分布式新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

李傳財

國電電力發(fā)展股份有限公司

一、新能源發(fā)電概述及分布式發(fā)電概述與類型

（一）新能源發(fā)電概述

新能源發(fā)電指的是采用先進技術和能源進行發(fā)電的技術。目前我國比較常見的新能源發(fā)電技術有風力發(fā)電技術、光伏發(fā)電技術等等。工業(yè)革命促使生產力不斷提高，但伴隨著工業(yè)革命的來臨，能源問題也日益凸顯。新能源發(fā)電技術所采用的能源都是可再生的能源，因此在當前的能源問題上，如何促進可再生能源開發(fā)與利用非常重要。通過國內外眾多專家與學者對各種相關理論的研究，新能源發(fā)電技術已經日趨成熟，可以利用相關能源進行一定程度的穩(wěn)定發(fā)電，但相關的研究仍在繼續(xù)，并朝著更加穩(wěn)定、能源利用率更高、功率更大的方向發(fā)展。新能源發(fā)電具有可持續(xù)、可再生、環(huán)保等特性。盡管目前地球上有大量的石油和天然氣等燃料能源可以滿足人類的需要，但是隨著社會發(fā)展對能源需求和開采量的不斷增加，全球石油和天然氣的儲量將會逐漸減少。新能源就不一樣了，風力發(fā)電是通過大氣循環(huán)來實現，光伏發(fā)電的主要能源來自太陽輻射，所以人們對新能源的開發(fā)和利用并不會對生態(tài)環(huán)境造成太大的影響。尤其是太陽能，每天都會隨著陽光源源不斷地輸送到地球上，可以滿足人類的需要。除此之外，新能源具有清潔性，利用新能源進行發(fā)電能夠極大地減少各種大氣污染問題，從而降低對環(huán)境的污染。

（二）分布式發(fā)電概述與類型

相比之下，分布式發(fā)電與集中式發(fā)電不同，發(fā)電設施并不集中于發(fā)電站內部，而是根據當地實際用電的情況對相關設施進行合理的配置。在居民生活區(qū)域內安裝分布式發(fā)電電源，既可以全面滿足居民用電需求，又可以有效補充集中式發(fā)電網絡存在的疏漏。同時，因為分布式發(fā)電是迎合用戶實際用電需求而衍生的發(fā)電設計，可以有效地改善傳統(tǒng)集中式發(fā)電形式不靈活的缺點，從而有效地提高了供電網絡發(fā)電效率以及供電網絡的穩(wěn)定性。但是，因為分布式發(fā)電的發(fā)電容量比較小，所以分布式發(fā)電更適合于對集中式發(fā)電網絡進行補充，以及對少數用電用戶和區(qū)域供電[1]。以當前我國分布式發(fā)電的運行模式來看，其主要有孤網和并網兩種形式。我國分布式發(fā)電技術主要包括如下兩種形式：第一，光伏發(fā)電技術。光伏發(fā)電技術就是根據相應的半導體材料，成功地將太陽能轉換為電能的發(fā)電形式。因為光伏發(fā)電技術不需要使用任何燃料，所以可以有效緩解環(huán)境污染，而且光伏發(fā)電技術易于操作，維護工作也比較簡單、便捷，對地理環(huán)境的要求也不高，所以在國內大部分地區(qū)都可以推廣使用。另外，光伏電池可以將白天收集的太陽能轉換成電力供夜間使用，因此也提高了用電效率。然而，光伏發(fā)電技術的應用過程中也有一個缺點，就是對日照強度要求比較高。第二，風力發(fā)電技術。風力發(fā)電技術就是把風能轉換成電能的一種發(fā)電技術，這種技術既不需要耗費大量的資源，又不需要太大的投資。但是風力發(fā)電的缺點是它的建設取決于風資源的分布情況。

二、分布式新能源發(fā)電技術分析

（一）光伏發(fā)電

在光伏發(fā)電技術應用中，太陽能光伏陣列是由多個太陽能光伏電池串并聯構成的，布置施工十分重要。在光伏發(fā)電技術發(fā)展過程中，最初所使用的光伏電池原材料是硅，以硅作為襯底，不僅成本非常高，而且損耗也比較大。因此，在對光伏電池進行改進后，目前常用的光伏電池內部由薄膜電池和晶體硅組成，這不僅能夠減少材料損耗，而且能夠提高光伏轉換效率。最大功率點裝置可以有效地提高太陽能資源的利用效率，使得光伏陣列在系統(tǒng)運行的過程中始終保持最大功率輸出。儲能裝置的主要功能是對電能加以控制，比如在太陽能資源充足的時候，可以通過儲能裝置將電網中多余的電能儲存起來，而在太陽能資源比較匱乏的時候可以通過逆變器再將儲存的電能釋放出去，以此來保證發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。逆變器能夠把直流電轉換為交流電，然后經過變壓器轉換成標準的交流電壓和頻率，供人們在日常生活中使用。

