分布式電源并網(wǎng)對配電系統(tǒng)的影響研究

谷彩連，冷曉華

(1.沈陽工程學(xué)院電氣工程系，遼寧 沈陽 110136;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽供電公司朝陽縣供電分公司，遼寧 朝陽 122000)

1 引言

近些年，電力市場化改革不斷深入，燃煤發(fā)電和核電的環(huán)境成本、經(jīng)濟(jì)成本逐漸增大，用戶對電力供應(yīng)的可靠性要求日益提高，隨著可再生能源等新的發(fā)電技術(shù)獲得快速發(fā)展，分布式發(fā)電(Distributed Energy Resources，DER)得到了越來越多的重視。分布式發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，可降低系統(tǒng)損耗，延緩輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的升級改造，提高供電可靠性以及降低溫室效應(yīng)等。由于分布式電源的容量較小，一般就近接入配電網(wǎng)。DER接入電網(wǎng)后將改變配電網(wǎng)的潮流分布、短路電流的流向和大小，從而深刻影響了配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制、繼電保護(hù)配置及正確動作、網(wǎng)絡(luò)損耗、電能質(zhì)量及供電可靠性［1］，但同時分布式電源與配電網(wǎng)間的相互作用也將會產(chǎn)生一些問題，如果得不到合理的解決，接入系統(tǒng)的分布式電源可能會降低系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和電能質(zhì)量，因此如何應(yīng)對DER的接入是在智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程中必須要面臨的新課題。本文分析了DER的接入對電網(wǎng)造成的各種影響，并提出了消除負(fù)面影響的措施。

2 分布式電源概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是目前新能源開發(fā)中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式。利用天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片，帶動發(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、與其他發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行如與柴油機(jī)組、與太陽能光伏發(fā)電、與燃料電池發(fā)電方式互補(bǔ)等［2］。需要說明的是，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要隨風(fēng)能變化而調(diào)整，一般情況下風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻［3］。

2.2 太陽能光伏發(fā)電

太陽能的轉(zhuǎn)換和利用方式有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換等［4］。目前，技術(shù)比較成熟的、應(yīng)用廣泛的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，即光電轉(zhuǎn)換。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。國際上利用太陽能光伏發(fā)電主要獨(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［5］，圖1為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

2.3 冷熱電聯(lián)供

冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上，將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的供能系統(tǒng)。不僅提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。圖2為工作流程圖。

2.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)(Advanced Microturbine)是一種新發(fā)展起來的小型熱力發(fā)電機(jī)，其單機(jī)功率范圍為25～300kW，其基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械(向心式渦輪機(jī)和離心式壓氣機(jī))，在轉(zhuǎn)子上兩者葉輪為背靠背結(jié)構(gòu)，采用高效板式回?zé)崞鳎蠖鄶?shù)機(jī)組還采用空氣軸承，不需要潤滑油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單。

圖2 冷熱電聯(lián)供流程圖

3 分布式電源對配電系統(tǒng)的影響

3.1 電能質(zhì)量方面

3.1.1 電壓

分布式電源并網(wǎng)后，地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布發(fā)生變化。分布式電源的接入位置和容量對線路電壓分布影響很大。相同容量的分布式電源接入在不同的位置時所形成的電壓分布差別很大，光伏發(fā)電介入后將使線路電壓升高，且線路某點(diǎn)電壓變化趨勢與該點(diǎn)后所有負(fù)荷大小和光伏發(fā)電出力有直接關(guān)系的結(jié)論［6］;文獻(xiàn)［7］則研究了分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響，從DG的容量、接入位置說明了其對電網(wǎng)電壓的影響，提出了改變變壓器分接頭適應(yīng)DG接入后的電壓，在DG退出后投入電容器進(jìn)行電壓支撐，或利用調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)的方案，但在實(shí)際運(yùn)行的配電網(wǎng)中，某些變壓器并沒有調(diào)壓能力。分布式電源總出力越大，滲透率(分布式電源的容量與負(fù)荷量的比值)越高，電壓支撐能力越強(qiáng)，整體電壓水平就越高［8］。因此對接入分布式電源后的地區(qū)電網(wǎng)的電壓分布進(jìn)行評估。分布式電源并網(wǎng)不但對地區(qū)電網(wǎng)的電壓分布影響顯著，甚至引起電壓穩(wěn)定性問題［9－10］。一般來說，分布式電源的接入有助于電壓穩(wěn)定性的提高。但分布式電源采用的接口需要從電網(wǎng)中吸收無功功率時，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有負(fù)面影響。當(dāng)風(fēng)電站接入地區(qū)電網(wǎng)后，由于風(fēng)電廠輸入的風(fēng)能變化的隨機(jī)性、間歇性，并且風(fēng)電常采用異步發(fā)電機(jī)，需從地區(qū)電網(wǎng)吸收大量的無功，所以容易影響整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致整個電網(wǎng)的電壓崩潰［11］。從這一角度考慮，必須對含分布式電源的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓調(diào)度策略進(jìn)行研究，保證整個地區(qū)電網(wǎng)的無功平衡;同時還必須具體研究分布式電源并網(wǎng)后，對地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性的影響性質(zhì)和程度。

