微網(wǎng)并網(wǎng)運行存在的問題及應對措施

安典強，常喜強，李 梅，張新燕

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002;3.自治區(qū)計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著全球常規(guī)能源的逐漸枯竭和環(huán)境的污染，世界各個國家能源結構也在逐漸調整。分布式發(fā)電逐漸登上歷史舞臺，分布式發(fā)電具有靈活、分散、小型、靠近用戶、使用清潔能源、可與環(huán)境兼容等優(yōu)點，能提高局部供電可靠性、減少輸電損耗、提高一次能源的利用率以及減少廢氣排放，在配電網(wǎng)中得到廣泛的應用，具有很好的應用前景。但是DGs的大規(guī)模滲透也產生了一些負面影響。如分布式發(fā)電單機接入成本較高，控制較復雜［1］。另外，從系統(tǒng)的角度來分析，DGs是不可控的發(fā)電單元，因此系統(tǒng)總是試圖采取隔離、切機的方式來控制微型發(fā)電系統(tǒng)，以消除其對大系統(tǒng)的電壓和頻率的沖擊［1］。微網(wǎng)的提出整合了分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱了分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，充分發(fā)揮了DGs的效益和價值。但微網(wǎng)并網(wǎng)運行還存在很多問題，根據(jù)微網(wǎng)的定義、特點，對微網(wǎng)并網(wǎng)運行存在的問題進行分析研究并提出相應應對措施及建議。

1 微網(wǎng)的定義及特點

1.1 微網(wǎng)的概念

微網(wǎng)，顧名思義，也稱微電網(wǎng)，是指由分布式電源(DG)、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。

1.2 微網(wǎng)的特點

微電網(wǎng)將發(fā)電機、負荷、儲能裝置及控制裝置整合在一起，彌補了分布式發(fā)電系統(tǒng)的不足，具有低成本、低電壓、低污染等優(yōu)點。微網(wǎng)并網(wǎng)甚至能起到削峰填谷的作用。但由于分布式電源的間歇性、復雜性、多樣性、不穩(wěn)定性和微網(wǎng)并網(wǎng)存在并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種運行方式，使得微網(wǎng)并網(wǎng)還存在許多問題。

2 微網(wǎng)并網(wǎng)存在問題分析研究及應對措施

2.1 對電網(wǎng)電壓、頻率的影響及應對

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一個放射狀結構的無源網(wǎng)絡，潮流是單向流動的，為了使配電網(wǎng)在不同的負荷下維持相對穩(wěn)定的電壓水平，其電壓調整主要依靠上級變電站內變壓器有載調壓分接開關的切換及無功補償電容器的投退來實現(xiàn)，VQC裝置根據(jù)主變壓器負載情況、電壓水平等因數(shù)來自動調節(jié)分接開關位置，一般采用逆調壓方式即當主變壓器負荷增大時，調高主變壓器二次側電壓［1］。微網(wǎng)接入后，其內的DG向電網(wǎng)注入有功功率和無功功率改變了配電網(wǎng)單向潮流流向。微網(wǎng)接入電網(wǎng)后電網(wǎng)無功增加所以節(jié)點電壓升高。U'=U+△U(U'為接入微網(wǎng)后節(jié)點電壓;U為未接入微網(wǎng)時節(jié)點電壓)。現(xiàn)在就需要根據(jù)電壓波動情況來調節(jié)變壓器分接頭以適應變化，增加了電網(wǎng)調度的難度。而當微網(wǎng)突然退出時，無功補償迅速減少，使電網(wǎng)電壓下降很大，給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來威脅。同時微網(wǎng)內部的風電、光伏等電源出力一方面受天氣等影響，一定程度上也受用戶或業(yè)主控制，給電網(wǎng)的控制和管理又增加了困難。此外，微網(wǎng)不同的接入點與微網(wǎng)容量的大小都會對電網(wǎng)電壓帶來不同的影響。

圖1 微網(wǎng)并網(wǎng)結構圖

微網(wǎng)內分布式電源實際上一個諧波源，微網(wǎng)內電力電子器件產生的大量諧波也注入電網(wǎng)［5］，給電網(wǎng)頻率穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段電網(wǎng)對微網(wǎng)的接納還很差，只能是電網(wǎng)選擇它能接受的微網(wǎng)，而不能隨機大量的微網(wǎng)接入電網(wǎng)，最主要原因在于微網(wǎng)并網(wǎng)還不能達到柔性并網(wǎng)。為克服這些問題，應從以下幾點做起。

(1)研制產生諧波盡量少的的電力電子器件;

(2)進行無功動態(tài)補償(SVC，SVG，STATCOM等);

(3)根據(jù)實際情況合理設置微網(wǎng)容量，使電網(wǎng)盡可能消納微網(wǎng)產生的問題;

