淺談新能源接入對(duì)智能配電網(wǎng)的影響

　　摘要：智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容之一是解決各種新能源的接入問(wèn)題。風(fēng)能、光伏、電動(dòng)車充電站等新能源發(fā)、用電存在間歇性、波動(dòng)性強(qiáng)，接入電網(wǎng)技術(shù)性能差和對(duì)電網(wǎng)注入諧波等一系列問(wèn)題。本文主要介紹了風(fēng)力、光伏發(fā)電、電動(dòng)車充電站接入電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的影響，希望可以通過(guò)建立智能配電網(wǎng)的模型，深入研究分析新能源供用電接入對(duì)智能配電網(wǎng)的綜合影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)各組件的監(jiān)控和最優(yōu)供用電組合。
　　關(guān)鍵字：新能源 智能配電網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電 光伏發(fā)電 電動(dòng)車充電站
　　中圖分類號(hào):TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　
　　1 引言
　　近年來(lái)，世界范圍內(nèi)能源危機(jī)日益加劇，能源的開(kāi)采和使用加速了人類生存環(huán)境的惡化。人類必須在有限資源和環(huán)境保護(hù)要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)。因此，作為一次能源的最大使用者，電力行業(yè)綜合利用各種新能源具有非常重要的意義。與此同時(shí)，以集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)為主要特性的電力系統(tǒng)的弊端[1，2]也日益呈現(xiàn)，如技術(shù)復(fù)雜、不能靈活跟蹤負(fù)荷的變化、局部的偶然事故極易擴(kuò)散，導(dǎo)致大面積停電等等。因此，各國(guó)不約而同的地提出要建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng)，將具有智能電網(wǎng)視為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向，我國(guó)也提出了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略部署。我國(guó)新能源近年發(fā)展迅速。截至2009年底，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量超過(guò)2500萬(wàn)kW，光伏發(fā)電也已達(dá)29萬(wàn)kW[3]。由于新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，其接入電網(wǎng)會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在政府對(duì)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的大力推動(dòng)下，我國(guó)電動(dòng)車發(fā)展迅速，電動(dòng)車的充電行為也具有隨機(jī)性、間歇性，并且由于其充電過(guò)程中使用整流裝置，將會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)較大的影響。
　　
　　2 新能源發(fā)電技術(shù)及其對(duì)智能配電網(wǎng)的影響
　　在可再生能源中，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電發(fā)展最快，世界各國(guó)都將其作為重要的發(fā)展方向。新能源的轉(zhuǎn)換、利用和并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)，是世界各國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)的研究焦點(diǎn)。
　　2.1 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)介
　　風(fēng)力發(fā)電是目前新能源開(kāi)發(fā)中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開(kāi)發(fā)前景的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電是利用天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、與其它發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行如與柴油機(jī)組、與太陽(yáng)能光伏發(fā)電、與燃料電池發(fā)電方式等互補(bǔ)等[4]。除大型風(fēng)電場(chǎng)外，人們正在研究各種微型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。據(jù)報(bào)道，一個(gè)由英國(guó)、德國(guó)和荷蘭聯(lián)合組成的項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)了一幢能利用風(fēng)力發(fā)電的寫(xiě)字樓[5]。大樓呈“雙塔”結(jié)構(gòu)，裝有3組巨大的渦輪槳葉；兩座主樓體的截面都是弧形的，能將風(fēng)擠向中間，形成“風(fēng)口”，提高風(fēng)扇的工作效率。在3組渦輪槳葉同時(shí)工作時(shí)，所產(chǎn)生的電能至少能滿足大樓20%的用電需求，但建造成本昂貴。隨著技術(shù)的發(fā)展成熟，如果風(fēng)電大樓可以在城市推廣，它將有望改變城市的供電結(jié)構(gòu)。
　　2.2 光伏發(fā)電簡(jiǎn)介
　　光伏發(fā)電是應(yīng)用太陽(yáng)電池在受到太陽(yáng)光照時(shí)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，主要由光伏陣列、傳感器、?chǔ)能型蓄電池和充放電控制器、升壓電路、逆變器、濾波器和系統(tǒng)控制器等組成。光伏發(fā)電具有無(wú)噪聲、無(wú)污染、能量隨處可得、不受地域限制、不消耗燃料、運(yùn)行成本低、建設(shè)周期短、規(guī)模設(shè)計(jì)自由度大、可就地使用等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)際上利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要有獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、屋頂發(fā)電三類[2]。目前，我國(guó)光伏電池年產(chǎn)量已突破200萬(wàn)kW，居世界第一，但光伏發(fā)電安裝量還不到世界總量的1%，與生產(chǎn)大國(guó)的地位相差甚遠(yuǎn)。制約其發(fā)展的主要因素是并網(wǎng)成本過(guò)高。
