分布式清潔電源接入配電網(wǎng)研究綜述

羅迪，田新首，劉超，李潤秋，焦熠琨，李琰

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710065；2.新能源與儲能運行控制國家重點實驗室（中國電力科學(xué)研究院），北京 100192）

能源是支撐社會進(jìn)步的前提，隨著地球一次能源的日漸枯竭與人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，開發(fā)可持續(xù)發(fā)展能源模式是當(dāng)今世界發(fā)展大趨勢。分布式清潔電源作為一種新興高效、環(huán)保發(fā)電技術(shù)，應(yīng)用各類型分散能源進(jìn)行供能，是最清潔有效可再生能源利用方式之一。近些年，分布式清潔發(fā)電在發(fā)達(dá)國家受到大力推廣與應(yīng)用，中國同樣也十分重視清潔電源發(fā)展。

我國從不同層面出臺多種政策，如國家產(chǎn)業(yè)政策、地方政策以及國家電網(wǎng)公司政策都對清潔電源發(fā)展提出明確目標(biāo)。為了規(guī)范清潔電源發(fā)展，提高清潔電源接入后運行穩(wěn)定性，從國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3個層次關(guān)于分布式清潔電源接入系統(tǒng)提出了接入要求。但是，由于分布式清潔電源能夠在系統(tǒng)故障情況下向電網(wǎng)提供部分短路電流，會對配電網(wǎng)原有一次系統(tǒng)穩(wěn)定性，二次系統(tǒng)的保護(hù)、自動化故障處理方式以及通信系統(tǒng)帶來一定的影響，原有相關(guān)技術(shù)規(guī)定存在適應(yīng)性問題。

分布式清潔電源在配網(wǎng)中通常處于380 V或10 kV電壓等級，與配網(wǎng)聯(lián)合運行時，將影響配網(wǎng)的規(guī)劃、潮流分布特點、暫態(tài)穩(wěn)定性、故障保護(hù)原理及原有協(xié)調(diào)控制將面臨適應(yīng)性問題。在配電網(wǎng)中引入分布式電源后，需要考慮分布式電源規(guī)劃與配電網(wǎng)規(guī)劃的相互影響[1-2]。分布式清潔電源增加很多不確定因素，影響配網(wǎng)潮流分布[3-4]；隨分布式清潔電源大量接入，其故障穿越行為嚴(yán)重影響配網(wǎng)故障特征[5-7]，將給配網(wǎng)傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)性帶來深刻影響[8-9]，影響分布式清潔電源在配網(wǎng)可接入容量[10-11]。當(dāng)含分布式電源配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，需要適應(yīng)含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位方法[12]，設(shè)計新型保護(hù)原理及方案[13]，并具備孤島識別的能力[14]，并具備故障恢復(fù)的能力[15]。由于電能需要高可靠性及電能質(zhì)量，這就需要分布式清潔能不斷提升自身供電能力。提高配網(wǎng)接納分布式清潔電源若干種方法被提出，如基于故障同步識別含分布式能配網(wǎng)充分式差動保護(hù)技術(shù)[16-17]，智能配網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)關(guān)聯(lián)域在線確定方法[18]，智能配網(wǎng)分布式控制技術(shù)及應(yīng)用[19]，以及主動配電網(wǎng)的分布式電源協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用[20-21]。近些年隨著虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由于其在調(diào)頻調(diào)壓方面的優(yōu)勢應(yīng)用于含分布式清潔電源的配電網(wǎng)中，提高了配網(wǎng)對分布式清潔電源消納[22-29]。

為此，本文首先研究國家產(chǎn)業(yè)、地方產(chǎn)業(yè)政策等及其對分布式清潔電源影響；其次，分別研究了國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對分布式清潔電源二次系統(tǒng)（保護(hù)、自動化、通信）的接入要求；再次，分析分布式清潔電源接入配網(wǎng)規(guī)范存在問題，并給出分布式清潔電源接入后對二次系統(tǒng)影響及相關(guān)解決措施與方法；最后，給出相關(guān)的結(jié)論。

1 分布式清潔電源接入配網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策及其發(fā)展現(xiàn)狀

為了促進(jìn)可再生能源發(fā)展，國家產(chǎn)業(yè)、地方政策等對分布式清潔電源給出若干激勵方案，使得近些年分布式清潔電源在我國發(fā)展順猛，并表現(xiàn)出其獨特性質(zhì)。

