分布式電源接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生的影響研究

張志強(qiáng) 李鑫

摘要：在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)管理技術(shù)也在不斷進(jìn)步，而分布式電源接入對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。本文主要闡述了分布式電源的特點(diǎn)，分析了其在能源轉(zhuǎn)型中的重要性，明確了分布式電源接入帶來(lái)的功率波動(dòng)、電壓波動(dòng)、諧波擾動(dòng)等問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案和措施建議，以供參考。

關(guān)鍵詞：分布式電源；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性

DOI：10.12433/zgkjtz.20232838

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)以及環(huán)境污染問(wèn)題日益突顯，分布式電源作為一種可持續(xù)發(fā)展能源形式變得越來(lái)越重要。與傳統(tǒng)集中式發(fā)電方式相比，分布式電源具有分散性、靈活性和可再生等優(yōu)勢(shì)，在推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和提高供電質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。但由于接入方式與傳統(tǒng)發(fā)電方式存在差異，分布式電源接入也帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。目前，許多地區(qū)已開(kāi)始大規(guī)模引入分布式電源，并將其納入電力系統(tǒng)進(jìn)行管理。因此，有必要對(duì)分布式電源接入帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行深入研究和分析。

一、分布式電源分類

（一）風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是一種利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的分布式電源形式，技術(shù)原理是通過(guò)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片產(chǎn)生的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。具體來(lái)講，主要特點(diǎn)包括：首先，風(fēng)力發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等有害氣體，不會(huì)造成空氣污染和溫室效應(yīng)，屬于可再生清潔能源。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電依賴于風(fēng)力資源，具有可再生性、持續(xù)性和廣泛性。其次，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活擴(kuò)展，安裝多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)組成一個(gè)大型的分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)。由于分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常是模塊化設(shè)計(jì)，多個(gè)渦輪機(jī)共同工作，在并聯(lián)狀態(tài)下，即使某些渦輪機(jī)出現(xiàn)故障或影響，整個(gè)系統(tǒng)可以繼續(xù)保持運(yùn)行。最后，受天氣條件、地形等因素的影響，風(fēng)速存在較大的變化，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電存在功率波動(dòng)較大的特點(diǎn)。與其他分布式能源相比，風(fēng)力發(fā)電依賴風(fēng)速。結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，可以儲(chǔ)存多余的電力，確保在低風(fēng)速或無(wú)風(fēng)時(shí)正常使用。

（二）太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)光輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的分布式電源形式，主要通過(guò)光伏組件中的光敏材料吸收光子并釋放相應(yīng)數(shù)量的電子，從而產(chǎn)生直流電壓。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：首先，太陽(yáng)能光伏發(fā)電不排放有害氣體，不產(chǎn)生污染，對(duì)環(huán)境友好。其次，利用太陽(yáng)輻射能，太陽(yáng)是取之不竭的能源，只要有日照，就可以持續(xù)發(fā)電。再次，太陽(yáng)能光伏發(fā)電依賴充足的日照條件，同時(shí)季節(jié)、云量等天氣因素也會(huì)影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效果。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活的擴(kuò)展和布置，且我國(guó)很多地區(qū)都有著豐富的光伏資源，意味著該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。安裝容量小的光伏系統(tǒng)可以滿足單個(gè)建筑或家庭的需求，多個(gè)系統(tǒng)可以組成一個(gè)大型的分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)。值得一提的是，隨著現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，可以儲(chǔ)存多余的電力，滿足陰天或夜間使用。

二、DG接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DG可以通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)方式與電力系統(tǒng)接入，其中，并聯(lián)連接指將多個(gè)DG設(shè)備以平行方式與電網(wǎng)相連；串聯(lián)連接是將多個(gè)DG設(shè)備串行連接，使其形成一個(gè)共同輸出。這兩種連接方式在實(shí)際應(yīng)用中各具特點(diǎn)，需要考慮容錯(cuò)能力、調(diào)度靈活性以及系統(tǒng)韌性等因素。當(dāng)多個(gè)DG并聯(lián)接入電網(wǎng)時(shí)，需要通過(guò)協(xié)調(diào)控制器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)DG之間的能量平衡和功率控制。協(xié)調(diào)控制器通常采用循環(huán)控制策略，監(jiān)測(cè)各個(gè)DG輸出功率情況，并根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，集群控制需要解決協(xié)議設(shè)計(jì)、通信策略、功率調(diào)度等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)整體性能的最優(yōu)化。

