分布式電源接入電力系統(tǒng)對配電網的影響綜述

曹北建

【摘要】將分布式發(fā)電與集中供電相結合，清潔、高效利用能源，是電力工業(yè)重要的技術增長點。本文簡要介紹了分布式發(fā)電的意義和發(fā)展現狀，從資源、產業(yè)和政策出發(fā)分析了分布式發(fā)電的發(fā)展趨勢；從繼電保護、電能質量、配網規(guī)劃以及電力市場等方面分析討論了分布式電源接入系統(tǒng)后對配電網規(guī)劃和運行造成的影響。

【關鍵詞】電力系統(tǒng)；分布式電源；配電網；并網技術

隨著經濟社會持續(xù)快速發(fā)展和以石油、煤炭為代表的化石能源日益面臨枯竭，大力發(fā)展可再生能源是我國經濟社會可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。分布式電源是促進風電、太陽能等分散式可再生能源的開發(fā)利用、提高清潔能源利用效率、解決偏遠農村地區(qū)電力供應問題的重要途徑，以其獨有的投資低、效率高、靈活跟蹤負荷變化以及滿足能源可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點，受到越來越多的關注。世界電力工業(yè)模式已出現了由傳統(tǒng)集中供電模式向集中和分散相結合的供電模式過渡的趨勢，許多發(fā)達國家在進行能源結構調整的過程中己經把分布式發(fā)電技術放在相當重要的位置。

1 分布式電源的分類

目前關于分布式電源的最大容量、接入方式、電壓等級、電源性質等相關界定標準方面，國際上還沒有通用權威定義。一般認為分布式電源可定義為利用分散式資源、裝機規(guī)模小、位于用戶附近、通過10（35）kV及以下電壓等級接入的可再生能源、資源綜合利用和能量梯級利用多聯供發(fā)電設施，包括風能、太陽能、生物質能、水能、潮汐能、海洋能等可再生能源，以及余熱、余壓和廢氣利用發(fā)電和小型天然氣冷熱電多聯供等。

關于分布式電源的界定標準，具有如下四個基本特征。一是直接向用戶供電，電流一般不穿越上一級變壓器。這是分布式電源的最本質特征，適應分散式能源資源的就近利用，實現電能就地消納。二是裝機規(guī)模小，一般為10MW及以下。三是通常接入中低壓配電網。由于各國中低壓配電網的定義存在差異，因此具體的接入電壓等級也略有不同，一般為10（35）kV及以下。四是發(fā)電類型主要為可再生能源發(fā)電、資源綜合利用發(fā)電、高能效天然氣多聯供。

在不同的研究領域，分布式電源有不同的分類方式。一般可以根據分布式電源的技術類型、所使用的一次能源及與電力系統(tǒng)的接口技術進行分類。按所利用一次能源是否為可再生能源可以將其分為兩類：一類是利用可再生能源的分布式電源，如太陽能發(fā)電、風能、地熱等發(fā)電形式；另一種是利用不可再生能源的分布式電源，如微型燃氣輪機、燃料電池、內燃機等。根據與電力系統(tǒng)的接口技術可分為直接與系統(tǒng)相連和通過逆變器與系統(tǒng)相連兩大類。若分布式電源是旋轉式發(fā)電機直接發(fā)出工頻交流電則為第一類；而逆變器型分布式電源通常指的是將直流電逆變上網（風力發(fā)電）和發(fā)出高頻交流電。按分布式電源的出力是否易于調節(jié)，可將其分為易調節(jié)和不易調節(jié)兩類。其中不易調節(jié)型分布式電源多為利用可再生資源的發(fā)電形式，如風力發(fā)電，其出力具有間歇性和隨機性，主要是因為所利用的能源是外力無法控制的風能，致其出力也具有不易調節(jié)。易調節(jié)型分布式電源，主要是利用不可再生能源的發(fā)電形式，如微型燃氣輪機、內燃機。