1.1 產(chǎn)業(yè)政策促進(jìn)作用

分布式光伏發(fā)電兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)保，尤其是屋頂光伏受到充分關(guān)注，國家和地方分別頒布多種激勵政策。

在國家層面上，2013年《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，鼓勵用戶“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)節(jié)”。2014年《政府工作報告》，推廣分布式電源。能源局【國能資質(zhì)（2014）151號】文件，明確太陽能、風(fēng)能等發(fā)電項目豁免發(fā)電業(yè)務(wù)電力業(yè)務(wù)許可。2016年《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》為新能源的發(fā)展指明了方向。多種國家產(chǎn)業(yè)政策從法理上促進(jìn)了分布式清潔電源增長。同時國家電網(wǎng)公司出臺一系列分布式清潔電源并網(wǎng)相關(guān)意見和規(guī)范。如《國家電網(wǎng)公司轉(zhuǎn)發(fā)國家能源局關(guān)于進(jìn)一步落實分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知》。

一些地方性產(chǎn)業(yè)政策出臺更是直接促進(jìn)了分布式清潔電源快速發(fā)展，上?！犊稍偕茉春托履茉窗l(fā)展專項資金扶持辦法》加大個人補(bǔ)貼。廣東電網(wǎng)公司組織編制《廣東電網(wǎng)公司分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)服務(wù)工作指引（試行）》，確保不出現(xiàn)“棄光”。河南省《關(guān)于推進(jìn)光伏發(fā)電項目建設(shè)的通知》以推動2014年光伏項目備案和良性發(fā)展。浙江省發(fā)布《光伏建筑一體化產(chǎn)品推廣目錄（第一批）》，加大光伏產(chǎn)品宣傳推廣力度。山西省人民政府《關(guān)于加快促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的實施意見》。內(nèi)蒙古《內(nèi)蒙古自治區(qū)2013～2020年太陽能發(fā)電發(fā)展規(guī)劃》。江西《關(guān)于加快推進(jìn)全省光伏發(fā)電應(yīng)用工作方案》再漲0.2元/度電補(bǔ)貼。湖北省《關(guān)于促進(jìn)光伏發(fā)電項目建設(shè)的通知》力促簡化申請流程。天津《光伏發(fā)電項目電力并網(wǎng)服務(wù)工作流程》采用差異化管理細(xì)分利益。北京《北京市分布式光伏發(fā)電管理暫行辦法》。福建《關(guān)于印發(fā)福建省促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展六條措施的通知》。

1.2 分布式清潔電源接入配網(wǎng)特點

由于分布式清潔電源技術(shù)進(jìn)步及相關(guān)政策促進(jìn)作用，分布式清潔電源接入配網(wǎng)得到快速發(fā)展，規(guī)模不斷增大。

以陜西省為例，分布式清潔電源表現(xiàn)良好，主要分布在西安、榆林、延安、商洛等地區(qū)。西安分布式電源項目共9項，發(fā)電容量共8 144.7 kW，主要以太陽能光伏發(fā)電為主，裝機(jī)容量多在6 MW以下，原則上可以采用原供配電設(shè)施并網(wǎng)供電，終端可以利用自動化裝置實現(xiàn)電量、電壓和電流的監(jiān)控和采集。西安公司已并網(wǎng)發(fā)電客戶89戶，容量共21 556.11 kW。榆林是陜西省“十三五”時期風(fēng)電、光伏等新能源建設(shè)主要區(qū)域。目前，榆林電網(wǎng)已批復(fù)分布式裝機(jī)容量12萬kW，并網(wǎng)發(fā)電容量2萬kW，預(yù)計到2020年并網(wǎng)發(fā)電分布式電源裝機(jī)容量可達(dá)30萬kW。延安10kV及以下分布式光伏電站現(xiàn)接入20MW，2016-2020年期間，10 kV及以下分布式光伏電站預(yù)計接入200MW。其中，光伏扶貧項目集中式電站40MW，寶塔區(qū)分散式光伏建設(shè)規(guī)模共1兆瓦；洛川分散式光伏建設(shè)規(guī)模共0.28 MW。配套新建10 kV線路20 km，0.4 kV線路30 km，配變新增容量1.15萬kV·A。截止2016年底，商洛已并網(wǎng)分布式電源74戶，容量22402kW。商洛規(guī)劃發(fā)展光伏扶貧10萬戶，接入方式按照光伏項目接入系統(tǒng)型式分為集中接入和分散接入兩類，接入容量將達(dá)50萬kW。目前分布式清潔電源接入配網(wǎng)系統(tǒng)主要為光伏，部分地?zé)?，燃料電池等?/p>