在DG接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，微網(wǎng)的重要性不言而喻。微網(wǎng)是一種基于DG設(shè)備形成的小型電力系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行或與主電網(wǎng)互連。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要考慮如何高效地切換微網(wǎng)內(nèi)部和外部供電模式，并確保能夠滿足用戶需求、使用可再生能源等。

在電網(wǎng)保護(hù)方面，傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等仍適用于部分場(chǎng)景，但由于DG具有額外的功能特性（如逆變器模式），需要考慮新型保護(hù)技術(shù)。例如，要對(duì)DG的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)，避免發(fā)生故障。需要注意的是，DG接入可能導(dǎo)致功率質(zhì)量問(wèn)題，例如，電壓波動(dòng)、諧波污染等。對(duì)此，可以引入先進(jìn)的控制算法和濾波器減少電網(wǎng)中的諧波含量，并確保供電參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，當(dāng)多個(gè)DG設(shè)備同時(shí)提供供電服務(wù)時(shí)，要優(yōu)化路由選擇算法，確定最佳供電路徑。路由選擇需要考慮供電負(fù)荷、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、DG設(shè)備容量等多方面因素。并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要考慮DG接入引起的保護(hù)問(wèn)題，包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等。此外，還要采取安全措施防止惡意攻擊和未經(jīng)授權(quán)操作給系統(tǒng)造成的威脅。

在該類技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的背景下，智能配電網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是重要趨勢(shì)。該技術(shù)主要將DG接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與智能配電網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和管理。通過(guò)使用先進(jìn)的傳感器、遠(yuǎn)程通信和信息處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DG接入的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和優(yōu)化資源分配等功能。

三、分布式電源對(duì)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響分析

（一）電壓分布受到的影響

電壓分布是電力系統(tǒng)中的重要指標(biāo)之一，而分布式電源的接入會(huì)對(duì)電壓分布產(chǎn)生影響。首先，由于長(zhǎng)距離輸電線路、低傳輸能力設(shè)備或不合理的配網(wǎng)，分布式電源的接入可能導(dǎo)致系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)的電壓超過(guò)額定范圍。高電壓會(huì)損害設(shè)備，增加系統(tǒng)故障率。對(duì)此，第一，調(diào)整系統(tǒng)配置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化供電路徑以減少輸電損耗；第二，加強(qiáng)分布式發(fā)電設(shè)備與配網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)和通信，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整，穩(wěn)定系統(tǒng)的輸入和輸出；第三，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝適當(dāng)?shù)挠泄β收{(diào)節(jié)裝置（如無(wú)功補(bǔ)償裝置等）控制節(jié)點(diǎn)處的電壓水平。

其次，分布式電源也可能導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的電壓過(guò)低。這一般是因?yàn)榫€路阻抗增加、分布式發(fā)電容量過(guò)大或分布式發(fā)電機(jī)組控制不當(dāng)?shù)仍蛞鸬?。低電壓?huì)影響用戶設(shè)備的正常使用，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和能源浪費(fèi)。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，第一，應(yīng)加強(qiáng)配網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，優(yōu)化輸電線路的容量和質(zhì)量，提高輸電效率；第二，采用先進(jìn)的變壓器技術(shù)，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增加自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)定電壓水平；第三，強(qiáng)化分布式發(fā)電設(shè)備的管理和控制，確保連接到系統(tǒng)中時(shí)能適應(yīng)負(fù)荷變化，并設(shè)置合理的功率。

（二）電能質(zhì)量受到的影響

分布式電源的接入可能會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，存在非線性負(fù)載，例如，逆變器等，會(huì)將諧波引入到電力系統(tǒng)中，導(dǎo)致電網(wǎng)諧波擴(kuò)散、電壓畸變和設(shè)備故障。這些問(wèn)題可能降低用電設(shè)備的性能并損害設(shè)備壽命。對(duì)此，應(yīng)設(shè)計(jì)和使用濾波器抑制諧波，符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，優(yōu)化分布式發(fā)電設(shè)備的工作方式和控制策略，減少諧波注入。通過(guò)合理規(guī)劃分布式發(fā)電裝置與網(wǎng)絡(luò)之間的連接方式，采用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置限制諧波擴(kuò)散。

