淺析分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響

劉 銳，劉 敏，辜俊明

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550003）

0 引言

近年來，分布式電源技術(shù)以發(fā)電形式靈活、所用原料廣泛、環(huán)境污染小的優(yōu)點，得到了很快的發(fā)展。隨著工商業(yè)供電可靠性要求的不斷提高和電力技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式電源將會成為配電網(wǎng)中的一支重要力量。從目前來看，分布式電源主要接入對象是配電網(wǎng)領(lǐng)域，其接入使得電力系統(tǒng)變得更加高效靈活。它的接入直接改變了配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，由輻射性網(wǎng)絡(luò)過渡到分布的點狀電源直接和用戶負荷相連的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)大規(guī)模接入時，無疑將對配電網(wǎng)產(chǎn)生很大影響。

1 分布式電源

1.1 分布式電源

分布式電源（DG，distributed generation）是指分布在配電網(wǎng)中的功率為10 k W～30 MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源。分布式電源具有調(diào)峰、利用再生能源、節(jié)省輸變電投資、降低網(wǎng)損和提高供電可靠性等優(yōu)點［1］。一般看來，分布式電源的發(fā)電形式包括小型風(fēng)力發(fā)電、小型熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)力水力蓄電和太陽能光伏發(fā)電等。應(yīng)強調(diào)的是其中小型風(fēng)電和光電非常適合接入樓宇、社區(qū)，這也是未來智能電網(wǎng)的一個發(fā)展方向。

1.2 分布式電源接入配電網(wǎng)

低壓配電網(wǎng)連接的典型結(jié)構(gòu)類型有單電源輻射式接線、樹枝式接線和環(huán)網(wǎng)式接線等，用戶根據(jù)供電可靠性劃分選擇接線方式，在我國低壓配電網(wǎng)建設(shè)中以單相輻射狀鏈式結(jié)構(gòu)為主。

當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)中運行時有以下優(yōu)勢：①系統(tǒng)中各電源點相互獨立，電氣上的結(jié)構(gòu)連接不是非常緊密，用電客戶可以根據(jù)所需自行調(diào)整，發(fā)生大規(guī)模完全停電事故的概率非常低，所以供電可靠性比較高；②用戶可對自己區(qū)域電能質(zhì)量和可靠性自行監(jiān)控，非常適合向辦公樓、偏遠山區(qū)、社區(qū)居民樓供電；③分布式電源輸配電過程中引起的損耗非常小，可以節(jié)約很大部分電量，同時安裝維修成本也較低；④具有調(diào)峰作用，分布式發(fā)電一般接入負荷中心，能夠減小各終端變電站母線的等值負荷，從而緩解對電力系統(tǒng)功率傳輸?shù)男枨螅?］。

2 分布式電源接入對配網(wǎng)規(guī)劃的影響

分布式電源逐步接入配電網(wǎng)可以說是以后智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。在少數(shù)情況下偏遠地區(qū)只有分布式電源供電，大多數(shù)情況下用戶希望既可以由當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)供電也可以由分布式獨立電源供電，使供電的靈活性和可靠性大幅度提高。但是分布式電源點狀大量接入使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，進而帶來配電規(guī)劃的新問題。傳統(tǒng)的規(guī)劃方法目前還沒有充足的能力解決包括分布式電源在內(nèi)的規(guī)劃問題，這主要是因為傳統(tǒng)的規(guī)劃方法都不同程度地將規(guī)劃問題進行了簡化，對于規(guī)劃中客觀存在的難以定量表達的不確定性因素缺乏較好的處理方法［3］?？梢灶A(yù)見的是，分布式電源的不定量接入對于配電網(wǎng)規(guī)劃將有下列影響：

（1）分布式電源的大規(guī)模接入將增加電力系統(tǒng)的負荷預(yù)測難度。一般來講配網(wǎng)規(guī)劃往往是假設(shè)所供負荷的增長是穩(wěn)定和平均的，而分布式電源的突然加入會使配網(wǎng)規(guī)劃人員無法準確有效地預(yù)測負荷增長，繼而無法進行規(guī)劃。由于配電網(wǎng)建設(shè)占電力系統(tǒng)投資建設(shè)的很大一部分，因此分布式電源的接入可有效推遲原有電網(wǎng)的擴建進度，并可大量減少電網(wǎng)改造升級的投資。因為分布式電源距離負荷較近，其可降低不必要的線損。但是如果裝機地點和容量不能合理配置，將會出現(xiàn)循環(huán)功率，反而引起電能損耗的增加。為使配電規(guī)劃達到最優(yōu)效果，規(guī)劃人員必須提前對分布式電源可能給配網(wǎng)造成的影響做出較準確的評估，以保證分布式電源的逐步滲透不會對原有負荷造成沖擊。