3.1.2 波形

分布式電源經(jīng)過基于電力電子技術(shù)的逆變器接入配電網(wǎng)。在大型配電網(wǎng)中引入分布式電源后，一些重要母線的諧波電壓水平可能會較高，我們可以采用在諧波電壓水平較高的母線上安裝特殊濾波器來抑制諧波電壓;在含有光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，我們可以采用多功能逆變器控制策略，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器中加入并聯(lián)有源濾波器的功能，而且采用參考電壓最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略來穩(wěn)定電壓源逆變器的輸出電流，能夠起到抑制系統(tǒng)諧波電壓的作用。

3.1.3 頻率

分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時的頻率要與地區(qū)電網(wǎng)的頻率保持一致。通常情況下，分布式發(fā)電系統(tǒng)容量較小，其啟停對地區(qū)電網(wǎng)的頻率影響較小。但對于有功出力具有隨機(jī)性和波動性的較大規(guī)模的分布式發(fā)電系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)，要采用一定的措施，如分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲能元件相結(jié)合，以維持穩(wěn)定發(fā)電出力;或保持電網(wǎng)內(nèi)具有足夠的調(diào)峰電源，否則會引起系統(tǒng)的頻率偏移［12，13］。同時，電力系統(tǒng)的頻率變換會對分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組造成影響，這要求調(diào)整分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其頻率與電網(wǎng)保持一致。電力系統(tǒng)是一個實(shí)時動態(tài)平衡系統(tǒng)，發(fā)電、輸電、用電必須時刻保持平衡。常規(guī)電源功率可調(diào)、可控，用電負(fù)荷的預(yù)測精度高，但在具有波動性和間歇性分布式發(fā)電系統(tǒng)的情況下，有功出力難以精確預(yù)測，這給電網(wǎng)調(diào)頻帶來一定程度影響。

3.2 配電線路的保護(hù)和定位

DG的接入將會增加配電線路的短路電流，進(jìn)而影響上下游保護(hù)的故障判別能力。采用分散接入的DG對短路電流的增量可控制在0.545kA以下，對保護(hù)的整定值影響很小;而采用專線接入的DG將對保護(hù)的整定值有很大影響［14］。對于基于FTU的故障定位隔離技術(shù)，若未引入DG，發(fā)生故障時可通過任意兩個相鄰遙測點(diǎn)的電流大小來判斷故障點(diǎn)，即兩點(diǎn)均有或無短路電流，則故障點(diǎn)不在兩點(diǎn)之間，否則故障點(diǎn)在兩點(diǎn)之間;若線路中引入DG，則線路中的某些區(qū)段變?yōu)殡p端電源供電，需要通過兩個相鄰遙測點(diǎn)的電流方向來判斷故障點(diǎn)的位置［15］。

3.3 配網(wǎng)規(guī)劃方面

傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃主要是在滿足負(fù)荷增長和安全可靠供電的前提下，根據(jù)規(guī)劃期間網(wǎng)絡(luò)中空間負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基本狀況來確定最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)劃方案。但由于DG并網(wǎng)具有不確定性，使配電網(wǎng)規(guī)劃變得較為困難［16］，主要表現(xiàn)為:DG的接入會影響系統(tǒng)的負(fù)荷增長模式，使原有配電系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測和規(guī)劃面臨更大的不確定性，影響后期的系統(tǒng)規(guī)劃;在配電網(wǎng)規(guī)劃中，通常假定在規(guī)劃期間規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)負(fù)荷將逐年增加，因此會在規(guī)劃中新建變電站，但由于DG的出現(xiàn)和并網(wǎng)，導(dǎo)致難以尋找最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案，不能得到科學(xué)的規(guī)劃結(jié)果。

