分布式電源在接入系統(tǒng)設計中的研究

段培明 許美娜 李東升

摘 要：采用基于疊加原理的電壓分布算法，分析引入分布式電源后對配電網(wǎng)電壓分布的影響；并根據(jù)分布式電源的性質(zhì)，利用微電網(wǎng)技術(shù)，將分布式電源納入到純負荷性質(zhì)的微網(wǎng)和發(fā)電、負荷可控的微網(wǎng)，解決了分布式電源潮流不可控的難題，并在配網(wǎng)規(guī)劃中對這兩類微網(wǎng)接入配網(wǎng)饋線的位置提出建議，達到了改善配電網(wǎng)電壓分布、降低網(wǎng)損的作用。

關鍵詞：分布式電源；微網(wǎng)；配電網(wǎng)

引言

全球范圍的能源危機和環(huán)境危機使得新興能源的開發(fā)和利用成為一種迫切的需求。分布式發(fā)電這種環(huán)保、高效、靈活的發(fā)電方式已經(jīng)被世界各國所重視。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，分布式發(fā)電的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)，導致越來越多的分布式電源并入電網(wǎng)運行。

在我國，農(nóng)村或郊區(qū)以放射型配電網(wǎng)為主，城市以網(wǎng)狀配電網(wǎng)為主，無論哪種配電網(wǎng)都是按用戶端沒有接入任何電源為基礎設計的。當大量的分布式電源接入到配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變，電壓分布也發(fā)生變化。規(guī)模和位置不合理的分布式電源可能導致網(wǎng)絡中某些節(jié)點電壓下降或出現(xiàn)過電壓，改變故障電流的大小、方向，導致網(wǎng)損增加，甚至可能影響到配電系統(tǒng)的可靠性。

為了維護配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行，必須使分布式電源實現(xiàn)“可見”、“可控”、“易控”，能夠接受調(diào)度，要實現(xiàn)該目標則需要將分布式電源單元集成到現(xiàn)有的配電系統(tǒng)中，這不但需要改進現(xiàn)有的配電自動化系統(tǒng)，而且極大的增加了調(diào)度的復雜性，對于類型多樣、數(shù)量龐大的分布式電源要做到合理調(diào)度，幾乎是不可完成的。微網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)對分布式電源的綜合管理，統(tǒng)籌利用微網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電、用電和儲能裝置，實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)功率優(yōu)化和平衡，可有效解決數(shù)量眾多、種類多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。

文章采用基于疊加原理的電壓分布算法，分析分布式電源引入后對配電網(wǎng)電壓分布的影響。并提出在配電網(wǎng)規(guī)劃和分布式電源接入系統(tǒng)設計時，將不同類型的分布式電源結(jié)合儲能裝置組成潮流和電壓可控的微網(wǎng)，接入配電網(wǎng)適合的位置，從而實現(xiàn)對分布式電源的調(diào)度，促進分布式電源的發(fā)展。

1 分布式電源并網(wǎng)對電壓分布的影響

配電系統(tǒng)的基本單元是饋線。饋線的首端經(jīng)過高壓降壓變壓器與高壓配電網(wǎng)相連接，末端經(jīng)低壓降壓變壓器與用戶相連。我國饋線電壓等級大多是10kV，每條饋線上線路成樹狀分布，以輻射形網(wǎng)絡連接若干臺配電變壓器。饋線的不同位置分布有若干負荷，這些負荷種類繁多，隨機性大，要準確地描述比較困難。為方便研究，文章采用靜態(tài)恒功率模型來表示各節(jié)點的負荷。考慮到配電網(wǎng)電壓較低，線路長度較短，設定以下假設條件：各節(jié)點負荷三相對稱，三相線路間不存在互感。然后將所有線路阻抗均折合到系統(tǒng)電壓等級，得出饋線模型，見圖1。

