電力能源轉(zhuǎn)換與儲存技術(shù)(1)分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響

蔣心澤,董曉文,包海龍

(上海市電力公司技術(shù)與發(fā)展中心,上海 200025)

1 引言

分布式電源一般指小型、向當(dāng)?shù)刎摵晒╇?、可直接連到配電網(wǎng)上的電源裝置。分布式電源通常包含分布式發(fā)電(DG)裝置和分布式儲能(DES)裝置,容量一般小于50MW。分布式發(fā)電可分為基于化石能源的分布式發(fā)電技術(shù)和基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)以及混合的分布式發(fā)電技術(shù)。以燃氣三聯(lián)供為代表的分布式電源與大電網(wǎng)結(jié)合運行,可以彌補大電網(wǎng)供電的不足,因此受到了各國特別是發(fā)達國家的重視,各國政府紛紛制定扶持政策,加快了分布式電源的應(yīng)用。

我國分布式發(fā)電起步較晚,但政府重視分布式發(fā)電的發(fā)展,鼓勵燃氣三聯(lián)供分布式電源的發(fā)展,取得不少成果。分布式電源并網(wǎng)運行,可以彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性上的不足,含分布式電源的微電網(wǎng)可在大電網(wǎng)停電時維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來的嚴重后果,一旦發(fā)生災(zāi)害,分布式電源可維持部分重要負荷的供電、減少災(zāi)害損失。分布式電源啟停方便調(diào)峰性能好有利于平衡負荷,在負荷低谷時從電網(wǎng)獲取電能、在負荷高峰時向電網(wǎng)送電,起到對負荷削峰填谷的作用提高電網(wǎng)運行效率,因此發(fā)展分布式發(fā)電可以延緩大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電項目的新建,減少電力裝備的投資或者降低投資的風(fēng)險。

分布式電源投資小、見效快,采用就近向用電設(shè)備供電的方法可以避免輸電網(wǎng)長距離送電的電能傳輸損耗,特別是用于大電網(wǎng)不易達到的偏遠地區(qū)的供電。以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電設(shè)備也是一種分布式電源。2003年以來,我國政府加強了推進節(jié)能減排力度,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進可再生能源利用與提高能效技術(shù)發(fā)展的政策,提出了2020年應(yīng)用可再生能源占消費總能源的比例達15%的目標(biāo)。大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電必須通過并網(wǎng)運行才能更有效的利用,但是大部分的可再生能源資源都有隨機性,給并網(wǎng)運行帶來很大困難。要大規(guī)模發(fā)展新能源發(fā)電,必須提高電網(wǎng)對分布式電源的接納能力;滿足分布式電源并網(wǎng)的需要,這也是智能電網(wǎng)提出并獲得迅速發(fā)展的根本原因。隨著我國可再生能源發(fā)電的發(fā)展,分布式電源的并網(wǎng)運行的問題也越來越突出。

2 對配電網(wǎng)運行管理的影響

分布式電源的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動的狀況,一方面會增加配電網(wǎng)調(diào)度與運行管理的復(fù)雜性,風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等輸出的電能具有很大的隨機性,而用戶自備分布式電源一般是根據(jù)用戶自身需要安排機組的投切;這一切給合理地安排配電網(wǎng)運行方式、確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)運行結(jié)構(gòu)帶來困難。另一方面,分布式電源的接入給配電網(wǎng)的施工與檢修維護帶來了影響,由于難以對眾多的分布式電源進行控制,停電檢修計劃安排的難度增加,配電網(wǎng)施工安全風(fēng)險加大。分布式電源的大量接入,給配電網(wǎng)帶來的技術(shù)問題具體體現(xiàn)在很多方面。

(1)電壓調(diào)整問題 配電線路中接入分布式電源,將引起電壓分布的變化。由于配電網(wǎng)調(diào)度人員難以掌握分布式電源的投入、退出時間以及發(fā)出的有功功率與無功功率的變化,使配電線路的電壓調(diào)整控制十分困難。

(2)繼電保護問題 分布式電源的并網(wǎng)會改變配電網(wǎng)原來故障時短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對繼電保護系統(tǒng)帶來影響。這種影響首先是引起保護拒動,在相鄰線路發(fā)生短路故障時,分布式電源提供的反向短路電流可能使保護誤動作,如圖1所示。

圖1 分布式電源對保護動作的影響

如果一個分布式電源接在線路的M處,當(dāng)線路末端k處發(fā)生短路故障時,它向故障點送出短路電流并抬高M處的電壓,因此使母線處保護R檢測到的短路電流減少,從而降低保護動作的靈敏,嚴重時會引起保護拒動。分布式電源的并網(wǎng)還會引起配電網(wǎng)保護誤動,在相鄰線路發(fā)生短路故障時,分布式電源提供的反向短路電流可能使保護誤動作。

