王博毕业设计(最新终稿1)

本科毕业设计（论文）

分布式电源对配电网保护影响

的研究

王博

燕 山 大 学

2011年 6月

本科毕业设计（论文）

分布式电源对配电网保护影

响的研究

学院（系）：电气工程学院

专业 班级：07级电力1班

学生 姓名：王博

学 号：070103030154

指导 教师：荣雅君

答辩 日期：2011年6月24日

燕山大学毕业设计（论文）任务书

摘要

摘要

分布式发电作为一种新兴的发电技术，以其高效、环保的特点在近几年获得了飞速的发展。然而，分布式电源(Distributed Generation，DG)接入配电网以后，原来简单的单电源辐射网络变为了复杂的多电源网络，导致原有配电网馈线保护出现灵敏度降低、拒动、误动等问题，由此给配电网的运行和控制带来多方面的影响，因此研究分布式电源的引入对配电网保护所带来的影响及提出相应的对策是十分必要的，对于分布式电源的发展和推广有着重要的意义。

本文简单介绍了研究课题的背景、发展现状和研究目标，并从DG的容量、类型、位置等因素出发，对配电网馈线保护可能产生的影响进行了定性分析，通过MATLAB仿真软件实现了对建立模型的仿真，验证了定性分析的结果。此外，针对现有的配网保护提出了改进方案，主要是加装方向元件、修改定值或采用纵联差动保护等。

关键词 分布式电源；配电网；继电保护；馈线自动化；MATLAB仿真；整

定原则

Abstract

Abstract

The Distributed Generation technology is predicted to play an increasing role in power system of the near future in the light of its character of high efficiency, environmental．However, with the interconnection of distributed generation (DG)，the distribution system has developed from the traditional simple single-source radial-network to complicated multi-source loop-network，bringing traditional feeder protection new problems in distribution network,such as sensitivity decrease，misoperation and malfunction，which deeply affects system operating and controlling．Therefore it is necessary to analyze the influence of the DG to the distribution network protection and propose its countermeasures，which is very useful to the development and practicality，for the distributed generation technology．

This paper explains the background，the research progresses and research aims，discusses that different capacity type and location of the DG source have different impacts on the current flowing through the feeder protection in distribution network．Also,the MATLAB simulation of the model confirms that the results of qualitative analysis are true．In addition, improvement schemes are proposed in tlle light of the existing distribution protection，mainly including installing the direction element，modifying the setting value and using the longitudinal differential protection．

Keywords distributed generation(DG)，distribution network, relay protection,

feeder automation，MATLAB simulation ,setting principles

目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 课题背景 .............................................................................................. 1

1.2 课题研究的目的和意义 ...................................................................... 3

1.3 国内外研究现状 .................................................................................. 4

1.3.1分布式发电技术国内外研究现状 ............................................... 4

1.3.2 含DG配电网保护的研究现状 .................................................... 6

1.4 论文的主要工作 .................................................................................. 6

第2章 分布式电源技术 .................................................................................... 8

2.1分布式发电的概念 ............................................................................... 8

2.2分布式电源的分类 ............................................................................... 8

2.2.1燃料电池 ....................................................................................... 9

2.2.2微型燃气轮机 ............................................................................... 9

2.2.3风力发电技术 ............................................................................. 10

2.2.4太阳能光伏电池 .......................................................................... 11

2.3本章小节 ............................................................................................. 12

第3章 分布式电源对配电网保护的影响 ...................................................... 13

3.1 引言 .................................................................................................... 13

3.1.1分布式电源的类型及容量对配电网保护的影响 ..................... 14

3.1.2分布式电源的不同接入点对配电网保护的影响 ..................... 15

3.1.3分布式电源对配网自动装置的影响 ......................................... 17

3.2算例分析 ............................................................................................. 18

3.2.1模型参数的选择 ......................................................................... 18

3.2.2 MATLAB仿真软件介绍 ............................................................... 20

3.2.3仿真系统模型 ............................................................................. 21

3.2.4仿真验证 ..................................................................................... 22

3.3本章小节 ............................................................................................. 29

第4章 改进后的配网保护方案 ....................................................................... 30

4.1配电网现有保护配置的介绍 .............................................................. 30