2 國內外發(fā)展現狀

分布式電源的發(fā)展由其資源條件、產業(yè)基礎和政策激勵等決定。資源條件決定了分布式電源發(fā)展的規(guī)模，產業(yè)基礎決定了分布式電源發(fā)展的成本，而激勵政策則決定了分布式電源發(fā)展的速度。

就風電而言，歐洲風電資源較分散，適宜發(fā)展分布式風電，但現在已近飽和，歐洲風電開發(fā)已由陸上轉向海上，集中式開發(fā)、高電壓遠距離輸送是未來風電開發(fā)主導模式。就光伏發(fā)電而言，歐美發(fā)達國家建筑以中低層的獨立住宅為主，非常適宜發(fā)展屋頂光伏。就天然氣而言，歐美各國油氣占能源消費比重高，管網發(fā)達。美國天然氣產量世界第一，天然氣消費占一次能源消費比重達到25%，天然氣多聯供發(fā)展條件較好。我國風能、太陽能資源主要富集在“三北”地區(qū)，主要以大規(guī)模發(fā)展為主，分布式開發(fā)條件不及歐美；天然氣多聯供發(fā)展存在不確定性；小水電資源豐富，優(yōu)于歐美。

從產業(yè)基礎來看，西方國家電力需求增長逐漸減緩，不存在解決大規(guī)模用電需求增長問題。電力消費結構以第三產業(yè)和居民生活用電為主，負荷較為分散，電力工業(yè)發(fā)展水平較高，電網網架成熟，適宜通過發(fā)展分布式電源滿足負荷增長需求。發(fā)達國家產業(yè)發(fā)展起步較早，具備核心設備的自主研發(fā)、生產制造能力。我國處于經濟高速增長階段，用電量年均增長率高，但電力系統(tǒng)基礎相對薄弱，風電、光伏發(fā)電產業(yè)基礎與國外相當，燃機產業(yè)基礎與國外尚有差距。

政策層面上，德國對可再生能源采用固定上網電價機制，由電網企業(yè)負責上、下網電量和自用電量的計量，由政府進行電價補貼。美國主要采用投資稅抵免、投資補貼、配額制等政策，天然氣多聯供根據系統(tǒng)效率確定補貼幅度。日本光伏發(fā)電采取初始投資補貼和固定上網電價政策相結合的激勵政策。我國小水電實行成本核算電價機制，風電、生物質發(fā)電采用標桿上網電價政策，光伏發(fā)電主要實行投資補貼政策和標桿上網電價，天然氣多聯供政策尚有欠缺。

目前我國分布式電源以小水電為主，裝機規(guī)模和發(fā)電量均居世界第一；近年來余熱、余壓、余氣等資源綜合利用和生物質發(fā)電增長迅速，居世界前列；但分布式光伏、風電、天然氣多聯供還處于發(fā)展初期，規(guī)模相對較小。總體來看，我國分布式電源的發(fā)展規(guī)模并不落后，但是受到資源條件、激勵政策和產業(yè)基礎的影響，存在明顯的技術類型差異。隨著激勵政策的進一步完善和產業(yè)基礎的發(fā)展壯大，分布式發(fā)電規(guī)模將進一步得到發(fā)展。

3 分布式光伏發(fā)電并網對電網的影響

與傳統(tǒng)的大型電廠相比，分布式發(fā)電具有規(guī)模小、建設周期短，投資成本低、風險小等特點。一方面，可以推遲或減少對輸、配電網升級改造所需的巨額投資，另一方面，由于分布式電源通常建在負荷附近，還可以很大程度上減少電能損耗，降低輸配電成本。隨著分布式發(fā)電技術的不斷成熟完善，其在整個系統(tǒng)中也比重越來越大，并網后對運行和規(guī)劃都會產生影響。