分布式電源的并網(wǎng)會影響重合閘的成功率,在線路發(fā)生故障時,如果在主系統(tǒng)側(cè)斷路器跳開時分布式電源繼續(xù)給線路供電,會影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功;如果在重合閘時,分布式電源仍然沒有解列,則會造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發(fā)電設(shè)備帶來危害。分布式電源的并網(wǎng)還會影響影響備用電源自投,如果在主系統(tǒng)供電中斷時,分布式電源繼續(xù)給失去系統(tǒng)供電的母線供電,則由于母線電壓繼續(xù)存在,會影響備用電源自投裝置的正確動作。

(3)對短路電流水平的影響 直接并網(wǎng)的發(fā)電機都會增加配電網(wǎng)的短路電流水平,因此提高了對配電網(wǎng)斷路器遮斷容量的要求。

(4)對配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響 風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電輸出的電能具有間歇性會引起電壓波動,通過逆變器并網(wǎng)的分布式電源也會向電網(wǎng)注入諧波電流,導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)畸變。

3 對配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營的影響

分布式電源的大量應(yīng)用,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營帶來了新挑戰(zhàn)。由于大量的用戶安裝分布式電源為其提供電能,使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員難以準確地進行負荷預(yù)測,進而影響配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。分布式發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟問題。由于分布式電源的接入,特別是對于自備分布式電源的用戶,為保證其自備分布式電源停運時仍能正常用電,供電企業(yè)需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業(yè)的設(shè)備投資與運行成本,這些費用理應(yīng)有一部分由分布式電源業(yè)主來分擔(dān)。因此,需要完善電價政策,合理地地調(diào)整供電企業(yè)與分布式電源業(yè)主的利益。

4 技術(shù)要求和方案選擇

為確保配電網(wǎng)的安全運行和供電質(zhì)量,分布式電源并網(wǎng)首先要保證配電網(wǎng)電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。其次要求配電設(shè)備正常運行電流不超過額定值,動熱穩(wěn)定電流不超過允許值。再次,短路容量不超過開關(guān)、電纜等配電設(shè)備的允許值。最后要求電能質(zhì)量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規(guī)定值。

分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響與分布式電源的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級有關(guān)。一般情況下,分布式電源容量在250 kVA以內(nèi)的接入380 V/400 V低壓電網(wǎng);分布式電源容量在1～8 MVA的接入10kV等級中壓電網(wǎng);分布式電源容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網(wǎng)。具體接入方式一般是大容量的分布式電源通過聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上,如圖2(a)所示;對于小型的分布式電源,為減少并網(wǎng)投資,就近并在配電線路上,如圖2(b)所示。

圖2 分布式電源接入配電網(wǎng)的方式

美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)的第21標(biāo)準化工作組起草的分布式電源并網(wǎng)系列標(biāo)準中,定義了剛度系數(shù)和短路電流貢獻比兩個參數(shù)來衡量分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響。其中剛度系數(shù)指配電網(wǎng)中分布式電源接入點的設(shè)計短路電流與分布式電源額定電流的比值;短路電流貢獻比指配電網(wǎng)在分布式電源接入點發(fā)生短路時,來自分布式電源的短路電流與來自配電網(wǎng)的短路電流的比值。剛度系數(shù)越大、短路電流貢獻比越小,配電網(wǎng)運行電壓與短路電流受分布式電源,并網(wǎng)的影響也越小。一般認為只要剛度系數(shù)大于20,分布式電源并網(wǎng)不會對配電網(wǎng)運行帶來實質(zhì)性影響。

5 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

目前的分布式電源并網(wǎng)技術(shù)是“有限接入”,對接入容量有嚴格限制,為了充分利用可再生能源,就必須實現(xiàn)“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網(wǎng)概念提出的根本原因之一。隨著分布式電源的大量接入,配電網(wǎng)就由傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為有源網(wǎng)絡(luò),當(dāng)前,涉及這方面的技術(shù)研究主要有微電網(wǎng)技術(shù)與虛擬發(fā)電廠技術(shù)。

