分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展

童亦斌，吳學(xué)智，唐芬(國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市100044)

分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展

童亦斌，吳學(xué)智，唐芬
(國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市100044)

首先介紹分布式光伏發(fā)電的基本概念和特點，并分析了分布式光伏發(fā)電接入可能對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，以及傳統(tǒng)配電網(wǎng)對分布式光伏發(fā)電推廣應(yīng)用的制約;在探討如何利用主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)技術(shù)解決分布式光伏發(fā)電接入問題后，對主動配電網(wǎng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了分析和總結(jié);最后介紹了分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)幾個典型的應(yīng)用領(lǐng)域，并強調(diào)了二者在政策規(guī)劃、技術(shù)規(guī)范和實驗示范等方面協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性。

分布式光伏發(fā)電;主動配電網(wǎng)(ADN);協(xié)調(diào)發(fā)展;接入

0 引言

能源和環(huán)境的危機，促進了太陽能等新型可再生能源的開發(fā)利用。分布式光伏發(fā)電充分發(fā)揮了光伏發(fā)電與分布式2種技術(shù)的綜合優(yōu)勢，成為了新型可再生能源開發(fā)利用的重要方式［1-3］。但分布式光伏發(fā)電的接入，給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了潛在的威脅。為保證配電網(wǎng)的可靠運行，一般采用嚴(yán)格限制分布式光伏發(fā)電接入容量，并對接入實施嚴(yán)格規(guī)范的方法。例如，我國目前分布式電源接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范規(guī)定，“分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%”［4-5］。這類方法雖能避免分布式光伏發(fā)電接入可能對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，但也從根本上限制了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展［6-8］。

主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)作為一個新的概念，于2008年由國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)提出［9-10］，其核心是分布式可再生能源從傳統(tǒng)的被動消納轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃右龑?dǎo)與利用。主動配電網(wǎng)通過對分布式光伏發(fā)電、儲能以及負(fù)荷進行聯(lián)合調(diào)控，減小分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)造成的不利影響，從而提高配電網(wǎng)接納分布式光伏發(fā)電的能力，被認(rèn)為是解決分布式光伏發(fā)電接入問題的有效途徑［11-14］。

主動配電網(wǎng)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用技術(shù)研究的重點領(lǐng)域，其在為分布式光伏發(fā)電發(fā)展創(chuàng)造廣闊空間的同時，也為傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來全新的技術(shù)和管理變革，是提升電力系統(tǒng)智能化水平的重要手段。分布式光伏發(fā)電和主動配電網(wǎng)技術(shù)雖然有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，但在發(fā)展進程以及關(guān)注點上也有一些區(qū)別，相互協(xié)調(diào)則更有利于促進二者的共同發(fā)展。

1 分布式光伏發(fā)電

光伏發(fā)電可分為輸電側(cè)并網(wǎng)和配電側(cè)并網(wǎng)2種基本模式(獨立供電系統(tǒng)可以看作是配電側(cè)并網(wǎng)模式的特例)。輸電側(cè)并網(wǎng)技術(shù)一般應(yīng)用于大規(guī)模電站，發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能集中并入電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度使用;在配電側(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)電裝置規(guī)模較小，就近接入配電網(wǎng)，產(chǎn)生的電能一般被就地消納。容量相對較小的配電側(cè)并網(wǎng)發(fā)電，更習(xí)慣被稱為分布式發(fā)電。

分布式光伏發(fā)電具有簡便靈活、適用區(qū)域廣、維護簡單等優(yōu)點，更可以因地制宜，充分利用建筑屋頂和閑置土地進行設(shè)計和建設(shè)，對土地資源的消耗以及生態(tài)環(huán)境的影響相對較少。由于就近接入既有配電網(wǎng)，對接入要求相對比較簡單，加上產(chǎn)生的電能一般供本地負(fù)荷使用，避免了輸電線路長距離傳輸?shù)膿p耗，電能的利用效率也更高。正是由于這些優(yōu)點，分布式光伏發(fā)電受到了國家政策層面的重視。與此同時，由于分布式光伏發(fā)電的一些固有特性，也給配電網(wǎng)帶來了以下影響與挑戰(zhàn)。