　　2.3 新能源發(fā)電接入對(duì)電網(wǎng)的影響
　　新能源發(fā)電的目的是增加電力系統(tǒng)的電量，減少電力系統(tǒng)對(duì)一次能源的消耗。新能源發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性、可調(diào)度性差的特點(diǎn)。目前，新能源的接入主要分可離網(wǎng)蓄電、并網(wǎng)發(fā)電及兩者混合系統(tǒng)三類[6]。在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，新能源發(fā)電并網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)一些不利影響，存在的主要問(wèn)題在眾多文獻(xiàn)中均有描述，現(xiàn)總結(jié)如下。
　　(1) 對(duì)電能質(zhì)量的影響
　　風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響均具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，且一般配有整流-逆變?cè)O(shè)備和大量的電力電子設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電能質(zhì)量，造成測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確、加重負(fù)荷，還會(huì)造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。由于其并網(wǎng)電量隨機(jī)波動(dòng)較大、可調(diào)節(jié)性差，并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而會(huì)引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變，引起饋線中的潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響穩(wěn)態(tài)電壓分布和無(wú)功特性，使電網(wǎng)的不可控性和調(diào)峰容量余度增大[6]。新能源發(fā)電單元的頻繁啟動(dòng)會(huì)使配電線路的負(fù)荷潮流變化大，從而加大了電壓調(diào)整的難度。由于發(fā)電設(shè)備采用大量的電力電子裝置，電壓的調(diào)節(jié)和的控制方式也與傳統(tǒng)電網(wǎng)方式有很大不同。雖然一般新能源的發(fā)電裝置上裝有逆功率繼電器，正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)向電網(wǎng)注入功率，但當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路瞬間會(huì)有電流注入電網(wǎng)，增加配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)電流，可能使配電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)短路電流超標(biāo)，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。
　　(2) 對(duì)網(wǎng)損的影響
　　新能源接入配電網(wǎng)后，配電系統(tǒng)將由原有的單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橛脩艋ヂ?lián)和多電弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)[1]。電網(wǎng)的分布形式將發(fā)生根本性的變化，負(fù)荷大小和方向都很難預(yù)測(cè)。這使得網(wǎng)損不但與負(fù)載等因素有關(guān)，還與系統(tǒng)連接的電源具體位置和容量大小密切相關(guān)。
　　(3) 對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的影響
　　現(xiàn)行的配電網(wǎng)是一個(gè)無(wú)源的放射形電網(wǎng)，信息采集、開(kāi)關(guān)的操作、能源的調(diào)度等相應(yīng)比較簡(jiǎn)單，其實(shí)施監(jiān)測(cè)、控制和高度是由供電部門(mén)統(tǒng)一來(lái)執(zhí)行的。新能源的接入使此過(guò)程復(fù)雜化，特別需要對(duì)新能源接入后可能出現(xiàn)的“孤島”現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)防。當(dāng)新能源的本電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍繼續(xù)向所在的獨(dú)立配電網(wǎng)輸電，就會(huì)形成“孤島”現(xiàn)象。孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì)對(duì)用戶設(shè)備造成損壞；如果負(fù)載容量大于孤島中逆變器容量，會(huì)使逆變器過(guò)載，可能會(huì)燒毀逆變器。同時(shí)，會(huì)對(duì)檢修人員造成危險(xiǎn)；如果對(duì)孤島進(jìn)行重合閘操作，會(huì)導(dǎo)致該線路再次跳閘，而且負(fù)荷可能出現(xiàn)供需不平衡，將嚴(yán)重?fù)p害電能質(zhì)量，從而降低配電網(wǎng)的供電可靠性。
　　(4) 并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
　　目前，我國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的關(guān)于新能源發(fā)電的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于大中型新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行等的影響因素，以及電網(wǎng)接納能力等方面的技術(shù)問(wèn)題尚沒(méi)有確切定論，對(duì)接入系統(tǒng)的有功/無(wú)功控制能力、電能質(zhì)量及低電壓穿越能力等的檢測(cè)手段也不完善，包括對(duì)控制器、逆變器、輸配電設(shè)備、雙向計(jì)量設(shè)備及系統(tǒng)安全性方面的檢測(cè)。隨著大中型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的接納能力、電量調(diào)度運(yùn)行、配套政策等方面會(huì)提出新的要求。