4.1.1电流速断保护 .............................................................................. 30

4.1.2限时电流速断保护 ...................................................................... 31

4.1.3定时限过电流保护 ...................................................................... 32

4.2对现有馈线保护的改进方案 .............................................................. 32

4.3本章小节 .............................................................................................. 33

结论 ..................................................................................................................... 34

参考文献 ............................................................................................................. 35

致谢 ..................................................................................................................... 37

附录1 .................................................................................................................. 38

附录2 .................................................................................................................. 43

附录3 .................................................................................................................. 48

附录4 .................................................................................................................. 51

附录5 .................................................................................................................. 56

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

社会的发展离不开能源，能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去的200多年中，建立在煤炭、石油、天然气等化工燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而在人们物质生活和精神生活水平不断提高的同时，一次性资源却日益枯竭，环境也不断恶化。为此人类必须寻找新的、清洁、安全、可靠的可持续发展能源。

新能源和可再生能源的含义是指除常规能源和大型水力发电之外的风能、太阳能、小水电、潮汐能、生物质能、地热能等能源资源。中国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用。经粗略计算，在现有科技水平下，中国太阳能、风能、生物质能和水能等一年可以获得的资源量大约相当于46亿吨标准煤，为2000年全国一次能源总消耗量12.8亿吨标准煤的3.59倍。但目前小水电资源只开发了约33％；太阳能的开发利用量还不到可开发量的0.1％；风能资源的开发利用量相当于可开发资源量的0.09％；现代生物质能开发量只有33l万吨标准煤，仅相当于可开发资源量的0.6％；地热能和海洋能的已开发利用量，相对于资源量来说，就更微不足道。目前新能源和可再生能源主要以非商品能源的形式为广大农村地区提供能源供应，但随着社会、经济的发展新能源和可再生能源也正稳步的向商品化能源的方向转变。

现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界90％的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如科索沃战争和刚刚结束的海湾战争等；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。所以根据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投

燕山大学本科生毕业设计（论文）

资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法[2]。

当代的分布式电源是指分布在配电网中的功率为10kW～30MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源，它具有调峰、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。DG主要包括燃料电池、风力发电、小型水力发电站、太阳能电池阵列以及生物发电等多种形式。分布式发电能源可再生、无污染等一系列优点已引起广泛关注。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，以满足电力系统和用户特定的要求：调峰、为边远用户或商业区和居民区供电、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等等。分布式电源的出现还出于以下考虑：(1)由于城市的发展和公众对架空线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。(2)由于大电网面对不可抗拒的自然或意外灾害表现出的脆弱性，加上对于日益加剧的恐怖活动的担心，为了躲开“多米诺骨牌”式的电网连锁灾难，为了保证电源的安全可靠性，而将电源分散。分布式电源可以在电网崩溃和意外灾害情况下，维持对重要用户的供电。(3)对边远分散用户，分布式电源与现有配电网增容的方案相比可能要更为经济。(4)许多利用再生能源的发电装置，如太阳能电池阵列、微型水电等只能分散地接入当地配电系统。

根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种技术构成：往复式发动机技术、微型燃气轮机技术、燃料电池技术。基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成：太阳能光伏发电技术、风力发电技术。混合分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。

分布式电源及其应用被认为是本世纪最受重视的高科技领域之一。随着对环境及能源使用效率的进一步重视，分布式电源在我国广泛的应用是可以

第1章 绪论

预见的。目前对电源系统本身的研究已经引起了相当程度的重视，但对与电网有关的技术问题的研究却还非常薄弱。已进行的研究表明，使用分布电源的效益与现场情况关系很大。如果计划不周或选择的地点不当，分布电源会给电力系统和有关用户带来问题，轻则电压闪动，重则使重要设备故障或脱离电网，甚至危及人身安全。

1.2 课题研究的目的和意义

分布式发电(Distributed Generation，简称DG)是指区别于集中发电、远距离传输、大互联网络的传统发电形式，其功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内，分布在负荷附近的清洁环保的，经济、高效、可靠的发电方式。它可以起到节约能源、削峰填谷、缓建输配电设备、减少线损、提高供电可靠性等经济效益。