2 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)接入要求

目前，多項相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對分布式清潔電源的接入提出了明確要求，主要分為3類：國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1）國家標(biāo)準(zhǔn)接入要求。2012年12月31日發(fā)布《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》分別規(guī)定了380 V與10（6）kV電壓等級的適用范圍，明確了對保護(hù)的要求、對通信與信號要求。2013年9月6日發(fā)布《光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》，分別規(guī)定了380 V與10（6）kV電壓等級的適用范圍，明確了對保護(hù)、自動控制裝置及通信系統(tǒng)等要求。

2）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接入要求。2013年11月28日發(fā)布《分布式電源接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，首先確定適用范圍為35 kV及以下電壓等級接入電網(wǎng)新建、改建和擴(kuò)建分布式電源，明確對繼電保護(hù)與安全自動裝置、對通信與信息及對通信方式和信息傳輸應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等要求。

3）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接入要求。2014年2月20日發(fā)布《分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》，首先確定適用范圍為國網(wǎng)公司轄區(qū)35 kV及以下電壓等級用戶配網(wǎng)新建、改建與擴(kuò)建分布式電源；明確對繼保及安全自動裝置、通信系統(tǒng)等要求。

3 分布式清潔電源接入對配網(wǎng)影響

隨著分布式清潔電源規(guī)模不斷增加，其對電網(wǎng)影響逐步顯現(xiàn)，打破原有配網(wǎng)僅作為受電網(wǎng)狀況，對配網(wǎng)方方面面產(chǎn)生深刻影響。

3.1 典型接入方式

分布式清潔電源接入按照電量消納模式可以分為“自發(fā)自用/余電上網(wǎng)”和“全部上網(wǎng)”，可以將分布式清潔電源配電網(wǎng)接入總結(jié)為7種典型方式，分別如圖1～圖7。

圖1 專線接入10 kV配網(wǎng)Fig.1 Access to the 10 kV distribution network by the special line

圖2 T接接入10 kV配網(wǎng)Fig.2 T access to the 10 kV distribution network

圖3 用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入后專線接入10 kV配網(wǎng)Fig.3 Access to the 10 kV distribution network by the special line after the user’s internal grid is connected

圖4 用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入后T接接入10 kV配網(wǎng)Fig.4 T access to the 10 kV distribution network after the user’s internal grid is connected

3.2 對接入配網(wǎng)影響

分布式清潔電源接入后，其能夠在系統(tǒng)故障情況時向電網(wǎng)提供短路電流，會對配電網(wǎng)原有二次系統(tǒng)保護(hù)、自動化故障處理方式、通信系統(tǒng)以及計量等帶來一定影響[15-17]，需要開展相關(guān)分析與研究。結(jié)合圖1～圖7所示分布式清潔電源配網(wǎng)典型接入方案，影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

1）繼保與安全自動化裝置

結(jié)合分布式清潔電源典型接入方式，對配網(wǎng)保護(hù)及自動裝置影響分為：分布式清潔電源出口開關(guān)斷開時間快于高電壓等級斷路器與慢于高電壓等級斷路器，當(dāng)出口開關(guān)斷開時間快時，在系統(tǒng)故障情況下分布式清潔電源被切除不向電網(wǎng)提供電流，此類情況類似于分布式清潔電源不在網(wǎng)運行。當(dāng)出口開關(guān)斷開時間慢時，在系統(tǒng)故障情況下，分布式清潔電源能夠向電網(wǎng)提供電流，將會對接入配電網(wǎng)產(chǎn)生復(fù)雜影響，可以用圖8含分布式清潔電源的配網(wǎng)系統(tǒng)圖和圖9帶手拉手開關(guān)的解環(huán)配電網(wǎng)描述，主要包括以下幾個方面：

①本線路保護(hù)靈敏度下降甚至拒動。如圖8中，F(xiàn)1處發(fā)生故障時，保護(hù)1處短路電流減小，導(dǎo)致電流速斷保護(hù)無法動作，只能通過帶時限過電流保護(hù)切除故障，保護(hù)1可能拒動。