除此之外，分布式電源接入可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)中出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，例如，不平衡負(fù)荷、不平衡故障等，進(jìn)而引發(fā)三相電壓偏移、功率因數(shù)下降以及瞬態(tài)過(guò)程中電網(wǎng)振蕩等問(wèn)題。對(duì)此，可采取以下措施：第一，加強(qiáng)配電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，優(yōu)化負(fù)載分布和連接方式，減少不平衡情況；第二，安裝合適的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，改善功率因數(shù)和減輕不平衡負(fù)荷；第三，采取科學(xué)的故障保護(hù)策略和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，及時(shí)檢測(cè)并解決潛在的不平衡問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，電能質(zhì)量對(duì)電力安全及用戶體驗(yàn)的影響較大，要想應(yīng)對(duì)分布式電源對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量帶來(lái)的影響，應(yīng)通過(guò)合理設(shè)計(jì)濾波器、優(yōu)化工作方式與控制策略、加強(qiáng)配電網(wǎng)規(guī)劃以及安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等手段提高電能質(zhì)量。

（三）諧波污染

諧波污染是指電力系統(tǒng)中存在的非整數(shù)倍頻諧波導(dǎo)致的電壓和電流畸變現(xiàn)象，而分布式電源接入可能會(huì)引起諧波污染問(wèn)題。分布式電源中存在非線性負(fù)載，如逆變器等，會(huì)向電網(wǎng)注入含有高次諧波成分的電流，導(dǎo)致系統(tǒng)中諧波水平升高，影響正常運(yùn)行，并損害設(shè)備。在解決該問(wèn)題時(shí)，首先要制定適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，確保分布式電源接入的諧波水平在允許范圍內(nèi)，通過(guò)國(guó)家或地區(qū)的電網(wǎng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)完成。其次，安裝合適的諧波濾波器抑制分布式電源產(chǎn)生的諧波，濾波器可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的類型和配置，例如，被動(dòng)濾波器、主動(dòng)濾波器或混合濾波器。對(duì)于采用逆變器技術(shù)的分布式電源，通過(guò)控制逆變器輸出減少諧波污染。最后，加強(qiáng)分布式發(fā)電設(shè)備與配網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)和通信，配合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整并穩(wěn)定諧波水平。值得一提的是，對(duì)于大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以采用集中式支路串聯(lián)濾波器或無(wú)功補(bǔ)償裝置減少諧波污染。

諧振問(wèn)題是諧波污染的重要表現(xiàn)之一，這是因?yàn)楫?dāng)分布式電源接入后，由于系統(tǒng)參數(shù)改變，可能導(dǎo)致與原有設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)間頻率相近的諧振現(xiàn)象產(chǎn)生。這種傳輸線上的諧振可能引發(fā)電壓不穩(wěn)定，甚至設(shè)備損壞。對(duì)此，要強(qiáng)化電力系統(tǒng)的諧振分析和預(yù)測(cè)能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段考慮諧振問(wèn)題，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝合適的補(bǔ)償設(shè)備，例如，配置諧振抑制裝置或線路消抖器，以此降低潛在諧振風(fēng)險(xiǎn)。

總而言之，為了應(yīng)對(duì)分布式電源對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染帶來(lái)的影響，需要通過(guò)安裝濾波器、強(qiáng)化協(xié)調(diào)和通信、加強(qiáng)諧振分析等手段減少諧波注入和降低諧振風(fēng)險(xiǎn)。

（四）繼電保護(hù)器受到的影響

繼電保護(hù)器在電力系統(tǒng)中起著重要作用，對(duì)檢測(cè)和隔離故障具有關(guān)鍵作用，但分布式電源接入可能會(huì)對(duì)繼電保護(hù)器產(chǎn)生影響。例如，在故障檢測(cè)方面，分布式電源的接入可能改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障特征，導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護(hù)器無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)和判斷故障，造成誤動(dòng)或失靈，并延長(zhǎng)故障恢復(fù)時(shí)間。針對(duì)該問(wèn)題的處置，可以針對(duì)分布式電源接入引起的故障特征變化，優(yōu)化繼電保護(hù)方案并調(diào)整保護(hù)參數(shù)，也可以引入智能保護(hù)設(shè)備和算法，利用高級(jí)通信和數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高繼電保護(hù)器的檢測(cè)精度和魯棒性。此外，還要及時(shí)反饋信息，確保迅速有效地識(shí)別、定位和切除故障。