由于DG容量小，电压低，一般直接通过变压器在配网接入电力系统。DG的引入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络。原有的配电网保护和重合闸设计结构必须进行相应的调整和改变。否则，DG会使配电网的故障无法及时、准确地切除，影响配电系统稳定运行、对供配电设备和DG造成损坏。

目前我国的中、低压配电网主要采用变压器中性点不接地(或经消弧线圈接地)、单侧电源、辐射型供电形式，而且地区之间的继电保护及自动化发展水平很不均衡，整体水平不高。在这种形势下，分布式电源的并网运行将影响配电网络的结构以及配电网中短路电流的大小、流向及分布，由此给配电网的运行与控制带来多方面的影响。

对于分布式发电的研究刚刚起步，尚没有成熟的含分布式电源的配电网保护方案，使得各种分布式电源普遍存在“并网难”的问题，这无疑会制约分布式发电技术的推广与发展。因此，必须迸一步深入研究含分布式电源的配电网保护方案，使分布式发电技术给电网带来各种便利的同时，又不降低接入电网的安全性。

燕山大学本科生毕业设计（论文）

1.3 国内外研究现状

1.3.1分布式发电技术国内外研究现状

在美国，容量为lkW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的发展趋势。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机(10～250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。预计到2020年，由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加1.7×1012kW·h的电，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5×109～6×109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和风力发电技术等。可以预料，在不久的将来，各种分布式发电技术将在美国得到相当的发展[3]。

在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量l亿kW·h的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电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。

在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些

第1章 绪论

都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。天然气进京和“西气东输”工程为发展小型热、电、冷联产开创了新的机遇。在中国，目前工业领域的热电联产总装机容量约2000万kW，预计到2010年可达到5000万kW，到2020年可达到1亿kW。

小水电通常是指小水电站及与其相配套的小电网的统称。我国小水电的容量范围一般是5万千瓦以下的小型水电站。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。中国小水电资源极其丰富，可开发量约1.3亿kW，居世界首位。到2002年底，小水电装机达到3104万千瓦，向边远地区提供了大量廉价的电力。2003年启动的“小水电代燃料”工程将进一步推动中国小水电的发展[3]。

光伏发电容量可任意组合，最适合分散使用。由于光伏发电成本高，近期大型集中式光伏发电站的经济性比较差，主要用于人口分散地区的离网独立电源和城市与建筑物结合的并网发电，典型的就是屋顶光伏发电。屋顶光伏发电替代的电力成本是电网供电的零售电价，这是最可能使光伏发电的经济性接近常规能源供电的应用领域。近年来，欧盟、美国和日本等国家的光伏发电发展很快，2000年以来，并网光伏发电的新增容量已经超过离网的分散光伏发电。目前中国的光伏发电主要还在远离大电网的偏僻地区作为分散电源应用，最近建成了一些城市并网光伏发电的示范项目，城市建筑光伏发电的应用市场也会逐步扩大。光伏发电小型分散的特点与分布式发电的特征一致。预计到2020年，中国无电地区分散电源、商业用途分散电源和城市并网型光伏发电的总量可达到100万kW[4]。

风力发电已经发展成为除水力发电之外最可靠和清洁的发电方式。美国风能产业开发刚刚起步。美国风电占美国电力供应的l％以下，但根据美国风能协会估计，在稳定的政策支持下，可保持年均18％的增长幅度，到2020年，风能至少可以提供6％以上的全美电力需求量。美国风电装机容量在过去的5年中平均增长率达到28％，两位数的平均增长既体现了较强的市场需求，同时也面临许多挑战。中国风能资源丰富，可开发的装机容量约2.53亿kW，截止到2003年底，全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场

燕山大学本科生毕业设计（论文）

40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567.02MW(以完成整机吊装作为统计依据)[5]。

1.3.2 含DG配电网保护的研究现状

分布式电源接入配电网后势必会改变配电网络的拓扑结构和潮流方向，使原来简单的单电源辐射型网络变成复杂的多电源网络。现有的基于单端电源系统设计的配电系统保护和自动重合闸装置也必须做出相应的调整，否则由于分布式电源的存在必定使保护出现拒动、误动等问题，影响保护的选择性和灵敏性，甚至对配电系统及设备的安全稳定运行造成破坏。

