,China) Abstract:Protection configuration for grid-connected distribution generation is described,zero—crossing algorithm and discrete Fourier transformation algorithm for frequency measuring under different dynamic senarios are compared, challenges faced by frequency protection applied for grid—connected distribution generation are analyzed,latest progress in international standards regarding frequency protection is introduced,and relevant issues for further study are put forward. Key words:disperse generation(DG):frequency protection;ROCOF 。4 I 供用电2。17・。2 DlSTRlBUT10N&UTlLIZATl0N 

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