分布式新能源發(fā)電對配電網(wǎng)電壓影響研究

劉建偉

（國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101）

0 引言

隨著現(xiàn)代化發(fā)展不斷加快，我國國民經(jīng)濟(jì)整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了極大的變化。傳統(tǒng)的大電網(wǎng)形式已然無法滿足當(dāng)前人們對于電網(wǎng)供電的基本需求，新的發(fā)電方式應(yīng)運(yùn)而生。其中最為重要的一種便是分布式發(fā)電，分布式發(fā)電因其具有節(jié)能、減排等優(yōu)勢成為一種新的、重要的發(fā)電方式。具體分析可知，分布式發(fā)電可以有效地利用可再生能源，當(dāng)前世界范圍內(nèi)都在積極地尋求開發(fā)新能源的方式，因而分布式發(fā)電得到了廣泛的推廣應(yīng)用。但同樣也需要注意的是，在利用分布式發(fā)電過程中，如果并未合理地進(jìn)行規(guī)劃，而是隨意地使用分布式發(fā)電技術(shù)，勢必會對配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的影響。

1 分布式發(fā)電模式的基本概念及其優(yōu)勢簡要分析

世界中的許多能源雖可以再生，但由于其再生年限較長，因此也被人們稱之為不可再生能源。這些能源的過度使用將會導(dǎo)致世界各國出現(xiàn)嚴(yán)重的能源短缺問題，進(jìn)而對其國家的科技發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)造成極為嚴(yán)重的影響，甚至還有可能會對該國家的社會穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響。例如，當(dāng)前許多國家所使用的煤炭資源以及天然氣資源等便屬于不可再生能源，并且隨著近幾年間各個國家對該資源的廣泛使用，當(dāng)前許多煤礦均出現(xiàn)了煤炭資源短缺的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)將會對國家及城市的正常供電及正常供暖造成一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致國民生活質(zhì)量的下降。因此，為了避免此類問題的出現(xiàn)，各國需要加強(qiáng)對新型能源的使用。分布式發(fā)電則是利用可再生資源的重要途徑，對于分布式發(fā)電的研究很大程度上有利于生態(tài)環(huán)境的改善，也能最大化地緩解能源短缺的基本問題。但就目前而言，我國雖然在分布式新能源方面的研究取得了一定的成效，同時也有諸多的成功案例予以支持，但整體上仍然存在著較多的問題，諸如分布式新能源于并網(wǎng)、開發(fā)等環(huán)節(jié)均存在一定的機(jī)制障礙，這也需要政府予以政策支持，有效地調(diào)整價(jià)格機(jī)制，從而在加快市場交易的同時，促進(jìn)分布式新能源的快速發(fā)展應(yīng)用。在了解分布式發(fā)電模式當(dāng)前發(fā)展基本情況基礎(chǔ)上，其工作人員還需要對分布式發(fā)電模式的基本概念及其特點(diǎn)進(jìn)行了解，從而初步探討該模式當(dāng)前受到各國關(guān)注的重要因素。

分布式發(fā)電模式主要包含發(fā)電單元等幾個單元。據(jù)其概念亦可知，分布式發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性電力的分配調(diào)節(jié)，這就有效地節(jié)省了部分用電區(qū)域的傳輸成本，亦可以滿足不同地區(qū)的用電需求。與此同時，分布式發(fā)電系統(tǒng)大范圍地使用新能源也有利于我國能源的長遠(yuǎn)發(fā)展，滿足清潔能源根本需求。下表為常見分布式電源容量及其并網(wǎng)接口，見表1。

表1 常見分布式電源容量及并網(wǎng)接口

2 分布式發(fā)電的基本理論概述

分布式發(fā)電接入電網(wǎng)之后，能夠起到兩方面的作用，其一便是對于電能不間斷質(zhì)量的有效改善，其二則是促使配電網(wǎng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，而這兩方面的作用也會導(dǎo)致配電系統(tǒng)電壓情況受到影響。對此，要想進(jìn)一步深入地研究分布式新能源發(fā)電對于配電網(wǎng)電壓影響的因素，就需要重點(diǎn)針對以下三方面進(jìn)行深入地探討分析，即繼電保護(hù)、電能質(zhì)量以及網(wǎng)損。以下便對此進(jìn)行具體的研究。

2.1 網(wǎng)損

就網(wǎng)損的角度進(jìn)行分析，首先需要認(rèn)識到，初始的配電網(wǎng)系統(tǒng)本質(zhì)上為輻射型網(wǎng)格，且表現(xiàn)為單向潮流形式。而在分布式發(fā)電介入之后，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即由最初的單向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣垂╇娦问健Ｔ诖诉^程中，網(wǎng)損也會發(fā)生一定的變化，其既可能增加，亦可能減少，網(wǎng)損具體的變化情況還需要依據(jù)分布式電源位置、容量等因素進(jìn)行研究，以此得到更為準(zhǔn)確的變化結(jié)果。

2.2 繼電保護(hù)