分布式电源的容量、类型及接入点的差异给配电网中的短路电流的分布带来不同的影响，所以定性地分析不同情况下分布式电源对配电网继电保护及配电网自动装置的影响为以后提出更好的继电保护解决方案奠定了基础，新的保护方案的提出更可以给分布式发电技术的发展提供了更广阔的发展空间。

由于目前分布式发电己成为一个发展趋势，国内外对分布式电源的引入对配网保护的影响分析做了大量的工作，并提出了很多新的保护原理。文献

[6]对接入分布式电源的配电网的稳定性、对继电保护的影响以及电能质量等方面进行了分析介绍；文献[7][8]具体的分析了分布式电源对配电网继电保护的一系列的影响；文献[9]提出在原保护方案的基础上加装方向元件和修改定值；文献[10]提出将故障限流器接入配电网，在检测到故障电流后，通过快速改变故障线路的阻抗参数，有效降低故障电流，很好的保证了保护的选择性和灵敏性。

1.4 论文的主要工作

本文详细分析分布式电源对配电网继电保护和自动装置的影响，并进行了具体的仿真验证。同时，根据现有的保护现状，提出了几种适用于含有DG配电网的保护方案。论文主要内容为

1、概述分布式电源应用的意义和它的发展历程及现状，分布式发电技术的研究现状及课题的研究意义。

2、介绍目前较为热门的四种分布式电源技术，及各种分布式能源的发

第1章 绪论

电原理、各自的特点及应用场合。

3、定性地分析当分布式电源的容量、类型及接入点不同时，分布式电源对馈线各处保护的影响，以及对前加速重合闸装置的影响，并利用 MATLAB仿真软件搭建10kV系统模型对以上分析进行仿真验证。

4、针对现有配网保护方案加以改进，主要是加装方向元件和修改定值。

燕山大学本科生毕业设计（论文）

第2章 分布式电源技术

2.1分布式发电的概念

目前，国际上对于分布式发电装置(Distributed Generation-DG)并没有一个统一的规范化定义，但是基本的概念是一致的。一般认为，分布式电源指的是直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电，以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。发电规模一般不大，大约在几千瓦至几十兆瓦。

2.2分布式电源的分类

在不同的研究领域DG有不同的分类方式。一般可以根据DG的技术类型，所使用的一次能源及与电力系统的接口技术进行分类。根据DG通常所使用的技术可分为：柴(汽)油机组发电、水力发电、风力发电、光伏发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的能源有化石燃料、可再生能源及电能储存元件。

若DG与电力系统相连，则可以根据DG并网技术的类型分类，即直接与系统相联(机电式)和通过逆变器与系统相联两大类。若DG是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电等：而逆变器型DG通常指的是将直流电逆变上网的DG(如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术)和发出高频交流电的DG(如微透平机组)。

在DG的实际应用中，考虑到DG大小对其在电办系统中，应．用有直接影响，因此按其大小分为小型(≤100kW）中型(100kW～l MW）大型(≥1 MW)三类[11]。

目前，分布式电源研究的热点之一是可再生能源发电技术，其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐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大家比较关注的焦点。

下面将对目前比较关注的几种分布式发电技术的工作原理和运行方式

第2章 分布式电源技术

分别做介绍。

2.2.1燃料电池

燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84％。

燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同单体燃料电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是，一般电池的活性物质贮存在电池内部，电池容量因此受到限制；而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。当然，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池可按电解质的性质可分为：聚合电解质膜电池(PEM)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中磷酸型燃料电池最接近商业化，新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电方式。

作为21世纪的一种新型能源，燃料电池的先进性和实用性已经得到公认，在加大对燃料电池的开发、研究与利用力度方面尽管还存在一些问题，比如电极材料、制造成本、催化剂等问题，但是瑕不掩瑜，加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。随着燃料电池技术不断成熟，其在各个领域的作用会越来越明显，发展潜力十分巨大[12]。

2.2.2微型燃气轮机

微型燃气轮机是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000 r／min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30％，实行热电联产，效率可提高到75％。微型燃气轮机的特

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h4xq.html