在圖1所示系統(tǒng)中，分布式電源注入前m節(jié)點電壓為：

由式（2）可知，該節(jié)點注入分布式電源后，節(jié)點電壓與線路傳輸功率發(fā)生改變。集中供電一般采用輻射狀的配電網(wǎng)，穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，饋線電壓沿潮流方向逐漸降低.接入分布式電源后，饋線傳輸?shù)墓β蕼p少，抬高了饋線上各負荷節(jié)點處的電壓，這可能使一些負荷節(jié)點的電壓偏移超標，節(jié)點電壓升高多少取決于分布式電源的接入位置及總?cè)萘看笮?。接入點電壓Vm必須小于電壓偏差要求的最大電壓Vmax，整條線路上電壓才能滿足要求。

在1節(jié)點、8節(jié)點、17節(jié)點接人容量為1000+j 500 kVA的分布式電源，其節(jié)點類型設為PQ節(jié)點，進行潮流計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 分布式電源接入位置與電壓幅值變化對比

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)分布式電源的接入可以提高系統(tǒng)的整體電壓水平，其接入位置與節(jié)點電壓幅值密忉相關。相同容量的分布式電源接在配電線路的不同位置，對線路的電壓分布產(chǎn)生的影響差別很大，接入點越接近線路末端節(jié)點對線路電壓分布的影響越大，越接近系統(tǒng)母線對線路電壓分布的影響越小。因此，在配電網(wǎng)規(guī)劃及分布式電源接入系統(tǒng)設計時，需要根據(jù)分布式電源的性質(zhì)、容量確定合理的接入點，確定合理的控制方式，只有這樣才能改善線路的電壓質(zhì)量，提高供電可靠性。

2 分布式電源接入系統(tǒng)

2.1 分布式電源的分類

一般可以根據(jù)分布式電源的技術(shù)類型、所使用的一次能源及和與電力系統(tǒng)的接口技術(shù)進行分類。按照技術(shù)類型可分為小型燃氣輪機、地熱發(fā)電、水力發(fā)電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、具有同步或感應發(fā)電機的往復式引擎、燃料電池、太陽熱發(fā)電、微透平等，按照一次能源可分為化石燃料、可再生能源；按照與電力系統(tǒng)的接口可分為直接相聯(lián)、逆變器相聯(lián)；按照并網(wǎng)容量分，可分為小型分布式電源和大、中型分布式電源。小型分布式電源主要包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等；大、中型分布式電源主要包括微型汽輪機、微型燃氣輪機、小型水電等。

2.2 微網(wǎng)技術(shù)簡介

微網(wǎng)是一個小型發(fā)配電系統(tǒng)，由分布式電源、相關負荷、逆變裝置、儲能裝置和保護、監(jiān)控裝置匯集而成，具有能量管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、電氣元件保護系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)、控制和管理。微網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。從其內(nèi)部看，微網(wǎng)是一個個小型的電力系統(tǒng)。從外部看，微網(wǎng)是配電網(wǎng)中的一個可控的、易控的“虛擬”電源或負荷。微網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。

2.3 將分布式電源組成不同類型的微網(wǎng)

目前，比較成熟的分布式發(fā)電技術(shù)主要有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃氣輪機等幾種形式。在城鎮(zhèn)配電網(wǎng)中，風力發(fā)電、燃料電池、光伏發(fā)電發(fā)電容量遠小于配網(wǎng)負荷，對于這些小容量的分布式電源，采用與附近負荷組成微網(wǎng)的形式并入配網(wǎng)系統(tǒng)，通過技術(shù)措施使微網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電功率小于其負荷消耗的功率，使這些“不可見”的分布式電源完全等效為一個負荷。針對發(fā)電出力達到最大、負荷功率最小的工況，根據(jù)發(fā)電出力與負荷消耗功率的差值及持續(xù)時間計算出需要存儲的電量，該電量作為儲能裝置容量的一個約束條件，再考慮其他的約束條件，為微網(wǎng)配置容量合理的儲能裝置。當出現(xiàn)發(fā)電出力大于負荷消耗功率時，將這部分電量存到儲能裝置中，在負荷功率高于發(fā)電出力時，再將這部分電量釋放掉。