就目前而言，我國多數(shù)配電網(wǎng)所采用的電源結(jié)構(gòu)仍為單電源，而就繼電保護(hù)方面的研究可知，其主要采用三段電流保護(hù)的方式，由此可以最大化地確保電網(wǎng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)相關(guān)設(shè)備可以發(fā)揮作用，從而避免事故的發(fā)生。但在分布式發(fā)電應(yīng)用過程中，一旦接入了電網(wǎng)，就極容易導(dǎo)致繼電保護(hù)相關(guān)裝置的錯誤判斷，更為嚴(yán)重的還會影響自動重合閘[1]。

2.3 電能質(zhì)量

除上述幾點(diǎn)外，電能質(zhì)量同樣也是影響分布式新能源發(fā)電的重要因素之一。電能質(zhì)量是指發(fā)電過程中產(chǎn)生電子的負(fù)載量。因此，若電能質(zhì)量較低將會嚴(yán)重影響到配電網(wǎng)中的整體電壓以及電流，進(jìn)而造成遠(yuǎn)距離輸電困難等問題。通常影響電能質(zhì)量的因素大致有以下幾點(diǎn)。首先，發(fā)電機(jī)的電容、位置以及功率等因素均會對電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。其次，風(fēng)力發(fā)電以及水力發(fā)電的不確定性也會對電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響[2]。

3 分布式發(fā)電對于配電網(wǎng)電壓影響因素研究

分布式新能源發(fā)電在接入電網(wǎng)之后，會對配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的影響，具體的研究分析后總結(jié)出相關(guān)的影響因素，主要包括電容、位置、功率等方面的因素，以下便對此進(jìn)行探討分析。

3.1 電容及位置對于配電網(wǎng)電壓的影響

實(shí)際上該模式并非為配電網(wǎng)的主要內(nèi)容，但其對于配電網(wǎng)發(fā)電整體卻有著極為重要的作用，主要表現(xiàn)為支持作用。在此過程中，需要注意的是，分布式發(fā)電實(shí)際應(yīng)用中，其電源的數(shù)量的設(shè)置有著較為嚴(yán)格的要求，若電源設(shè)置過多，對于系統(tǒng)繼電保護(hù)也會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)為運(yùn)行及維護(hù)成本的增加。不僅如此，分布式發(fā)電也是在一定條件下才能成立，既要依據(jù)配電網(wǎng)的最小損失來具體分布電源數(shù)量，同時也需要充分考慮到安全方面的因素，盡可能地將電壓維持在合理范圍之內(nèi)。該方面的研究便可以借助于相關(guān)的算法進(jìn)行探究，更為精確地得出分布式發(fā)電電源分布位置及其具體的容量[3]。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建過程中，其相關(guān)的位置及容量是極為重要的內(nèi)容。一般地，分布式發(fā)電構(gòu)建過程中，所要考慮的是如何能夠更符合用戶的基本要求，這就需要依照用戶終端容量及有關(guān)地理位置進(jìn)行考慮，結(jié)合實(shí)際情況選擇更為合適的發(fā)電方式。而在電源容量選取方面，主要是使之更加符合正常運(yùn)行狀態(tài)下負(fù)荷量的要求，同時能夠較好地處理突發(fā)情況。這就需要結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等技術(shù)進(jìn)行探究，以此更為準(zhǔn)確地預(yù)測負(fù)荷基本模型。總體來看，分布式發(fā)電電源位置的設(shè)置所要考慮的因素較多，諸如周邊環(huán)境、地理位置、實(shí)際布局等都是較為重要的內(nèi)容，由此也是為了進(jìn)一步改善配電系統(tǒng)，確保配電網(wǎng)電壓在穩(wěn)定性及靈活性方面均符合分布式發(fā)電的要求。

3.2 功率因素對于配電網(wǎng)電壓的影響

分布式發(fā)電系統(tǒng)往往均具有電源容量的問題，因此其僅僅只能實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的緊急供電而無法長期使用。并且由于其電源功率較小，因此在緊急使用的過程中也有可能會出現(xiàn)電壓、電流供應(yīng)不足等問題。對此，必須借助相應(yīng)的措施進(jìn)行解決，其中無功補(bǔ)償便是較為重要的措施，其可以有效地減少對于配電網(wǎng)電壓的影響。具體的分析可知，無功補(bǔ)償?shù)幕敬胧┌ㄒ韵聨追矫?，即并?lián)電容器組、加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，這些措施都能夠幫助實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓正常。此外，在實(shí)際的工作過程中，有關(guān)配電網(wǎng)動態(tài)負(fù)荷量的研究也較為重要，基于該方面的無用功功率如果發(fā)生了改變，必須做一定的無功補(bǔ)償，即在接入位置防止有關(guān)的支撐設(shè)備，由此確保配電網(wǎng)能夠正常的運(yùn)行使用[4]。

4 穩(wěn)態(tài)電壓分布及基本實(shí)驗(yàn)