(4)考慮微網(wǎng)蓄電池儲能。

2.2 對電網(wǎng)保護整定的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負載”。當微網(wǎng)內分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內負載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當不能滿足時電網(wǎng)向微網(wǎng)饋電，呈現(xiàn)“負荷”特性。微網(wǎng)的接入改變了配電網(wǎng)功率單向流動的特點(成為雙向潮流)。大量微網(wǎng)的接入使電網(wǎng)產生了大量的隨機性潮流，使電網(wǎng)潮流流向和分布發(fā)生改變。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在微電網(wǎng)接入前是輻射狀單端電源供電系統(tǒng)，無源放射性網(wǎng)絡配電網(wǎng)的繼電保護是根據(jù)配電網(wǎng)這個特點來設計和運行的。饋線上的保護不需要安裝方向元件，且多為三段式電流保護。［5］微網(wǎng)引入后，配電網(wǎng)成為一個有源網(wǎng)絡(active distribution)，使得原來的繼電保護不能滿足要求，當電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)故障后其原有的故障電氣特征將發(fā)生巨大變化，此時微電網(wǎng)可能呈現(xiàn)電源特性，即向故障供出故障電流。傳統(tǒng)的檢測故障方法和繼電保護不能再滿足要求?，F(xiàn)做如下分析。

圖2 含微網(wǎng)電網(wǎng)不同點的故障示意圖

(1)微網(wǎng)接入可能會導致誤動作，而且當微網(wǎng)DG輸出功率越大，影響越嚴重。

如圖2所示，F(xiàn)1處發(fā)生短路故障，未接入微網(wǎng)時，由系統(tǒng)電源向其提供短路電流，對保護1沒有影響。當短路電流足夠大時，保護2動作切除故障。接入微網(wǎng)后，微網(wǎng)內的DG也向F1提供短路電流，當微網(wǎng)DG功率足夠大時，由微網(wǎng)DG向F1提供的短路電流大于保護1電流整定值時，保護1動作，造成誤動［4］。

(2)微網(wǎng)接入可能會導致保護靈敏度降低，而且當微網(wǎng)DG輸出功率越大，影響越嚴重。

如圖2所示，當F3處發(fā)生短路故障時，沒有接入微網(wǎng)系統(tǒng)電源向故障點提供短路電流，短路電流大于保護1的整定電流時保護1動作，切除故障。并入微網(wǎng)后，微網(wǎng)內DG可能同時與系統(tǒng)電源向故障點提供短路電流，由于DG分流作用，流過保護1的故障電流減小，使其靈敏度降低，微網(wǎng)DG輸出功率越大保護1感受到的短路電流越小，靈敏度也越差，甚至造成拒動［4］。

(3)當故障點位于DG上游，由于沒有方向元件，DG上游的各保護之間可能會失去選擇性。

如圖2所示，當F2處發(fā)生短路，未接入微網(wǎng)時，有系統(tǒng)電源向其提供短路電流，保護2、3協(xié)同作用，由保護3切除故障。當微網(wǎng)接入后，微網(wǎng)DG也向其提供短路電流，流過保護2的短路電流變大，微網(wǎng)DG功率越大，流經(jīng)保護2的短路電流越大，當達到一定值時，保護2動作，切除故障，保護2、3失去選擇性，并使停電面積增大。

此外，當微網(wǎng)接入電網(wǎng)饋線始端母線、末端母線時對電網(wǎng)保護也有不同影響，這里不再贅述。

因此對微網(wǎng)接入電網(wǎng)的保護應借鑒輸電系統(tǒng)的一些保護設計原則，例如方向、阻抗、差動等加以分析并重新配置;對傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的適應性和技術進行改造;制定電網(wǎng)、微網(wǎng)保護的協(xié)調配合機制。

2.3 對重合閘的影響

眾所周知，在電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障大多為瞬時性故障，重合閘的應用提高了系統(tǒng)供電可靠性，減少了電網(wǎng)維護的工作量。在傳統(tǒng)電網(wǎng)結構下，重合閘的工作不會對電網(wǎng)產生任何沖擊和破壞。當微網(wǎng)接入后，由于DG的存在可能產生威脅。下面就重合閘與繼電保護的兩種配合方式(自動重合閘前加速和自動重合閘后加速)進行分析。

(1)對自動重合閘前加速的影響

在某些情況下，當線路斷路器斷開后，微網(wǎng)未能解列，造成非同期合閘，使電網(wǎng)與微網(wǎng)遭受非同期合閘的沖擊，如圖3。

圖3 自動重合閘前加速故障

如圖3所示，當F處發(fā)生故障斷路器CB跳閘后微網(wǎng)并未解列，微網(wǎng)DG與系統(tǒng)電勢有可能失去同步，使電網(wǎng)與微網(wǎng)受到非同期合閘的沖擊。同時反向電流可能對設備造成損壞。