分布式電源接入產(chǎn)生的諧波電流會(huì)引起繼電保護(hù)器的誤動(dòng)，導(dǎo)致非正常斷開(kāi)或相關(guān)誤操作，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，甚至造成設(shè)備損壞。針對(duì)該問(wèn)題，在設(shè)計(jì)繼電保護(hù)方案時(shí)，應(yīng)充分考慮諧波環(huán)境，并使用具有良好諧波適應(yīng)能力的繼電保護(hù)裝置。同時(shí)，進(jìn)行詳盡的諧波分析和仿真研究，在設(shè)計(jì)中加入合適的濾波措施，減少諧波信號(hào)對(duì)繼電保護(hù)器觸發(fā)信號(hào)的干擾。在高諧波水平的電力系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景中，采用數(shù)字式繼電保護(hù)器，并結(jié)合軟件濾波技術(shù)提高魯棒性。

除此之外，技術(shù)性能下降也是繼電保護(hù)器容易出現(xiàn)的問(wèn)題，尤其在存在較高諧波水平下，繼電保護(hù)器可能無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算正常工作所需參數(shù)，影響保護(hù)功能，無(wú)法有效檢測(cè)故障并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。為此，在繼電保護(hù)器設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，考慮其對(duì)諧波環(huán)境的適應(yīng)能力，選擇具有高抗干擾能力的設(shè)備。同時(shí)，進(jìn)行準(zhǔn)確的諧波分析和測(cè)量，確保繼電保護(hù)器所需參數(shù)的準(zhǔn)確性，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的校正和調(diào)整。此外，還要優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少諧波，降低對(duì)繼電保護(hù)器技術(shù)性能的影響。

（五）電力系統(tǒng)線路損耗受到的影響

分布式電源的接入可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)線路損耗產(chǎn)生影響，這是因?yàn)榉植际诫娫吹慕尤朐黾恿穗娏ο到y(tǒng)中的供電路徑，增加了額外線路損耗。這是由于分布式發(fā)電設(shè)備與主要負(fù)載之間需要一定距離輸送能量，而輸電線路具有固定的傳輸損耗。為此，需要合理規(guī)劃和優(yōu)化配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少供電路徑長(zhǎng)度和線路阻抗，降低額外線路損耗，優(yōu)化輸電線路材料和設(shè)計(jì)參數(shù)，提高傳輸效率并減少送電過(guò)程中的能量損耗。同時(shí)，在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)大力推廣使用更高效、低阻抗的變壓器和導(dǎo)線等設(shè)備。

除了供電方面的損耗，內(nèi)部損耗也值得引起足夠重視。分布式發(fā)電設(shè)備所連接到網(wǎng)絡(luò)上會(huì)引入自身內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。這些內(nèi)部損耗可能不僅包括逆變器轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的熱損耗，還有其他組件或元件引起的能量消耗。為有效規(guī)避該問(wèn)題，要選擇高效的分布式發(fā)電設(shè)備，例如，高轉(zhuǎn)換效率的逆變器和組件，以減少內(nèi)部功耗。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理分布式電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決內(nèi)部故障或低效問(wèn)題。此外，在電力系統(tǒng)運(yùn)行和更新優(yōu)化的過(guò)程中，合理設(shè)計(jì)和裝配相關(guān)設(shè)備，避免不必要的連接線路或元件。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在節(jié)能降耗、技術(shù)升級(jí)成為電力生產(chǎn)管理領(lǐng)域備受關(guān)注的重點(diǎn)的背景下，分布式電源接入電力系統(tǒng)成為大勢(shì)所趨。受到應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)差異等因素的影響，分布式電源接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。為此，應(yīng)針對(duì)電壓分布、電能質(zhì)量、諧波污染、繼電保護(hù)、線路損耗等方面，采取合理的方式，通過(guò)電力設(shè)計(jì)、技術(shù)優(yōu)化，結(jié)合對(duì)系統(tǒng)的全面監(jiān)測(cè)，有效保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，助力社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展。

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