（2）使配網(wǎng)線路布置困難增加。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的年限一般為5年～20年，且用戶負荷增長比較平均，線路鋪建也比較穩(wěn)定。由于規(guī)劃問題的動態(tài)屬性同其維數(shù)相關(guān)聯(lián)（通常需要同時考慮幾千個節(jié)點），若再出現(xiàn)許多發(fā)電機節(jié)點，將會使得在所有可能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)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）更加困難［4］。

（3）增加了電網(wǎng)公司的運營管理難度。獨立安裝分布式電源的小型用戶，一般希望兩路供電，即在保證小型分布式電源接入的同時也有電網(wǎng)公司提供的電能可以使用。但是這與想維持系統(tǒng)接入前電能質(zhì)量和可靠性水平不變的電網(wǎng)公司的初衷是相悖的。當(dāng)大量點狀獨立電源進入配電系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其單相電源的饋電潮流特性隨之改變，所以需增加相應(yīng)的電力電子設(shè)備以確保配電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，這又增加了其基礎(chǔ)運營成本。

（4）對原有供電設(shè)備容量造成浪費。分布式電源接入配電網(wǎng)可以有效減少配電網(wǎng)投資，但如果分布式電源接入供電充裕的地區(qū)或節(jié)點，則很可能導(dǎo)致原有供電容量長期處于備用或閑置狀態(tài)，使原有供電設(shè)備容量造成極大地浪費，進而降低供電設(shè)備利用率，使供電公司原規(guī)劃方案的投資無法按期回收。

（5）國家的相應(yīng)配電網(wǎng)規(guī)劃策略可能發(fā)生變更。分布式電源類型多樣靈活，這也就引發(fā)了新的問題，即如何保障配電網(wǎng)規(guī)劃中合理的電源結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)不同類型的電源配合。分布式電源的推廣應(yīng)用，將可能促使國家能源政策和跟進的法律法規(guī)的制定直接參與到相關(guān)的電力系統(tǒng)規(guī)劃中。

3 分布式電源對配電網(wǎng)運行的影響

分布式電源主要應(yīng)用于配電網(wǎng)運行，分布式電源的接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 。本文從以下幾個方面簡要敘述了DG接入對配電網(wǎng)運行的影響。

3.1 分布式電源接入對電能質(zhì)量的影響

分布式獨立電源通過電力電子逆變器并網(wǎng)運行會給主電網(wǎng)帶來一系列問題，這些問題所帶來的擾動對電能質(zhì)量造成的影響如下：

（1）分布式電源的接入會帶來大量諧波。功率變換器技術(shù)和分布式電源的互聯(lián)結(jié)構(gòu)很大程度上決定了諧波類型和影響大小。換流裝置（主要是逆變器）會給電力系統(tǒng)帶來諧波電流，故在其安裝時要適當(dāng)預(yù)測其諧波影響大小，以確定高次諧波對電壓變形作用是否符合標準。需要特別指出的是：功率相同的分布式電源安裝在不同的位置，得到的饋線沿線各節(jié)點的電壓有著較大的波動，分布式電源安裝位置越接近線路末端，饋線沿線各負荷節(jié)點的電壓畸變越嚴重；反之，分布式電源越接近系統(tǒng)母線，對系統(tǒng)的諧波分布影響越?。?］。

（2）電壓的跌落和閃變。當(dāng)在配電系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時，分布式電源的接入直接提高了電壓，對故障相電壓的跌落有著抑制作用，但是對于非故障相來說，隨著分布式電源注入功率的增加，各節(jié)點電壓幅值均有不同程度的增加，并且分布式電源的容量越大，導(dǎo)致非故障相電壓超出額定電壓的情況也越嚴重［7］。分布式電源能帶來可見的電閃其可能是電機（如感應(yīng)電機）啟動引起的，也可能是分布式電源輸出功率突變導(dǎo)致線路電壓變化而引起的。所以電閃的形成原因包括發(fā)電機的啟動、制動或是輸出功率的波動，而識別各種類型的電閃并作出相應(yīng)的解決措施在目前階段是很困難的。

