【山东理工大学】配电网防孤岛保护技术及其发展_32页_2mb

配电网防孤岛保护技术及其发展总结

核心内容

配电网防孤岛保护技术是随着分布式电源（DER）大规模接入而兴起的重要课题。DER的接入改变了传统配电网的运行特性，使得继电保护面临新的挑战，尤其是在检测孤岛运行状态和防止系统不稳定方面。防孤岛保护旨在在非计划孤岛运行时快速切除DER，以避免电压、频率异常对设备和人员安全造成威胁。

主要观点

• DER接入比例高：截至2023年3月，山东省风电与光伏装机分别占电力总装机的12.07%和23.54%，合计达35.6%。其中，光伏装机中分布式光伏占比超过70%。
• 防孤岛保护的重要性：DER在非计划孤岛运行时可能倒送电，威胁检修人员安全。如2022年4月西藏墨脱线路抢修人员因DER倒送电触电死亡。
• 现有保护方法的不足：电压/频率保护方法在DER发电功率接近负荷功率时容易拒动，且难以区分系统扰动与孤岛运行状态。
• 防孤岛保护配置：DER并网点（POC）和公共连接点（PCC）是主要的防孤岛保护配置点，PCC上游为电网公司分界开关，下游为用户进线总开关。
• 保护方法分类：
  • 被动式方法：包括电压/频率保护、阻抗插入式防孤岛等。
  • 主动式方法：如信号注入法，通过注入信号源来检测孤岛状态。
  • 基于通信的方法：如远方直接跳闸（DTT）和分布式跳闸。

关键信息

电压保护原理

• 孤岛运行电压公式：$U_i = \sqrt{P_{is} R}$
• 电压与系统电压比：$k_u = \sqrt{\frac{P_{is}}{P_{is} + \Delta P}}$
• 孤岛电压变化量取决于有功功率的不平衡度，当$\Delta P$较大时，电压越限。

频率保护原理

• 孤岛运行频率公式：$f_i = \frac{-Q_{ii} + \sqrt{Q_{ii}^2 + 4P_{ii}^2 R^2 C / L}}{4\pi C P_{ii} \sqrt{R}}$
• 频率与系统频率比：$k_f = \sqrt{1 + \frac{\Delta Q}{Q_{cs}}}$
• 孤岛运行频率变化量取决于无功功率的不平衡度，当$\Delta Q$较大时，频率越限。

频率变化率保护

• 频率变化率（RoCoF）是区分孤岛运行与系统扰动的有效手段。
• 建议RoCoF定值为$1 \mathrm{~Hz}/\mathrm{s}$，动作时限为0.5s。

防孤岛保护存在的问题

• 电压/频率保护在DER接近负荷功率时可能拒动。
• 系统扰动可能引发DER误脱网，影响系统稳定性。
• 保护动作速度与系统恢复能力之间的矛盾。

国内外实践对比

讨论与建议

• 完善电压/频率保护：建议采用两套定值，以兼顾系统穿越运行与故障时快速解列DER。
• 研发新型保护技术：如信号注入法，通过协同注入信号源以减少干扰。
• 改进故障处理策略：
  • 研究DER外部故障快速保护技术，以减少重合闸等待时间。
  • 推广自适应重合闸和检同期备自投技术，以提高系统恢复能力。

结论

防孤岛保护技术是保障配电网安全运行的关键，尤其在分布式电源接入比例日益提高的背景下。各国在保护方法和定值设置上各有侧重，但普遍面临灵敏度与系统稳定性之间的平衡问题。未来发展方向应包括提高保护的智能化、协同化，以及与系统恢复机制的深度融合。