大型的微型燃氣輪機多用于需要穩(wěn)定的熱源、冷源的工商企業(yè)，以實現(xiàn)熱、電、冷三聯(lián)供，這些企業(yè)的負荷穩(wěn)定，易于預測。微型燃氣輪機的發(fā)電功率由用戶對供熱和供冷的要求決定，發(fā)電功率也易于預測。這樣，以這些微型燃氣輪機為分布式電源的微網(wǎng)是可控、易控的。

將分布式電源納入到微電網(wǎng)，并將其分為純負荷性質(zhì)的微網(wǎng)和發(fā)電、負荷可控的微網(wǎng)兩種，有效的解決了分布式電源潮流不可控的難題，給配電網(wǎng)的調(diào)度、運行帶來的極大的方便。

2.4 微電網(wǎng)接入系統(tǒng)方案

純負荷性質(zhì)的微網(wǎng)在配網(wǎng)中是一個內(nèi)部帶有電源的負荷，將其接入到配網(wǎng)饋線的中間至末端，可有效地改善配電網(wǎng)電壓分布，降低配電網(wǎng)網(wǎng)損。當微網(wǎng)內(nèi)分布式電源突然故障或者失電時，由配電網(wǎng)對微網(wǎng)內(nèi)的負荷進行供電，此時配電線路潮流增大，微網(wǎng)內(nèi)的電壓會發(fā)生躍變，如電壓幅值變化超過用電設備允許值，將會對用電設備造成損壞。針對這種情況，可以利用微網(wǎng)內(nèi)的儲能裝置將存儲的能量進行逆變，有效地支撐電壓，避免產(chǎn)生電壓跌落，減少電壓波動，有效的保護用電設備。當配電網(wǎng)失電時，微網(wǎng)自動脫網(wǎng)孤島運行，孤島的運行方式由微網(wǎng)內(nèi)部自行控制，對配電網(wǎng)的故障分析、檢修、試驗不產(chǎn)生影響。

對于發(fā)電、負荷可控的微網(wǎng)，尤其是容量較大的，在配電網(wǎng)規(guī)劃及接入系統(tǒng)設計時，需統(tǒng)一考慮中接入位置對配電網(wǎng)電壓、繼電保護、安全自動裝置的影響，需要進行充分的論證，必要時可采用專線接入系統(tǒng)，以確保配電的安全、可靠運行，充分發(fā)揮分布式電源的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié)束語

文章分析了分布式電源接入配網(wǎng)后對電壓的影響，并根據(jù)分布式電源的不同性質(zhì)，利用微電網(wǎng)技術(shù)，將分布式電源納入到純負荷性質(zhì)的微網(wǎng)和發(fā)電、負荷可控的微網(wǎng)，解決了分布式電源潮流不可控的難題，并在配網(wǎng)規(guī)劃中，對這兩類微網(wǎng)接入配網(wǎng)饋線的位置提出建議，達到了改善配電網(wǎng)電壓分布、降低網(wǎng)損的作用。影響分布式電源接入系統(tǒng)的因素很多，比如短路電流、繼電保護、安全自動裝置等，需要在今后繼續(xù)研究。另外大容量儲能技術(shù)不成熟是制約分布式電源應用的關鍵因素，待大容量儲能解決后，分布式電源將更加廣泛的應用。

參考文獻

[1]楊艷芳.分布式電源并網(wǎng)后配電網(wǎng)調(diào)壓問題的研究[D].華北電力大學，2008.

[2]王志群，朱守真. 分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響[J].電力系統(tǒng)自動化， 2004，28（16）：56-60.

[3]韋鋼，吳偉力. 分布式電源及其并網(wǎng)時對電網(wǎng)的影響[J].高電壓技術(shù)， 2007，33（1）：36-40.

[4]趙毅，孫文瑤. 分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)影響的研究[J].沈陽工程學院學報， 2012，8（1）：11-20.

[5]汪少勇. 基于分布式電源的微網(wǎng)的設計與運行[J].電力自動化設備， 2011，31（4）：120-123.

[6]王成山，李鵬. 分布式發(fā)電微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化， 2010，34（2）：11-14.

[7]趙宏偉，吳濤濤. 基于分布式電源的微網(wǎng)技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報， 2008，20（1）：121-128.

作者簡介：段培明（1980-），男，吉林省吉林市人，工學碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。