首先，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)負(fù)荷的單向潮流不同，分布式光伏發(fā)電裝置的接入將在配電網(wǎng)中形成雙向潮流;另外，太陽能輻射強度的隨機波動性，直接決定了分布式光伏發(fā)電裝置輸出功率的可預(yù)測性和可調(diào)度性差。因此，分布式光伏發(fā)電將對配電網(wǎng)的電壓特性、繼電保護、短路特性等產(chǎn)生影響，對配電網(wǎng)是一個潛在的不穩(wěn)定因素。

其次，分布式光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能，一般都需要利用電力電子裝置進行電能變換后才能并入電網(wǎng)，而電力電子裝置工作產(chǎn)生的諧波，可能對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。另外，電力電子裝置在動態(tài)調(diào)節(jié)和控制慣性、過載能力、故障穿越能力等方面，與傳統(tǒng)發(fā)電機有很大的差異，也被看作是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的潛在風(fēng)險。當(dāng)分布式光伏發(fā)電接入容量的比例較小時，這些特性差異對電網(wǎng)的影響可以忽略，而隨著接入容量比例的不斷增加，其對電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅也越來越顯著，并終將達(dá)到電網(wǎng)難以耐受的程度。

最后，分布式光伏發(fā)電在投資和產(chǎn)權(quán)主體，以及建設(shè)位置分布上更傾向于分散，應(yīng)用環(huán)境以及客戶的需求也更加多樣化，調(diào)度和控制的要求更加簡便靈活和多變。如果沿用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相對集中的規(guī)劃、設(shè)計建設(shè)以及管控模式，將在很大程度上限制分布式光伏發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，分布式光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用，給配電網(wǎng)運營管理以及相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定與執(zhí)行都提出了新的要求。

為了充分發(fā)揮分布式光伏發(fā)電在新型可再生能源開發(fā)利用戰(zhàn)略中的重要作用，就必須解決分布式光伏發(fā)電大規(guī)模接入可能對配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)、安全穩(wěn)定運行以及運營管理等產(chǎn)生各種不利影響，這不僅需要政策的支持，更離不開新技術(shù)的支撐。

2 主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

主動配電網(wǎng)是一個可以綜合控制分布式資源(分布式電源、負(fù)荷和儲能裝置等)的配電網(wǎng)，它使用一個靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂葡到y(tǒng)潮流，并且在合適的監(jiān)管環(huán)境和準(zhǔn)入?yún)f(xié)議下，使得分布式資源能在一定程度上為配電系統(tǒng)提供支持，體現(xiàn)為“主動規(guī)劃、主動控制、主動管理、主動服務(wù)與全面感知”。主動配電網(wǎng)可以被看作是一個“智能配電系統(tǒng)”，其推廣應(yīng)用，將對于提高電力系統(tǒng)整體的調(diào)度控制性能具有積極的作用。

主動配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)涉及電力系統(tǒng)、電力電子、儲能、自動控制以及網(wǎng)絡(luò)通訊等多個領(lǐng)域，包括:

(1)柔性組網(wǎng)技術(shù):結(jié)合配電網(wǎng)連接方式及設(shè)備型式，利用各種電力電子裝置，通過柔性變壓、雙向潮流控制、電能質(zhì)量治理、不間斷供電等多種柔性控制技術(shù)，為電網(wǎng)提供靈活調(diào)節(jié)能力，使交流、直流、交直流混合等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)揮各自優(yōu)勢，互聯(lián)共存，提升分布式光伏發(fā)電接納能力、供電可靠性和供電能力。