3.2 分布式電源接入對電壓分布的影響

經(jīng)大量研究與實驗表明：不同容量的分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)絡(luò)，將對饋電線路上的電壓分布帶來重要影響。影響的具體大小和分布式電源的容量大小、接入位置有著密切的關(guān)系。如果分布式電源比用戶負荷大，配網(wǎng)電壓需要調(diào)低來適應(yīng)分布式電源注入的無功所抬高的節(jié)點電壓。當(dāng)DG正常運行時，分布式電源應(yīng)以較高的功率因數(shù)運行，也就是盡可能地多發(fā)有功，少發(fā)無功。在分布式電源安裝位置處，可適當(dāng)安裝無功補償設(shè)備，例如配電電容器。當(dāng)饋線中接有線路調(diào)壓器時，往往需要適當(dāng)調(diào)整其分接頭的位置才能達到調(diào)壓的目的；同樣滲透率的分布式發(fā)電散布在饋線上比集中在同一個位置對電壓的支撐作用大［8］。

3.3 繼電保護問題

繼電保護的作用是：當(dāng)線路發(fā)生故障時，供電系統(tǒng)能夠有效切除故障，使損失降到最小，其保護整定與電網(wǎng)的接線結(jié)構(gòu)有著很大的關(guān)系。DG的引入在一定程度上改變了分電源附近節(jié)點原有的短路狀態(tài)，它將對配網(wǎng)三段保護的精確動作帶來不確定影響。由于分布式電源的接入，當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時，其本身的助增電流或分流將使通過保護裝置的電流變化不確定，原有保護的靈敏度和范圍會發(fā)生改變。這使得各線路繼電保護的上下級整定配合變得復(fù)雜。

分布式電源接入配電網(wǎng)中還使電保護方向判斷不明確。配網(wǎng)一般是單端供電，不設(shè)方向保護元件。當(dāng)接入DG之后，配電網(wǎng)中的一部分線路轉(zhuǎn)變?yōu)殡p端電源供電，即當(dāng)分布式電源節(jié)點的上游線路發(fā)生故障時，分布式電源所提供的電流將從負荷側(cè)流向系統(tǒng)側(cè)。無論上、下游何處發(fā)生故障，所產(chǎn)生的故障電流都將通過保護，因為沒有方向元件判斷，只要故障電流大于保護整定值，保護便會動作，線路即跳閘，退出運行，繼電器的選擇性將失去。電網(wǎng)公司為了達到配網(wǎng)供電安全指標，就要安裝方向保護元件以起到供電保護作用。

總的來說其影響可以歸納為以下幾條：①導(dǎo)致本段線路保護靈敏度降低甚至可能拒動；②致使本段保護誤動，引起線路跳閘；③導(dǎo)致相鄰保護和后備保護誤動并可能失去選擇性；④自動重合閘可能不能重合成功。

3 .4 非正常孤島運行問題的出現(xiàn)

文獻［9］對分布式電源的三狀態(tài)模型進行了定性定量分析，導(dǎo)出了在該模式下孤島運行的形成概率，又對分布式電源后接入的簡單配電線路的可靠性指標進行了計算，但文獻缺乏間歇式供電的配電網(wǎng)運行指標的分析計算。文獻［10］對這種孤島模型進行了系統(tǒng)的分析，對模型和算法都進行了簡單求解并且對可靠性評估算法進行了改進使之更適合帶有分布式電源配網(wǎng)的評估。總的來說配電網(wǎng)系統(tǒng)非正常孤島運行時將有可能帶來以下問題：孤島內(nèi)部的保護裝置無法協(xié)調(diào)，則與孤島相連的用戶供電質(zhì)量得不到保證，相應(yīng)地線路運行維護人員的安全問題也得不到保證；當(dāng)局部電網(wǎng)恢復(fù)供電時有可能造成重合相位不一致，并由此可能帶來操作過電壓。

4 結(jié)語

我國對分布式電源的研究目前尚處在起步階段，但是隨著分布式電源技術(shù)的滲入，對配電網(wǎng)的影響將會更加突出，特別是對電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計、電網(wǎng)安全運行影響較為顯著。因此，我國應(yīng)盡快大力開展針對性的科研活動，使分布式發(fā)電并網(wǎng)有章可循，從而促進我國分布式電源技術(shù)整體的快速發(fā)展。

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