（二）風力發(fā)電

風力發(fā)電技術作為優(yōu)質的發(fā)電方式，能夠有效改善傳統(tǒng)電力行業(yè)對石油、煤炭等能源的依賴，從而實現電力行業(yè)能源多元化發(fā)展，對能源結構進行優(yōu)化，這對生態(tài)環(huán)境保護與時代發(fā)展都有一定的積極作用。風力發(fā)電技術指的是將風能通過機械能轉化為電能的過程，主要以風輪為媒介，通過風力發(fā)電機與控制系統(tǒng)將機械能轉化為電能，從而實現發(fā)電的目的。當風能進入測風系統(tǒng)后作為其輸入信號，通過風力控制器輸出槳距角信號，合理調整機械轉矩與輸出功率，將機械功率傳輸至發(fā)電機中，將電能傳輸至供電系統(tǒng)，完成整個發(fā)電過程。與傳統(tǒng)能源相比，風力發(fā)電具有比較高的應用優(yōu)勢，作為一種重要可再生清潔能源，風力能源的性價比較高，并且在運行過程中安全性與可靠性強、裝機規(guī)模十分靈活、建設周期非常短以及后期維護非常方便。同時風力發(fā)電還擁有多種形式，具有廣闊的應用前景。

三、分布式新能源發(fā)電技術在電力系統(tǒng)中的具體應用

（一）光伏發(fā)電

光伏發(fā)電技術主要是依賴于光伏傳感器等組件，通過太陽能與電能的轉換來實現電力供應，再將電能接入到配電網，從而實現并網的發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏電池板、逆變器、輸變電等重要設備組成。在光伏發(fā)電過程中，利用光伏電池板將光能轉換為電能，再通過逆變器轉換成交流電進行輸出，從而適應配電網。光伏發(fā)電站可以通過分布式的方式構建，通過調節(jié)來適應現有的配電網供電要求，可以直接為用戶提供電能，也可以進行電能的存儲。光伏發(fā)電可以被劃分為兩種方式：一種是集中式發(fā)電，另一種是分布式發(fā)電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)建模過程中，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)建模研究的重點在于大規(guī)模光伏并網帶來的一系列穩(wěn)定分析、電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面問題的有效解決。分布式發(fā)電建模研究的重點是配電網或微電網中光伏發(fā)電并網所帶來的電能質量等問題的解決。從模型的角度來看，光伏發(fā)電建設模型可以劃分為兩大類：一是機理建模方式。以光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的元件為基礎，對其所反映的內在機理進行分析，從而構建出元件數學模型，并運用物理學定律來構建光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體數學模型，比如小信號模型、等值電路模型、狀態(tài)空間平均模型、詳細時域仿真模型等。二是混合建模方式。以元件內在機理建模為基礎，對一些復雜的網絡元件，比如逆變器的外特性進行建模，也就是保持建模對象的外特性不變，同時還可以對其內部結構進行簡化，并對其外部整體特性進行重點考量，比如開關函數模型、受控源模型、等效二端口模型等。

（二）風力發(fā)電

從資源儲備方面來講，風力資源的儲備相對較高，是水資源儲備的十倍之多。風力發(fā)電主要指的是將風力轉換為驅動風力的機械力，借助發(fā)電機進行能量轉換，從而產生電能。對風力發(fā)電技術的運用進行分析，首先要考量風機類型。按照裝機容量來劃分，主要有小型機、中型機、大型機和特大型機。一般情況下，風機的容量越大，那么槳葉的長度就越大。按照發(fā)電機轉速指標來劃分，可以將其細化為定速機、變速機。其次是對相關設備的構成及作用進行分析。風力發(fā)電所用的發(fā)電機組主要由風輪、機艙和基礎等構成。運轉中的風力發(fā)電機組由葉片、螺距變化系統(tǒng)等構成。葉片的外形直接影響風能的吸收情況。在風力發(fā)電運行過程中，風機風速如果大于切出風速，可利用葉片的轉動來實現氣動制動。當葉片運行出現異常狀態(tài)時，要及時處理覆蓋冰及腐蝕等問題，保證葉片得到有效的保護和防護。再次是風機控制技術的研究。風力發(fā)電所用的并網發(fā)電機有雙饋機、雙速異步機、變速風力發(fā)電機等類型，采用模糊控制技術可有效地調整速度和功率。運用神經網絡可以很好地控制葉片槳距，也可以很好地預測風輪氣動特性，具有良好的運用效果。在風電場并網運行中，要吸收無功，為風電場配置SVG（靜止無功發(fā)生器）或者其他無功補償裝置，用實時動態(tài)補償的方式降低由于輸送功率引起的系統(tǒng)振蕩，對電網的運行狀態(tài)進行優(yōu)化，從而保證運行效益。