(1)有源網(wǎng)絡(luò) 有源網(wǎng)絡(luò)(A ctive Netw ork)指的是分布式電源高度滲透、功率雙向流動的配電網(wǎng)絡(luò)。所謂“高度滲透”是指接入的分布式電源對配電網(wǎng)的潮流、短路電流產(chǎn)生了實質(zhì)性的影響,使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、保護控制、運行管理方法不再有效。有源網(wǎng)絡(luò)的概念是針對并網(wǎng)技術(shù)對分布式電源接入容量做出嚴格限制的配電網(wǎng)而提出的。有源網(wǎng)絡(luò)不再單純地為了不影響現(xiàn)有配電網(wǎng)而嚴格限制分布式電源的接入,而是讓分布式電源盡可能地多發(fā)電(特別是對可再生能源)、充分地發(fā)揮其對配電網(wǎng)的積極作用以及節(jié)省電力系統(tǒng)的整體投資。分布式電源的容量客觀上是可以替代一部分配電容量的,從而減少對發(fā)、輸、配電系統(tǒng)的投資。因此,考慮分布式電源對配電容量的替代作用,也是有源網(wǎng)絡(luò)的一個重要的特征。有源網(wǎng)絡(luò)給配電網(wǎng)的保護控制、運行管理提出了新挑戰(zhàn),它包括電壓控制、繼電保護、短路電流限制、故障定位與隔離、分布式電源調(diào)度管理等。

(2)微電網(wǎng)技術(shù) 微電網(wǎng)(M icro G rid)簡稱微網(wǎng),是指由分布式發(fā)電裝置和分布式儲能裝置,以及監(jiān)控、保護裝置匯集而成的并為相應(yīng)區(qū)域供電的小型發(fā)配電系統(tǒng),能夠不依賴大電網(wǎng)而正常運行,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部供需平衡。一般來說,微網(wǎng)是一個用戶側(cè)的電網(wǎng),它通過一個公共連接點與大電網(wǎng)連接。圖3是美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(CERTS)提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。

按照常規(guī)的做法,分布式電源必須配備孤島保護,在大電網(wǎng)停電時自動與主網(wǎng)斷開。而微網(wǎng)可以在與大電網(wǎng)脫離后獨立運行,由分布式電源維持區(qū)域內(nèi)所有或部分重要負荷的供電,能夠發(fā)揮出分布式電源在提高供電可靠性方面的作用。微網(wǎng)僅在公共連接點與大電網(wǎng)連接,避免了多個分布式電源與大電網(wǎng)直接連接。通過合理地設(shè)計,可使微網(wǎng)中分布式電源主要用于區(qū)域內(nèi)部負荷的供電,做到不向外輸送或輸送很小的功率,使得大電網(wǎng)可以不考慮其功率輸出的影響。這樣,就較好地解決了分布式電源大量接入與不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有保護控制方式之間的矛盾。就微網(wǎng)本身來說,它是一個“有源網(wǎng)絡(luò)”,需要解決功率平衡、穩(wěn)定控制、電壓調(diào)整、繼電保護等一系列問題,微網(wǎng)技術(shù)將作為智能配電網(wǎng)的重要研究內(nèi)容。

圖3 美國CERTS提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

(3)虛擬發(fā)電廠技術(shù) 虛擬發(fā)電廠(VPP)技術(shù)是將配電網(wǎng)中分散安裝的分布式電源通過技術(shù)支撐平臺實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度并將其等效為一個發(fā)電區(qū),實現(xiàn)分布式電源大量并網(wǎng),達到分布式電源的優(yōu)化利用、降低電網(wǎng)峰值負荷、提高供電可靠性的目的。虛擬發(fā)電廠的調(diào)度對象主要是可隨時啟動并且功率可調(diào)節(jié)的分布式電源,如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃氣輪機、應(yīng)急供電柴油發(fā)電機組以及各種DES等。對于風(fēng)能、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電來說,其輸出具有不確定性,且一般需要在具備條件時讓其足額發(fā)電,因此不能對其進行有效地調(diào)度。實施虛擬發(fā)電廠要有配網(wǎng)自動化系統(tǒng)(DAS)作為技術(shù)支撐平臺。虛擬發(fā)電廠是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的一個高級應(yīng)用功能。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)需要采集、處理分布式電源的實時運行數(shù)據(jù),并能夠?qū)ζ溥M行調(diào)節(jié)、控制。除技術(shù)問題外,實施虛擬發(fā)電廠還涉及電價、政策、法規(guī)等一系列問題,目前處于研究探討階段,還缺少成熟的經(jīng)驗。