(2)保護技術(shù):基于模式識別、多信源、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過直流保護、自適應(yīng)保護、網(wǎng)絡(luò)保護等技術(shù)，實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確判斷、可靠隔離和故障區(qū)段的準(zhǔn)確識別。

(3)儲能技術(shù):根據(jù)不同儲能形式在規(guī)模、功率密度、能量密度、轉(zhuǎn)換效率、速率、壽命、成本、可用性、技術(shù)成熟等方面的優(yōu)缺點，針對規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)，將不同的儲能介質(zhì)結(jié)合使用，通過對不同儲能方式配比優(yōu)化設(shè)計和功率協(xié)調(diào)控制，發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟和可靠運行。

(4)能量管理技術(shù)(energy management system，EMS):通過先進傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能終端技術(shù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)、電源及負(fù)荷特性的識別，在單元層面預(yù)測電源出力、充放電需求、負(fù)荷需求，達(dá)到配電網(wǎng)系統(tǒng)完全可觀可控;基于多源大數(shù)據(jù)平臺，通過協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)“區(qū)域自治、全局優(yōu)化”。

(5)即插即用技術(shù):基于標(biāo)準(zhǔn)化接口，結(jié)合感知元件和信息交互技術(shù)，管理本地與配網(wǎng)間的信息和電力雙向流動，具有自檢測、自診斷、自保護功能，能夠被配電網(wǎng)自動識別，并在線自動納入管理。

(6)新能源接入電壓控制技術(shù):新能源接入增大了電壓調(diào)節(jié)難度。通過本地和全局電壓協(xié)調(diào)控制，一方面對本地電壓控制環(huán)節(jié)和控制能力進行實時跟蹤和實時預(yù)測，向系統(tǒng)預(yù)報本地?zé)o功需求和無功可調(diào)節(jié)量，由系統(tǒng)進行全局優(yōu)化;另一方面根據(jù)系統(tǒng)指定的電壓控制值，通過本地各無功電壓控制環(huán)節(jié)的聯(lián)合控制，保證接入點新能源接入的電壓安全。

(7)可再生能源高滲透區(qū)域諧波治理技術(shù):為了適應(yīng)大量間歇波動性可再生能源、電力電子裝置、不平衡和非線性負(fù)載接入，需解決這些單元之間引起的諧波超標(biāo)和諧振問題。利用可再生能源并網(wǎng)變流器、有源濾波器等電力電子裝置吸收諧波，并為系統(tǒng)提供一定的阻尼抑制諧振，保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和高質(zhì)量供電。

基于以上技術(shù)特征，主動配電網(wǎng)可按照穩(wěn)定和可靠運行的要求，將內(nèi)部的分布式發(fā)電裝置、儲能裝置、負(fù)荷等的特性進行統(tǒng)一規(guī)范和設(shè)計，并通過聯(lián)合調(diào)度和控制，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電的寬限接入;通過主動管理和控制，鼓勵各種不同的電力用戶積極參與電網(wǎng)互動，同時可以接受大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)內(nèi)部負(fù)荷及多種能源的優(yōu)化配置，為電力用戶提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟和環(huán)保的電力供應(yīng)。正是主動配電網(wǎng)的上述特點，使其在分布式光伏發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)之間建立起一個“政策、規(guī)范和控制的緩沖層”，較好地平衡主動配電網(wǎng)內(nèi)部分布式光伏發(fā)電與外部傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在管控模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及利益格局方面的差異，提高電網(wǎng)接納分布式光伏發(fā)電的能力。