(2)對自動重合閘后加速的影響

與前加速保護不同的是當線路發(fā)生故障后，保護有選擇性地切除故障，重合閘進行一次重合后回復供電。而且每臺斷路器都配有完備的保護系統(tǒng)和重合閘裝置。

如圖4所示，當F處故障時，CB1斷開。微網(wǎng)DG向其提供短路電流，使故障點電弧不能熄滅。當微網(wǎng)DG提供的短路電流大于CB2處整定電流后CB2動作增大停電面積。然而CB1重合后又可能造成非同期重合問題。

應對措施如下。

(1)對自動重合閘裝置進行改進。在微網(wǎng)DG處安裝低周期、低壓解列裝置;

圖4 自動重合閘后加速故障

(2)研究一種新的繼電保護與重合閘配合方式，使微網(wǎng)在重合閘之前解列，或加設通訊線路使微網(wǎng)解列。

2.4 對短路容量的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負載”。當微網(wǎng)內分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內負載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當電網(wǎng)故障時，微網(wǎng)內的DG會向故障點注入短路電流，如果并網(wǎng)的大量微網(wǎng)都呈現(xiàn)“電源”特性，會對電網(wǎng)的短路容量產生很大的影響。

(1)將增加電網(wǎng)的短路容量，可能會對電氣設備的動熱穩(wěn)定產生不利影響。

(2)對于短路容量接近額定遮斷容量的斷路器而言，其影響甚至是危險的。

對策如下。

(1)改變配電網(wǎng)的運行方式，或在適當?shù)攸c裝設限流電抗器;

(2)在選址階段，根據(jù)電網(wǎng)狀況選擇合適的DG接入位置。

2.5 孤島效應

孤島效應是指由于某種原因電網(wǎng)斷電而微網(wǎng)繼續(xù)向電網(wǎng)提供電能。微網(wǎng)接入電網(wǎng)運行有可能會產生孤島效應。孤島效應的產生會對電網(wǎng)、工作人員等產生很大影響。

(1)孤島效應發(fā)生后微網(wǎng)內電壓、頻率失去電網(wǎng)的支撐會發(fā)生較大波動，從而損壞配電設備和用戶設備［7］。而當電網(wǎng)回復時，可能會產生很大沖擊電流給設備帶來損壞。

(2)干擾電網(wǎng)的正常合閘。

(3)孤島效應發(fā)生后微網(wǎng)內的DG有可能對電網(wǎng)故障點繼續(xù)供電，這給維修工作人員帶來危險。

應對孤島效應的危害主要是預防為主，通過各種檢測方法提前知道是否發(fā)生孤島效應。主要的檢測方法有:被動檢測、主動式檢測。

2.6 對供電可靠性的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負載”。當微網(wǎng)內分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內負載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當不能滿足時電網(wǎng)向微網(wǎng)饋電，呈現(xiàn)“負荷”特性。因此微網(wǎng)接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)的供電可靠性也會存在一定的影響。

當在電網(wǎng)供電能力不足的情況下，而微網(wǎng)又呈現(xiàn)“電源”特性，微網(wǎng)向電網(wǎng)輸送電力，滿足了本來須限電用戶的用電需求。同時，在電網(wǎng)多發(fā)時而微網(wǎng)呈現(xiàn)“負荷”特性。消納了電網(wǎng)的出力。這時微網(wǎng)起到了削峰填谷的作用，對提高供電可靠性及穩(wěn)定起到了重要作用。反過來說微網(wǎng)則會對電網(wǎng)的供電可靠性及穩(wěn)定帶來危害。

對策如下。

(1)合理配置微網(wǎng)容量，并設置蓄電裝置盡量減少對電網(wǎng)的不利影響;

(2)通過有規(guī)劃的孤島運行模式提高電網(wǎng)供電的可靠性［11］。

3 結論

根據(jù)微網(wǎng)運行經(jīng)驗及自身特點，大規(guī)模并網(wǎng)帶來的主要問題是微網(wǎng)內分布式電源的波動性和隨機性，引起微網(wǎng)內功率的不平衡隨時間變化而導致的安全隱患及薄弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質量問題，對電網(wǎng)的規(guī)劃、建設、保護、運行調度、分析控制、經(jīng)濟運行和電能質量等產生一定的影響。

微網(wǎng)技術雖然在中國還不成熟，還有很多技術方面的、政策方面的、管理方面的問題有待解決，但它順應了中國大力促進可再生能源發(fā)電、走可持續(xù)發(fā)展道路的要求，因此對其進行深入研究具有重大意義。

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