分布式電源及其并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響研究

摘要：我國人均資源潰泛，且消耗極快。新能源發(fā)電具有綠色環(huán)保、可再生的特點，是目前及未來電力行業(yè)主要發(fā)展方向。隨著新能源發(fā)電及并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，在其并網(wǎng)過程中給電網(wǎng)帶來的種種不利影響也漸漸浮現(xiàn)，且愈加嚴(yán)重，本文對分布式電源進行簡單介紹，然后從多角度研究分析了對新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的各種問題，并相應(yīng)的給出一些解決措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：新能源;發(fā)電技術(shù);分布式電源;并網(wǎng)

1?緒論

隨著全球能源消耗的急劇增加，國際社會對能源問題和環(huán)境污染問題愈加重視。傳統(tǒng)的煤炭、石油等化石燃料儲備量越來越少，開采也更加困難，并且以此發(fā)電存在包括影響環(huán)境問題在內(nèi)的眾多局限。因此加快開發(fā)、充分利用可再生能源進行發(fā)電就顯得更加緊迫。

新能源發(fā)電規(guī)模的急劇增加，其構(gòu)成的微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)的規(guī)模也越來越大，在提高能源利用率的同時也對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行也產(chǎn)生了不可忽視的影響，比如說降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量、影響了系統(tǒng)的潮流分布等。對這些問題的深入研究對未來新能源發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用具有重要的意義。本文首先對分布式電源及并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進行簡單介紹，然后結(jié)合仿真圖形從多角度研究分布式電源并網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來的種種影響，并相應(yīng)的給出一些解決措施。

2?分布式電源

所謂分布式電源就是一些滿足周圍小負荷用電需求的小型電源，具有裝機容量小，環(huán)境影響小，靈活性好的特點。分布式電源還具有方便邊遠偏僻地區(qū)用電、減少輸配電成本、緩解大電網(wǎng)供電壓力等種種優(yōu)點。目前太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、微型燃氣輪機、生物質(zhì)能發(fā)電等都可實現(xiàn)并網(wǎng)運行[1]。其中應(yīng)用范圍最廣、并網(wǎng)規(guī)模較大的主要是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。我國風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量居世界首位，截至2019年底，已突破2.1億千瓦，占總發(fā)電量的比例達5.5%，并且風(fēng)電規(guī)模的增長速速遠高于其他形式的發(fā)電規(guī)模增速。以下主要是基于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電進行研究。

3?分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

3.1?并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

分布式電源必須滿足一系列的要求后才能進行并網(wǎng)運行，包括電能質(zhì)量、功率控制、安全保護等[2]，同時并網(wǎng)時還要滿足同步的要求，即分布式電源的電壓幅值、頻率、相角需與配電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相角維持在一定允許的誤差范圍內(nèi)。分布式電源并網(wǎng)總?cè)萘坎粦?yīng)超過上級變壓器供電范圍內(nèi)最大負荷的25%[3]。當(dāng)并網(wǎng)電壓不超過380V時，相應(yīng)的并網(wǎng)容量不應(yīng)超過200kW，容量超過200kW時宜接入電壓等級為6kV及以上的電網(wǎng)。

3.2?對電網(wǎng)電壓的影響

新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響主要體現(xiàn)在影響?zhàn)伨€穩(wěn)態(tài)電壓，導(dǎo)致電壓的波動與閃變。太陽能光伏發(fā)電受光照強度和溫度影響輸出功率極其不穩(wěn)定，同樣風(fēng)力發(fā)電受天氣、風(fēng)量、風(fēng)速的影響，輸出功率變化幅度也較大，這些是導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動、閃變的直接原因。新能源發(fā)電裝置啟動與關(guān)停的過程中會對配電網(wǎng)產(chǎn)生過大的沖擊電流，這也極易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動與閃變。配電網(wǎng)短路容量越大，則該區(qū)域電網(wǎng)越穩(wěn)定，受并網(wǎng)影響越小。如果并入的配電網(wǎng)自身穩(wěn)定性差，則需通過合理規(guī)劃并網(wǎng)點，選用恰當(dāng)?shù)木€路阻抗比，并選擇合適的電壓等級來降低并網(wǎng)影響。

新能源發(fā)電系統(tǒng)中的變換器是典型的電力電子裝置，大規(guī)模并網(wǎng)后將導(dǎo)致配電網(wǎng)無功功率下降，需要對電網(wǎng)進行無功補償。而應(yīng)用最多的無功補償方式就是投切電容器組、改變變壓器分接抽頭來實現(xiàn)電壓的調(diào)整[4]。但是，當(dāng)并入電網(wǎng)的新能源發(fā)電規(guī)模較大時，其功率波動對電網(wǎng)的影響也就較大，這時候?qū)ε潆娋W(wǎng)電壓的調(diào)整就變得更加困難了，常規(guī)的調(diào)壓方式很可能就無法滿足電網(wǎng)正常運行的需求。如圖1所示，新能源電站接入電網(wǎng)后饋線電壓偏差發(fā)生了明顯增大，特別是饋線遠端，幾近越限。因此要制定更加合理、完善的調(diào)壓方案保證并網(wǎng)前后電壓穩(wěn)定。

3.3?對電網(wǎng)諧波的影響

新能源發(fā)電系統(tǒng)中存在大量的電力電子裝置，如并網(wǎng)光伏逆變器、風(fēng)電系統(tǒng)中的交-直-交變頻器等。當(dāng)其并網(wǎng)時，電網(wǎng)中相當(dāng)于接入了大量易產(chǎn)生諧波的非線性負荷。并且其產(chǎn)生的諧波電流波形不穩(wěn)定，如果電容器、電抗器發(fā)生諧振的話還會使其畸變程度加重[5]。經(jīng)驗表明，即使一臺逆變器產(chǎn)生的諧波電流很小，但是多臺逆變器并聯(lián)運行后產(chǎn)生的諧波量也極有可能超標(biāo)，這給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來了極大的安全隱患。