四、分布式新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

（一）分布式新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)電壓的影響

在分布式新能源發(fā)電模式中，電源主要是接入配電網，而在其接入后，配電系統(tǒng)的電源結構也會由之前的放射狀結構轉變?yōu)槎嚯娫唇Y構，相應的潮流大小與方向也會隨之變化，進而也會促使配電網的穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生變化，最終結果是之前的調壓方案不能滿足分布式電源接入后的配電網電壓需求。這時，為了避免給用戶端帶來影響，必須重新評估分布式電源接入對電力系統(tǒng)電壓的影響。對這種影響進行量化分析的一大主要手段就是潮流計算，可是常規(guī)的電力系統(tǒng)潮流計算方法，并未將分布式發(fā)電產生的影響納入其中，因而參考價值并不高。在此背景下，針對一些比較典型的分布式電源建模，如異步發(fā)電機、無磁調節(jié)能力的同步電機、燃料電池等，建立了一種具備靈敏度補償的配電網潮流計算新方法，可以很好地應用于多源配電系統(tǒng)。經研究發(fā)現，分布式發(fā)電的接入會對配電網絡饋線上的電壓分布產生直接影響，具體的影響程度與所接入電源的接入位置、容量大小有直接聯系。

（二）分布式新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)電能的影響

由于分布式發(fā)電中轉化器的數量明顯增多，對電能傳輸質量產生了一定的影響，從而導致電能傳輸質量明顯下降。由于分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)電壓也會有一定的影響，因此在使用一些功率較大的電源時，電力系統(tǒng)的電能傳輸質量與使用質量也會大大降低。然而，在供電系統(tǒng)整體用電負荷較大的時候，分布式發(fā)電則可以很好地降低配電網的負荷，并有效地預防了電力系統(tǒng)中故障的發(fā)生，從而促使用電效率的明顯提高。

（三）分布式新能源發(fā)電對繼電保護的影響

大部分的配電系統(tǒng)都是呈輻射形的，之所以采用輻射形的結構，一方面是因為操作簡單，另一方面也是因為過電保護的經濟性。在分布式電源接入之后，原本的放射狀配電網絡轉變?yōu)槿档谋椴茧娫春陀脩艋ヂ摰木W絡，潮流也不再像以往單向的從變電站母線流向各負荷，進而也對系統(tǒng)的繼電保護造成較大影響。一是分布式電源在正常工作狀態(tài)下，也有可能引起繼電保護的失效，這也是分布式電源發(fā)生故障后，通過饋線繼電器的電流降低而引起的。二是分布式電源并網后，有可能引起繼電保護的誤操作，導致相鄰饋線出現故障，也有可能引起饋線跳閘[2]。

（四）分布式新能源發(fā)電對配電網損耗問題的影響

在電力系統(tǒng)中，配電網的損耗問題主要受潮流因素的影響，當分布式電源進入配電網絡必然會引起電網負荷的變化。配電網接入前為單向潮流，接入后為雙向潮流。目前階段，我們發(fā)現配電網的損耗會隨著分布式電源的接入而降低，在電網中引入同步發(fā)電機后，電網中存在著有功和無功同步輸入的情況，可以有效地降低系統(tǒng)損耗，并在一定程度上對配電網電壓起到支撐作用[3]。

結束語

當前，分布式發(fā)電和新能源發(fā)電是電力產業(yè)中兩種重要的發(fā)電形式，它們都有自己的優(yōu)勢和不足。對分布式發(fā)電來說，因為每個電廠都是獨立的，所以分布式發(fā)電具有更高的安全性與可靠度，而且對自然環(huán)境的依賴性也更低，因靠近用電現場而造成的電力損耗也比較少。然而，采用分布式發(fā)電的方式也會因為發(fā)電單元分散，給管理工作帶來很大的困難。分布式能源具有經濟、可靠和環(huán)境友好的特點，盡管其接入后很可能會給電網帶來一定的沖擊，但是隨著科技的進步，我們認為在不久的將來它會得到更多的使用，也會取得更好的綜合效益。