6 大規(guī)模儲能技術(shù)在電網(wǎng)運行中的作用

當(dāng)今電網(wǎng)發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn),首先是電網(wǎng)用電峰谷差逐漸增大,調(diào)峰矛盾日益突出;其次是不斷擴大的電網(wǎng)規(guī)模增大了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的風(fēng)險;再次是電力用戶對電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求不斷提高;最后是可再生能源發(fā)展迅猛,其并網(wǎng)運行技術(shù)有待完善。面對諸多的挑戰(zhàn)和問題,儲能技術(shù)應(yīng)運而生。儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將為電網(wǎng)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。儲能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的平衡器和緩沖器,也是智能電網(wǎng)的重要組成部分,可以解決電力供需不平衡矛盾和提高供電可靠性。

(1)削峰填谷,提高系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率目前電力系統(tǒng)中負荷峰谷差一般可達到最大發(fā)電出力的30%～40%,近年來我國電力系統(tǒng)中的負荷峰谷差還有繼續(xù)增大的趨勢,給發(fā)電和電力調(diào)度造成一定的困難,特別是夏季負荷高峰期電力供應(yīng)緊張,如果電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模地儲存電能,即在晚間負荷低谷期將電能儲存起來,白天負荷高峰時釋放出來,就能在一定程度上緩解峰谷差問題避免因為應(yīng)對峰值用電而增加電廠,延緩新的發(fā)電機組和輸電線路建設(shè),提高系統(tǒng)效率和輸配電設(shè)備的利用率。

(2)平滑間歇式電源功率波動,促進新能源的集約化開發(fā)利用 太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電具有不同于火電、水電等常規(guī)電源的波動性和間歇性,大規(guī)模并網(wǎng)運行會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響,嚴重時會引發(fā)大規(guī)模惡性事故。在可再生能源裝機容量不斷增加、規(guī)模不斷擴大的情況下,增加儲能裝置能夠提供快速的有功支撐,增強電網(wǎng)調(diào)頻能力,在電源側(cè)配置動態(tài)響應(yīng)特性好、壽命長、可靠性高的大規(guī)模儲能裝置,可以有效解決風(fēng)能、太陽能等間歇式新能源的隨機性和波動性問題,大幅提高電網(wǎng)接納新能源的能力,促進可再生能源的集約化開發(fā)和利用。不同的新能源和可再生能源具有不同的特性,儲能系統(tǒng)可以做好各種新能源和常規(guī)電源之間的聯(lián)調(diào)。

(3)增加備用容量,提高系統(tǒng)供電質(zhì)量 要保證供電可靠性,就要求系統(tǒng)具有足夠的備用容量。在電力系統(tǒng)遇到大的擾動時,例如短路等事故時,儲能裝置可以在瞬時吸收或釋放能量,使系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)裝置有時間進行調(diào)整,避免系統(tǒng)失穩(wěn)并恢復(fù)正常運行。而對于電壓暫降和短時中斷等暫態(tài)電能質(zhì)量問題特別敏感的用電負荷,如自動化生產(chǎn)線、大型計算機中心、醫(yī)院、重要政府和軍工部門,則需要研究采用以超級電容器、超導(dǎo)、飛輪為代表的功率型儲能技術(shù),快速補償各種電能質(zhì)量的擾動。儲能系統(tǒng)正是通過對電網(wǎng)進行充放電,來調(diào)整頻率偏差、電壓幅值、電壓不平衡率等,以此來改善電能質(zhì)量。

(4)作為應(yīng)急電源,保障電網(wǎng)應(yīng)急電能供應(yīng)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生供電故障而停電時,儲能系統(tǒng)可以起到大型不間斷電源(UPS)的作用,通過向電網(wǎng)供電以避免突然停電帶來的損失,如圖4所示。

圖4 鈉電池儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)故障斷電時對關(guān)鍵負荷放電

儲能作為提高智能電網(wǎng)應(yīng)對新能源發(fā)電兼容問題的重要手段,以及實現(xiàn)智能電網(wǎng)能量雙向互動的中樞和紐帶,是智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,如圖5所示。

圖5 電力能源存儲技術(shù)對電網(wǎng)運行模式的影響

根據(jù)能源資源布局和容量規(guī)模特點,太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源一般采用分布式電源方式接入配電網(wǎng)。在大量的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配網(wǎng)后,配電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行特性都將發(fā)生很大變化。原有單向電源配電潮流特性將轉(zhuǎn)變成雙向潮流,一系列包括電壓調(diào)整、無功平衡、繼電保護等在內(nèi)的綜合性問題也將影響著系統(tǒng)的安全運行。如何在配電網(wǎng)中確定合理的電源結(jié)構(gòu)、如何協(xié)調(diào)和有效地利用各種類型的電源,都成為新能源調(diào)度領(lǐng)域迫切需要解決的課題。新能源分布式電源采用大規(guī)模儲能技術(shù),將是今后電力系統(tǒng)重要課題之一。