②本線路保護(hù)誤動。如圖8中，當(dāng)相鄰線路L2母線y1位置發(fā)生短路時，引起保護(hù)1短路電流變化影響其動作變化，x值越大短路電流越大；接入容量越大，短路電流越大；位置越遠(yuǎn)，短路電流越小。

③相鄰線路瞬時速斷保護(hù)誤動作。如圖8中，當(dāng)F3發(fā)生故障時，保護(hù)2中短路電流包含分布式清潔電源發(fā)出電流，其值明顯偏大，可能觸發(fā)速斷保護(hù)，導(dǎo)致誤動作。

圖5 專線接入380 V配網(wǎng)Fig.5 Access to the 380 V distribution network by the special line

圖6 T接接入380 V配網(wǎng)Fig.6 T access to the 380 kV distribution network

圖7 接入220/380 V配電網(wǎng)Fig.7 Connected to 220/380 V distribution network

圖8 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of distribution network

④重合閘不成功。如圖9中，分布式清潔電源接入，配網(wǎng)內(nèi)含有電源，線路故障可能僅使系統(tǒng)側(cè)保護(hù)動作，分布式清潔電源仍然提供電流，這時發(fā)生重合閘將失敗。

圖9 解環(huán)配網(wǎng)Fig.9 Structure diagram of the unlocking loop distribution network

2）通信

電力系統(tǒng)配網(wǎng)應(yīng)用比較多的通信手段主要有無線和光纖。鑒于分布式清潔電源接入后保護(hù)方案實施對故障信息有較強(qiáng)依賴性，故需要對各種通信手段進(jìn)行相關(guān)分析，落實一種最有效、最可靠的通信手段。目前我國配網(wǎng)信息自動化水平相對落后，10kV及以下低壓線路通常不具備通信通道，分布式清潔電源接入后調(diào)度系統(tǒng)無法獲得實時運行狀態(tài)，而且，對配網(wǎng)通信系統(tǒng)運行和維護(hù)帶來諸多挑戰(zhàn)。

3）調(diào)度自動化

分布式清潔電源接入電網(wǎng)增加配網(wǎng)運行監(jiān)控復(fù)雜性與難度。主要表現(xiàn)在：①擴(kuò)大了配電網(wǎng)調(diào)度運行監(jiān)控范圍，10kV接入將納入地市或縣公司調(diào)控中心。因配網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控信息量及信息類型增多；380V低壓配網(wǎng)接入分布式清潔電源，需上傳發(fā)電量信息，雖然單點量測量少，但是分布范圍廣，總體信息量較大。②增加配電網(wǎng)電壓分布監(jiān)控需求，為了確保配網(wǎng)電壓質(zhì)量，需要增加配網(wǎng)電壓分布監(jiān)控功能。

4）其他

分布式清潔電源接入還會帶來其他影響，影響配電網(wǎng)計量；影響配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布；影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量；降低電網(wǎng)供電可靠性；加大了電力負(fù)荷的預(yù)測難度。

4 配網(wǎng)增加消納分布式清潔電源措施與方法

分布式清潔電源中低壓配網(wǎng)接入，將使得傳統(tǒng)配網(wǎng)由無源改變?yōu)橛性矗奢椛錉罡淖優(yōu)槎嘣唇Y(jié)構(gòu)，潮流也將發(fā)生改變，影響電網(wǎng)及設(shè)備運行，應(yīng)采取措施積極應(yīng)對。

4.1 二次系統(tǒng)應(yīng)對基本原則

1）繼保與安全自動化裝置。分布式清潔電源容量較小時對配網(wǎng)繼保影響不大，不需采取措施；當(dāng)容量超過一定限度時，要重新整定保護(hù)定值、加裝方向元件或采用新型保護(hù)原理；分布式清潔電源并網(wǎng)點需要安裝快速切除反孤島裝置；對并網(wǎng)不上網(wǎng)的分布式清潔電源系統(tǒng)，需在并網(wǎng)點增加逆向功率保護(hù)；對分布式清潔電源接入饋線，應(yīng)校核配網(wǎng)故障定位策略及終端故障電流上報定值適應(yīng)性，并根據(jù)實際情況調(diào)整，否則需考慮采用故障功率方向判據(jù)。