新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動大，出現(xiàn)間歇性變化會導(dǎo)致諧波的出現(xiàn)。圖2、圖3所示為PSCAD軟件仿真所得風(fēng)電機組在恒風(fēng)速/陣風(fēng)擾動下輸出電流頻譜圖，基本風(fēng)速設(shè)為11m/s，擾動風(fēng)速為1m/s，擾動周期為0.2s。對比分析可知，當(dāng)風(fēng)速不穩(wěn)定時，輸出電流中低次諧波含量大大增加，波形畸變嚴(yán)重。

3.4?對電網(wǎng)頻率的影響

電網(wǎng)頻率是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，頻率穩(wěn)定是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要前提。如圖4所示，當(dāng)新能源并網(wǎng)的容量較小時，對電網(wǎng)頻率的影響也很小，但是隨著新能源發(fā)電裝機規(guī)模的越來越大，并網(wǎng)容量占電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤苍絹碓酱螅履茉礄C組產(chǎn)生功率波動時就極容易導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生頻率異常波動。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電廠的功率波動是符合某一函數(shù)關(guān)系的，當(dāng)風(fēng)電機組的穿透功率為18%，功率波動最嚴(yán)重時頻率偏差就會接近允許的偏差極限。

3.5?對電網(wǎng)保護的影響

大規(guī)模新能源發(fā)電機組接入電網(wǎng)后不但使電網(wǎng)故障幾率增大，而且會使配電網(wǎng)的故障特征發(fā)生改變，這樣原有的饋線的保護都將受到影響，也增加了設(shè)置繼電保護和自動裝置電路的難度。

原本電網(wǎng)是單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)新能源系統(tǒng)接入后就變成了雙電源或多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這樣故障電流的大小、流動方向以及持續(xù)的時間都將發(fā)生改變，原有的繼電保護裝置可能就不再適用，從而增加了發(fā)生保護裝置拒動、誤動的概率。根據(jù)配電網(wǎng)中變壓器的接線方式不同，與變壓器相連接的逆變器會形成一條額外的接地回路，會影響零序電流的流經(jīng)路徑，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時未短路相的對地電壓會變的更大。這些電量的改變都將影響保護裝置的動作特性。

4??優(yōu)化新能源發(fā)電并網(wǎng)的措施

由以上分析可知，新能源并網(wǎng)給公共電網(wǎng)帶來的種種問題或多或少都與新能源發(fā)電的波動性和間歇性有關(guān)。對于自然因素我們當(dāng)然無能無力，因此應(yīng)對波動性和間接性主要還是得從新能源發(fā)電裝置本身或是配電網(wǎng)入手。首先，使用的發(fā)電設(shè)備在技術(shù)性能上必須滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的需要。比如安裝電能質(zhì)量實時監(jiān)測裝置，對電力系統(tǒng)中的電壓波動、電壓偏差以及諧波情況進行實時動態(tài)監(jiān)控[6];同時還要安裝動態(tài)無功補償裝置，該裝置一般安裝在新能源裝置電源低壓出線端，也就是并網(wǎng)變壓器的低壓一側(cè)，這是改善電能質(zhì)量最常用、最有效的方法之一。一旦監(jiān)測裝置發(fā)現(xiàn)電壓異常，無功補償裝置可以快速調(diào)節(jié)無功出力情況，以此維持接入點電壓穩(wěn)定。

針對并網(wǎng)運行產(chǎn)生的諧波污染問題，可以采用多脈沖變流器、安裝電力濾波裝置，進行主動降低或是被動過濾發(fā)電裝置產(chǎn)生的諧波電流[7]。在光伏電站中可以采用兼具濾波功能的光伏并網(wǎng)逆變器，在風(fēng)力電廠中可以在諧波電流含量較高的母線上使用靜止無功補償裝置來綜合濾除諧波電流。

采用超級電容器也是一種改善電能質(zhì)量的有效措施。超級電容器是一種新型的儲能裝置，與蓄電池和普通電容器相比，它的充放電速度更快，功率密度更高，可達102～104?kW/kg。正是基于超級電容器的這種固有特性，它可以快速有效地控制電網(wǎng)的有功功率和無功功率，解決新能源發(fā)電裝置因環(huán)境等因素產(chǎn)生的瞬時電壓驟升驟降問題或者是停電問題，有效緩解電壓波動。

此外，從配電網(wǎng)入手也是解決并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題的重要途徑。比如說優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、合理選擇電路的阻抗比。

5?結(jié)語

新能源發(fā)電具有綠色、清潔、節(jié)能環(huán)保、可再生的特點，發(fā)展?jié)摿薮?。但由于新能源發(fā)電的間歇性、波動性，在并網(wǎng)的過程中會給電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來一列的不良影響，最主要的就是電壓波動、閃變以及諧波問題。解決這些問題主要有兩大思路，一是優(yōu)化新能源發(fā)電系統(tǒng)，二是從配電網(wǎng)入手。為保證電網(wǎng)的持續(xù)安全穩(wěn)定運行，推動我國新能源事業(yè)的發(fā)展，對新型改善電能質(zhì)量的措施研究必不可少。

參考文獻：

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作者簡介：張登義（1970—??），男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣自動化。