3.1分布式電源對配電網運行的影響

1.對電能質量的影響

（1）對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響

傳統(tǒng)配電網一般呈輻射狀，在穩(wěn)態(tài)運行狀況下，沿饋線潮流方向電壓逐漸降低。接入分布式電源后，在穩(wěn)態(tài)運行情況下（視負荷恒定不變）由于饋線上的傳輸功率減小以及分布式電源輸出的無功的支持，使得沿饋線的各負荷節(jié)點處的電壓被抬高。電壓被抬高多少與接入的分布式電源的位置及總容量的大小有關。

（2）諧波問題

分布式電源接入系統(tǒng)后可能引發(fā)的另一個問題就是諧波問題。諧波的來源有兩種可能，一是分布式電源本身就是一個諧波源，二是分布式電源中采用的一些電力電子設備。在正常狀態(tài)下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設計結構及其安裝的濾波裝置狀況，同時與電網的短路容量有關。

2.對系統(tǒng)潮流和網損的影響

在負荷附近安裝分布式電源后，配電網的潮流分布和網損將發(fā)生變化。對饋線來講，在某個負荷節(jié)點上安裝有分布式電源后，不僅改變電源的總容量，線路上的有功和無功也都將減少。可能在重合閘動作時沒有跳離線路，導致非同期重合閘或故障點電弧重燃等潛在的危險狀況。分布式電源對系統(tǒng)網損的影響，則取決于分布式電源的位置、容量以及網絡的拓撲結構等因素，增加了網損管理的復雜度。

3.對系統(tǒng)保護的影響

配電網往往是輻射狀、單電源、潮流單方向流動的。當系統(tǒng)引入分布式電源后，配電網將成為一個多電源系統(tǒng)，在故障發(fā)生時短路電流大小和短路電流方向都將改變，對系統(tǒng)保護產生很大的影響。表現在以下幾個方面：

（1）當分布式電源接入配電線路后，線路保護的靈敏度降低或者保護范圍縮小。若并網點位于速斷保護死區(qū)，不改變保護系統(tǒng)的情況下，只能由后備過流保護動作切除故障，這增加了故障對電網的影響；若調整速斷保護定值，則可能造成速斷、過流保護和其他控制裝置之間無法協(xié)調，導致保護誤動作。

（2）相鄰線路故障時分布式電源可能引起所在線路保護誤動作。如果故障發(fā)生在距離母線較近的部分，由于分布式電源的作用，其所在線路的線路保護檢測到的故障電流值將大于其整定值，從而引起誤動作，使分布式電源所接線路無故障跳閘。

（3）分布式電源對重合閘的影響。當分布式電源接入配電線路后，如果線路因故障跳閘，所形成的孤島保持了功率和電壓在額定值附近運行，但分布式電源極有可能在重合閘動作時沒有跳離線路，導致非同期重合閘或故障點電弧重燃等潛在的危險狀況。

3.2分布式電源對配電網規(guī)劃的影響

分布式電源的出現給傳統(tǒng)的配電網規(guī)劃帶來了實質性的挑戰(zhàn)，使得電網規(guī)劃人員在選擇最優(yōu)方案時必須考慮它所帶來的影響，具體包括以下幾個方面：

1.產生配電網雙向潮流

不含分布式電源的配電網通常采用環(huán)網結構、開環(huán)運行，潮流單向流動。分布式電源接入配電網產生了雙向潮流，給傳統(tǒng)的配電網調壓和繼電保護帶來影響。配電網的調壓規(guī)則是以潮流從變電站流向用戶為基礎的，但在分布式電源接入電網之后，配電系統(tǒng)從放射狀結構變?yōu)槎嚯娫唇Y構，潮流的大小和方向有可能發(fā)生改變，從而使電力系統(tǒng)中某些部分的電壓也發(fā)生變化。分布式電源接入產生的雙向潮流問題給傳統(tǒng)的配電網過流保護也將帶來影響，導致保護失去選擇性或者靈敏度降低。如果分布式電源對故障電流的貢獻足以改變短路水平，還將引起熔斷器和斷路器的不匹配，影響電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2. 增加不確定性因素