2）通信與調(diào)度自動化。擴(kuò)展配網(wǎng)調(diào)度運行監(jiān)控功能，豐富運行作業(yè)管理。

3）計量。分布式清潔電源接入配網(wǎng)應(yīng)在關(guān)口計量點裝設(shè)計量電能表，并網(wǎng)點裝設(shè)并網(wǎng)電能表。

4.2 增加消納分布式清潔電源策略

為了有效提高電網(wǎng)對分布式清潔電源的接納能力，必須立足現(xiàn)有配電網(wǎng)，同時積極發(fā)揮分布式清潔電源綠色環(huán)保、緊急后備等優(yōu)勢，目前已有很多相關(guān)研究[30-31]。特別是智能配電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，以及虛擬同步發(fā)電機(jī)方法成熟。

1）智能配電網(wǎng)提高利用分布式清潔電源運行控制策略研究方面。智能配網(wǎng)技術(shù)為解決分布式清潔電源消納問題奠定了扎實基礎(chǔ)，關(guān)鍵是如何有效發(fā)揮智能配網(wǎng)自動化自愈控制技術(shù)。智能配網(wǎng)自愈技術(shù)，故障前利用預(yù)防性方法，盡早發(fā)現(xiàn)、迅速診斷、調(diào)整及消除潛在威脅；故障時及時處理故障、自我修復(fù)，把影響降到最小。功能包括：①配電網(wǎng)運行的自優(yōu)化；②配網(wǎng)故障的快速優(yōu)化處理；③電能質(zhì)量的自動優(yōu)化調(diào)整。并可以利用變電站智能化實現(xiàn)能源并網(wǎng)/微網(wǎng)運行自適應(yīng)，提高消納分布式清潔電源能力。

2）配電網(wǎng)中應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機(jī)方法消納分布式清潔電源研究方面。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是指利用模擬同步發(fā)電機(jī)組特性，使采用變流器電源具有同步發(fā)電機(jī)組慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無功調(diào)壓等并網(wǎng)運行外特性技術(shù)。實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)主要方法如下：

①基于同步發(fā)電機(jī)原理控制方法。同步機(jī)轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其自身有慣量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足轉(zhuǎn)子運動方程，不突變。利用同步發(fā)電機(jī)該特性，模擬其轉(zhuǎn)子運動行為，在分布式清潔電源中實現(xiàn)類似功能，得有功-頻率傳函：

根據(jù)式（1）可得分布式清潔電源有功-頻率控制結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 有功-頻率控制框圖Fig.10 Control structure diagram of active power and frequency

同理，模擬同步機(jī)勵磁系統(tǒng)，可得分布式清潔電源無功-電壓控制框圖如圖11。

圖11 無功-電壓控制框圖Fig.11 Control structure diagram of reactive power and voltage

②基于空間矢量變化控制方法。以風(fēng)機(jī)為例，虛擬慣性控制方案，以頻率作為輸入信號，測量頻率后輸入到微分控制環(huán)路獲得附加有功信號，將該信號與最優(yōu)功率參考值疊加，通過機(jī)組快速控制，實現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組慣性響應(yīng)，控制原理如圖12所示。

圖12 附加頻率控制Fig.12 Additional frequency control strategy

電網(wǎng)電壓波動時機(jī)組輸出無功參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，確保機(jī)端電壓穩(wěn)定，其電壓控制框圖如圖13所示。

圖13 變頻器電壓控制器Fig.13 Voltage controller of the converter

5 結(jié)語

本文研究了國家產(chǎn)業(yè)政策、地方政策等，分別對分布式清潔電源提出了明確的激勵方案，并促進(jìn)了其快速發(fā)展，分布式清潔電源接入配網(wǎng)有其自身特點。指出目前相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對分布式清潔電源提出的接入要求，但是由于分布式清潔電源能夠在系統(tǒng)故障情況下向電網(wǎng)提供短路電流，對配電網(wǎng)原有二次系統(tǒng)的保護(hù)、自動化故障處理方式、通信系統(tǒng)以及計量等帶來一定不利影響；最后研究了配網(wǎng)增加消納分布式清潔電源措施，重點分析了二次系統(tǒng)應(yīng)對基本原則，智能配網(wǎng)提高消納分布式清潔電源運行控制策略研究及配電網(wǎng)中應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機(jī)消納分布式清潔電源。

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