3 分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)作為高度復(fù)雜系統(tǒng)的代表，習(xí)慣采用集中統(tǒng)一的規(guī)劃建設(shè)和運營管理模式，并強調(diào)通過對涉網(wǎng)線路、設(shè)備、用戶、政策以及標(biāo)準(zhǔn)等的統(tǒng)一管控，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。與此形成鮮明對比的是，分布式光伏發(fā)電的特點和優(yōu)勢卻體現(xiàn)在“分散獨立、靈活自治”。將分布式光伏發(fā)電當(dāng)作“不穩(wěn)定因素”加以嚴(yán)格限制，或是當(dāng)作“劣質(zhì)電源”“另眼相看”，對其接入設(shè)置過多技術(shù)門檻和附加條件，有可能嚴(yán)重制約分布式光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展;而要求電網(wǎng)無條件寬限接納分布式光伏發(fā)電的接入，對分布式光伏發(fā)電裝置的技術(shù)性能缺乏必要的約束，勢必會大大增加電網(wǎng)升級改造的投資，反過來還是會阻礙分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用推廣。因此，需分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，方可達(dá)到相互促進的目的。

(1)政策規(guī)劃。

考慮到二者的特點，分布式發(fā)電與主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)離不開政策法規(guī)的支持，并應(yīng)該在規(guī)劃設(shè)計階段予以充分全面的考慮。結(jié)合不同地區(qū)的特點和需求，因地制宜制定分布式光伏發(fā)電和配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并鼓勵針對不同的應(yīng)用特點和需求，有針對性地開展技術(shù)攻關(guān)。

根據(jù)需求特點不同，目前分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)有3種典型的應(yīng)用模式:在電網(wǎng)架構(gòu)薄弱或者是缺電地區(qū)，以提高供電能力為主，重點解決提高電壓穩(wěn)定性、分布式光伏發(fā)電高滲透率接入、電壓自適應(yīng)控制、并離網(wǎng)切換和微網(wǎng)運行控制等技術(shù);在城鎮(zhèn)地區(qū)，以分布式光伏發(fā)電高密度、多點分散接入為主，重點解決電能質(zhì)量治理、潮流特性優(yōu)化控制、利用儲能提高能量利用效益等技術(shù);在工業(yè)區(qū)等區(qū)域，以分布式光伏發(fā)電大規(guī)模連片開發(fā)為主，重點解決遠(yuǎn)程調(diào)度、功率預(yù)測、繼電保護等技術(shù)。

(2)技術(shù)規(guī)范。

在分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的過程中，技術(shù)規(guī)范扮演著至關(guān)重要的角色。

在發(fā)展的早期階段，技術(shù)特征集中體現(xiàn)為防止分布式光伏發(fā)電可能對電網(wǎng)帶來的不利影響;研究的重點在于提高改善分布式發(fā)電裝置的性能，使其能夠更好地適應(yīng)配電網(wǎng)對穩(wěn)定性和可靠性的要求，包括電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)性、故障穿越等，以減小分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)的不利影響;技術(shù)規(guī)范則更傾向于對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)(包括并網(wǎng)發(fā)電裝置以及接入等)進行嚴(yán)格的約束，包括并網(wǎng)電能質(zhì)量、對電網(wǎng)異常和故障的耐受性、故障穿越等。

隨著分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用推廣，單方面利用技術(shù)規(guī)范約束分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的弊端越來越顯著。通過引入主動配電網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)配電網(wǎng)進行升級，則可以在系統(tǒng)層面，從根本上解決分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)的不利影響，使得分布式光伏發(fā)電的寬限接入成為可能，為分布式光伏發(fā)電的大規(guī)模推廣應(yīng)用創(chuàng)造必要的條件。在這個發(fā)展階段，主動配電網(wǎng)將真正成為電網(wǎng)中一個智能節(jié)點(微網(wǎng))，并通過電網(wǎng)系統(tǒng)對主動配電網(wǎng)的集中調(diào)度，提高整個電力系統(tǒng)的可調(diào)度性及可靠性。

在主動配電網(wǎng)發(fā)展的高級階段，技術(shù)特征集中體現(xiàn)在主動配電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷、分布式發(fā)電裝置、儲能裝置以及能量管理系統(tǒng)之間的聯(lián)合調(diào)控。而技術(shù)規(guī)范則更應(yīng)重視引導(dǎo)傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動配電網(wǎng)的進步，比如集中式儲能裝置的配置、通訊規(guī)約、功率調(diào)度控制策略以及故障保護等。