分布式電源會使電力負荷預測、規(guī)劃和運行與過去相比有更大的不確定性。由于大量的用戶會安裝分布式電源為其提供電能，使得配電網規(guī)劃人員更加難于準確預測負荷的增長情況，從而影響后續(xù)的規(guī)劃。另外，分布式電源雖然可以減少電能損耗，推遲或減少電網升級改造的投資，但不適當的分布式電源規(guī)模與接入位置也可能會導致電能損耗的增加，導致網絡中某些節(jié)點電壓的下降或出現過電壓，還會改變故障電流的大小、持續(xù)時間及其方向。此外，可再生能源的分布式電源，如風電機、光伏發(fā)電等，其隨機波動性、間歇性和不可控性，也給運行增加了不確定性因素。

3.增大問題求解難度

配網規(guī)劃一般考慮5-20年。一般情況下，在此年限內，通常假定電網負荷逐年增長，新的中壓/低壓節(jié)點不斷出現，結果會增建一個或更多的變電站。由于規(guī)劃問題的動態(tài)屬性同其維數相關聯（通常幾千個節(jié)點需要同時考慮），若再出現許多發(fā)電機節(jié)點，尋找到最優(yōu)的網絡布置方案（即可以使建造成本、維護成本和電能損耗最小的方案）將更加困難。

4.增加運營管理難度

對于在配電網安裝分布式電源的用戶或獨立投資商，他們與維護電網安全和供電質量的配電網公司之間存在一定的沖突。因為大量分布式電源接入將對配電網結構產生重大影響。一系列包括電壓調整、無功平衡、繼電保護在內的綜合性問題將影響系統(tǒng)的運行。為了確保電網的安全與優(yōu)質運行，必須添置電力電子設備，實施相應的控制策略與調節(jié)手段，將分布式電源集成到配電系統(tǒng)。這不但需要改造現有的配電自動化系統(tǒng)，還需將配電網被動管理轉變?yōu)橹鲃庸芾怼?/p>

此外，鑒于分布式電源機組類型及所采用一次能源的多樣化，如何在配網中確定合理的能源結構，如何協(xié)調和有效地利用各種類型的電源成為新出現，而且迫切需要解決的問題。因此，分布式電源的廣泛應用，使得國家能源政策、能源規(guī)劃等直接滲透到與分布式電源有關的電力系統(tǒng)規(guī)劃中，并影響規(guī)劃的決策過程。

5.降低供電設施利用率

作為架設線路的替代方案，分布式電源能擴大配電網的供電容量。因而分布式電源接入配電網可以延緩或避免配電網投資。但另一方面，若分布式電源接入供電容量充裕的區(qū)域或節(jié)點則可能導致原有供電容量長期處于備用或閑置狀態(tài)，降低了供電設施利用率，產生沉沒成本，使原規(guī)劃方案的配電公司投資無法按期回收。

4結語

分布式發(fā)電因擁有諸多優(yōu)勢得到了國家政策的大力支持，為分布式發(fā)電的發(fā)展提供了廣闊的空間。隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大以及電力市場化進程的不斷深入，越來越多的分布式電源將接入電網并網運行。但分布式電源對電網無論是技術上的影響，還是經濟上的影響，均與其在系統(tǒng)中所處的位置和容量密切相關。因此，電網企業(yè)必須前瞻性地研究分布式發(fā)電的并網問題，在保障電網安全運行的前提下，鼓勵分布式發(fā)電的發(fā)展；另外，電網企業(yè)有必要采取經濟、宣傳等手段，引導分布式發(fā)電的合理建設與布局，實現電網與分布式電源投資商雙贏的局面，促進分布式發(fā)電的大力發(fā)展。

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