　　
　　3 電動(dòng)車充電設(shè)備及其對(duì)智能配電網(wǎng)的影響
　　3.1 電動(dòng)車充電設(shè)備簡(jiǎn)介
　　目前新能源汽車主要有替代燃料汽車、電動(dòng)汽車、燃料電池汽車三種。電動(dòng)汽車在環(huán)保、清潔、節(jié)能等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)代汽車的主要發(fā)展方向，是最有潛力的交通工具。電動(dòng)車能源供給裝置對(duì)于電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)而言是不可缺少的重要設(shè)備，主要包括直流充電機(jī)和交流充電樁兩種形式。直流充電機(jī)功率較大，充電時(shí)間短，體積較大，用于大規(guī)模的充電站內(nèi)。交流充電樁一般功率較少，充電時(shí)間較大，體積小，占地少。電動(dòng)車充電模式[7]主要有三種：常規(guī)充電、快速充電和更換電池組。常規(guī)充電一般需要8~12小時(shí)，甚至更長(zhǎng)，通常在晚間進(jìn)行。快速充電采用大電流，可在車輛運(yùn)行間隙進(jìn)行，但會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響。更換電池組模式需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池和車輛專業(yè)化快速分離，只適用于充電站。
　　
　　3.2 電動(dòng)車充電設(shè)備對(duì)智能配電網(wǎng)的影響
　　(1) 對(duì)電能質(zhì)量的影響
　　電動(dòng)車直流充電機(jī)采用電力電子技術(shù)、整流裝置等非線性設(shè)備，在實(shí)際使用過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生諧波和無(wú)功電流，從而影響電能質(zhì)量。文獻(xiàn)【7-10】都對(duì)充電設(shè)備的諧波影響作了詳細(xì)的研究與分析
　　(2) 對(duì)配電網(wǎng)的其他影響
　　電動(dòng)車采用白天行駛、夜間充電的運(yùn)行方式，有利于電網(wǎng)的峰谷平衡，改善電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)，減少為維持電網(wǎng)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的調(diào)峰費(fèi)用。不過(guò)也要看到，當(dāng)現(xiàn)存的電力系統(tǒng)容量已經(jīng)充分利用，且電動(dòng)汽車在電力系統(tǒng)非低谷用電期充電時(shí)，額外的電流需求就不可避免地使系統(tǒng)過(guò)載，使其他用電設(shè)施受到影響。如果采用增加系統(tǒng)容量的方式就需要增加基礎(chǔ)投入，增加了電網(wǎng)的剩余容量，資源利用率相應(yīng)下降。
　　
　　4 結(jié)論與展望
　　隨著微網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)以及新型濾波充電樁技術(shù)越來(lái)越成熟，未來(lái)的智能配電網(wǎng)必須可以兼容新能源，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的交互，支持多元化電源的靈活接入和方便使用。
　　首先，智能配電網(wǎng)可以利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電和微型風(fēng)力發(fā)電不受地域限制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新能源的即插即用，建立微型發(fā)網(wǎng)系統(tǒng)，組成微型電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用。所謂即插即用是指在配電網(wǎng)低壓側(cè)（或用戶側(cè)）自行組網(wǎng)或并網(wǎng)，由智能控制器自動(dòng)控制組網(wǎng)或并網(wǎng)條件，當(dāng)滿足組網(wǎng)或并網(wǎng)條件時(shí)自動(dòng)組網(wǎng)或并網(wǎng)，反之，則隨時(shí)脫網(wǎng)。該方式無(wú)需建配電站，可降低附加的配電成本，并減少接入點(diǎn)配電網(wǎng)中的傳輸功率，增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度，減輕輸配電網(wǎng)過(guò)負(fù)荷壓力，提高末端電壓和系統(tǒng)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)性能，減少線路損耗。文獻(xiàn)【11】提出將不同容量的分布式電源和電動(dòng)汽車儲(chǔ)能設(shè)備即插即用式接入，通過(guò)收取過(guò)網(wǎng)服務(wù)費(fèi)，可增加供電企業(yè)收入。
　　其次，電動(dòng)車特別是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速，但普及率仍不高。文獻(xiàn)【12】也提出了以純電動(dòng)汽車替代燃油汽車，很可能是減少了石油進(jìn)口，但卻要增加煤炭進(jìn)口，不能從根本上提高我國(guó)能源的安全性，并認(rèn)為目前不是電動(dòng)汽車發(fā)展的最佳時(shí)期，此時(shí)建立大型的充電站可能會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此，可以考慮在居民小區(qū)、大型企事業(yè)單位內(nèi)設(shè)立小規(guī)模電動(dòng)車充電站，為電動(dòng)車提供充電服務(wù)。
　　最后，智能配電網(wǎng)還應(yīng)包括數(shù)據(jù)自動(dòng)采集應(yīng)用與信息的雙向傳輸。通過(guò)自動(dòng)采集配電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)如供用電量、電壓、電流、諧波等進(jìn)行監(jiān)控分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
　　綜上，智能配電網(wǎng)應(yīng)至少包括新能源（供、用）接入功能、雙向通信網(wǎng)功能、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集應(yīng)用功能。目前江門(mén)供電局已經(jīng)建立了一個(gè)包括上述功能的智能配電網(wǎng)模型，以便進(jìn)一步研究分析新能源供用電接入對(duì)智能配電網(wǎng)的綜合影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)各組件的監(jiān)控和最優(yōu)供用電組合。
　　
　　參考文獻(xiàn)