3.4 配電網(wǎng)可靠性

在含分布式發(fā)電系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)中，分布式發(fā)電系統(tǒng)能部分抵消電網(wǎng)負(fù)荷，減少進(jìn)線的實(shí)際輸送功率和提高輸配電網(wǎng)的輸電能力;同時分布式發(fā)電系統(tǒng)對地區(qū)電網(wǎng)電壓支撐作用可以增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)性能［17］，對提高地區(qū)電網(wǎng)可靠性有重要的作用。當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)故障時，微網(wǎng)解列為孤島運(yùn)行，此時如果分布式發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘看笥诠聧u內(nèi)所有負(fù)荷之和，故障隔離后，分布式發(fā)電系統(tǒng)能保證非故障區(qū)的負(fù)荷繼續(xù)供電，保證供電可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)對地區(qū)電網(wǎng)可靠性也會產(chǎn)生不利的影響。如分布式發(fā)的安裝地點(diǎn)、容量、接線方式不恰當(dāng)，也會降低地區(qū)電網(wǎng)的可靠性［18］;或由于維護(hù)或故障斷路器跳閘等形成無意識的孤島，可能出現(xiàn)電力供需不平衡，降低電網(wǎng)的供電可靠性。

3.5 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗［19］

(1)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，網(wǎng)損變化與分布式光伏電源的出力水平、功率因數(shù)和配電網(wǎng)的R/X有關(guān)，在不同的分布式光伏電源有功注入水平下，隨著配電網(wǎng)的R/X的增加，網(wǎng)損降低。

(2)隨著配電網(wǎng)負(fù)荷水平的增加，較小的分布式光伏電源有功注入水平導(dǎo)致網(wǎng)損略微增加;當(dāng)分布式光伏電源的有功注入水平很大時，導(dǎo)致網(wǎng)損增加很大。但隨著負(fù)荷水平的增加，變化率減小。以超前功率因數(shù)運(yùn)行的分布式光伏電源出力水平較大時，網(wǎng)損變化率對配電網(wǎng)負(fù)荷水平的變化更敏感。

(3)配電網(wǎng)的負(fù)荷功率因數(shù)不同時，分布式光伏電源接入后對網(wǎng)損是降低還是增加取決于分布式光伏電源的功率因數(shù)和有功注入水平。

(4)當(dāng)分布式光伏電源出力水平和功率因數(shù)發(fā)生變化時，配電網(wǎng)的網(wǎng)損也將發(fā)生變化。隨著光伏電源出力水平的增加，配電網(wǎng)的網(wǎng)損變化率呈開口向上的拋物線型。

3.6 對電力市場的影響

分布式電源的接入可能使配電網(wǎng)的某些設(shè)備閑置或成為備用。如:當(dāng)分布式電源運(yùn)行時，與配電系統(tǒng)相連的配電變壓器和電纜線路常常因負(fù)荷小而輕載，導(dǎo)致配電系統(tǒng)部分設(shè)備成為相應(yīng)的分布式電源的備用設(shè)備，從而使配電網(wǎng)的成本增加，供電局的效益下降。另外還可能使配電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測更加困難［20］。而分布式電源由于規(guī)劃布局不合理，中、低壓供電線路長、覆蓋面廣，線路及產(chǎn)品和設(shè)備陳舊、老化，并網(wǎng)電量計量方式不當(dāng)，裝置配置不合理，管理、監(jiān)督不利，易造成運(yùn)行中損耗較大、經(jīng)濟(jì)效益低。

3.7 對可用輸電能力的影響

可用輸電能力的大小不僅能夠衡量電力系統(tǒng)安全和可靠性，同時在一定程度上能夠反映電力市場交易雙方獲得利潤的多少，隨著分布式發(fā)電的廣泛開展其對的影響不容忽視。文獻(xiàn)［21］建立了精確反映DG輸出功率對線路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓影響的分析方法及數(shù)學(xué)模型，該模型定性反映了DG對ATC的影響，當(dāng)線路容量成為裝設(shè)有DG的互聯(lián)電網(wǎng)間輸電能力約束時調(diào)節(jié)DG輸出有功功率來提高ATC，避免了支路堵塞。

4 對策

對減少分布式電源影響的對策和需要解決的內(nèi)容如表1所示。

表1 分布式電源并網(wǎng)的對策

5 結(jié)論

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，社會對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求日益提高。大電網(wǎng)與分布式光伏發(fā)電相結(jié)合，被世界許多能源和電力專家公認(rèn)為是能節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式之一。本文較為全面的分析了分布式電源并網(wǎng)對配電系統(tǒng)的影響，并提出了相應(yīng)的對策和研究方向，為后續(xù)研究提供重要的參考依據(jù)。

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