(3)實驗示范。

借助實驗示范項目，對分布式光伏發(fā)電和主動配電網(wǎng)的一些核心關(guān)鍵技術(shù)進行驗證和演示，不僅可以促進關(guān)鍵技術(shù)的研究，同時也能為相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗。在上面提及的分布式光伏發(fā)電和主動配電網(wǎng)3個典型應(yīng)用中，結(jié)合各個應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，可以有針對性地設(shè)計不同的實驗示范項目。

在電網(wǎng)架構(gòu)比較薄弱和電網(wǎng)供電能力不足的地區(qū)，重點實驗功率和電壓的實時控制，在外部電網(wǎng)出現(xiàn)較大異常和事故的情況下，甚至采用離網(wǎng)獨立運行(微網(wǎng))，使得局部配電網(wǎng)的供電可靠性和供電能力可以相對獨立地得到改善。

在城鎮(zhèn)中，重點實驗主動配電網(wǎng)借助儲能和負(fù)荷管理，充分考慮分布式發(fā)電裝置靈活接入和分散運行管理的實際情況，基于整體要求設(shè)計電壓和諧波控制策略，通過調(diào)節(jié)負(fù)荷、分布式光伏發(fā)電和儲能裝置的功率，控制配電網(wǎng)內(nèi)部以及公共連接點(PCC點)的功率和電壓在允許范圍內(nèi)，從而確保配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和高效運行。

對于大規(guī)模連片分布式光伏發(fā)電，國內(nèi)的工程應(yīng)用案例較多，但功能比較簡單，遠(yuǎn)沒有充分開發(fā)。對此，可以依托已有項目，實驗功率預(yù)測、光儲互補等技術(shù)。

4 結(jié)語

借助主動配電網(wǎng)技術(shù)的支撐，分布式光伏發(fā)電可望實現(xiàn)寬限接入，并通過與儲能裝置、負(fù)荷的聯(lián)合調(diào)控，發(fā)揮更大作用，具有更廣闊的發(fā)展前景。主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究是當(dāng)前的熱點，為了更好地促進分布式光伏發(fā)電和主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)該在政策規(guī)劃、技術(shù)規(guī)范和實驗示范等多個方面，結(jié)合雙方特點和要求，合理設(shè)計發(fā)展路徑。

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(編輯:張媛媛)

Coordinated Development of Distributed Photovoltaic Generation and Active Distribution Network

TONG Yibin，WU Xuezhi，TANG Fen
(National Active Distribution Network Technology Research Center，School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

In this paper，basic concept and characteristics of distributed photovoltaic generation(DPG)were first introduced．However，integrating more and more DPG into distribution grid may have adverse effects on distribution grid，while conventional distribution grid also constrains the wide application of DPG．Both issues were discussed in details．To address these issues，active distribution network(ADN)technology was applied and analyzed．On this basis，the key technologies of ADN were summarized．Finally，several typical combined applications of DPG and ADN were given．Moreover，coordinated development of these two technologies in policy planning，technical requirements and demonstration were emphasized．

distributed photovoltaic generation;active distribution network(ADN);coordinated development;integration

TM 615

A

1000-7229(2015)01-0072-04

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.011

2014-11-28

2014-12-12

童亦斌(1969)，男，工學(xué)碩士，副教授，主要從事電力電子、新能源發(fā)電和主動配電網(wǎng)技術(shù)的研究工作;

吳學(xué)智(1975)，男，工學(xué)博士，副教授，主要從事大功率電力電子、交流電機控制和新能源發(fā)電技術(shù)的研究工作;

唐芬(1984)，女，博士后，主要研究方向為電力電子與電力傳動、新能源發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)控制等。

國家國際科技合作專項項目(2013DFA60930);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(2010JBZ002)。