4.1 穩(wěn)態(tài)電壓分布

在研究分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓影響研究中，有必要了解配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布情況，這對于本文整體研究有著很大的幫助。首先沿饋線將每一集中負(fù)荷視為一個節(jié)點(diǎn)，并將這類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，最初的母線編為0，后續(xù)則依次編號為1，2，……，N。此外，線路中的每一段的電阻及對應(yīng)阻抗分別用Rt、Xt表示。在此可以令該系統(tǒng)母線為參考節(jié)點(diǎn)，由此可得線電壓U0=U0ej0。具體的分析可知，這一現(xiàn)狀是為了更好地保障配電線路為吸收型的受端網(wǎng)絡(luò)。吸收型的受端網(wǎng)絡(luò)可以幫助配電線路進(jìn)一步提升其電源容量，從而穩(wěn)定電壓。但為了實(shí)現(xiàn)其配電線路的設(shè)置，工作人員在配電線路設(shè)置過程中應(yīng)取消對K節(jié)點(diǎn)的限制，并避免其成為末端節(jié)點(diǎn)。此外，在分布式電源無功出力的支持下，其對于負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓支撐也有著積極作用。為了更為有效地對同一節(jié)點(diǎn)在分布式發(fā)電投入運(yùn)行前后電壓實(shí)際變化程度進(jìn)行量化，此處提出了如下定義，即采用并入分布式發(fā)電后節(jié)點(diǎn)電壓Un＇分布式發(fā)電并入前的電壓Un之間的差值與分布式發(fā)電并入前的電壓Un之商所構(gòu)成電壓變化指標(biāo)ε。相關(guān)的公式表示為ε=（Un＇-Un）＇/Un。據(jù)該指標(biāo)可以清晰地了解某一節(jié)點(diǎn)電壓手里分布式發(fā)電接入的實(shí)際影響情況，一般地，變化率指標(biāo)越大，則該點(diǎn)出的電壓受力分布式發(fā)電接入的影響也越大，同時也說明了分布式發(fā)電對于這些節(jié)點(diǎn)的電壓支撐較大。在此過程中，線路電流調(diào)節(jié)器就必須合理調(diào)節(jié)部分接頭，以適應(yīng)于分布式發(fā)電的部分節(jié)點(diǎn)的電壓太高。但一旦分布式發(fā)電系統(tǒng)突然退出運(yùn)營，此時變化率指標(biāo)最大的節(jié)點(diǎn)將會因?yàn)闆]有高電壓保障，而遭遇來自于低電壓嚴(yán)重的電力質(zhì)量問題。通常的，由于電流調(diào)節(jié)器的正常工作需要一些時間操作，這將嚴(yán)重影響到其實(shí)際的應(yīng)用效果，為有效地防止這類狀況的發(fā)生，對于電流指標(biāo)變動比較嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)也必須重新考慮，并確定能否配備快速動作的電流支撐裝置。從另一方面考慮，在系統(tǒng)內(nèi)維持電壓缺額時的無功就應(yīng)由電容器所供給，該情況下，分布式發(fā)電也就是退出了運(yùn)行，而對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓波動也就會受到限制，但不會波動過大[5]。

4.2 基本實(shí)驗(yàn)簡要分析

有關(guān)仿真算例的研究主要是為了更為有效地反映出不同地點(diǎn)及不同容量的分布式發(fā)電對于電壓分布的影響，其基本實(shí)驗(yàn)如下分析所示。為了保障分布式電源的正常運(yùn)行，其饋線中的負(fù)荷量往往會達(dá)到0.8，并且在此時該分布式電源的總電力輸出大致可以達(dá)到其有功需求的40%。為了確定本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的真實(shí)可靠，該實(shí)驗(yàn)需要分為兩次進(jìn)行。其中在第一次試驗(yàn)中分布式電源將不會被接入配電網(wǎng)中，但為了對該分布式電源的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測量，在本次試驗(yàn)中工作人員也需要將潮流程序進(jìn)行接入，從而利用其對配電網(wǎng)中的電壓進(jìn)行測試。而在第二次實(shí)驗(yàn)中，工作人員可以將分布式電源接入配電網(wǎng)中。同時，為了保障兩次實(shí)驗(yàn)中僅有單一變量，工作人員仍需要利用潮流程序?qū)ζ潆妷哼M(jìn)行測試。下圖1為節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)。

通過對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，首先在第一次實(shí)驗(yàn)中，由于分布式電源未接入配電網(wǎng)中，因此在配電網(wǎng)中的饋線末端的多個節(jié)點(diǎn)的電壓均較低，并且部分電壓甚至到達(dá)了安全電壓的下限。若該電壓持續(xù)降低將有可能會對配電線路的穩(wěn)定及安全造成嚴(yán)重的影響。而在第二次實(shí)驗(yàn)過程中，由于工作人員將分布式電源接入至配電網(wǎng)絡(luò)中，因此該配電網(wǎng)絡(luò)中饋線末端的節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)了較大的提升，這極大地提升了配電線路的穩(wěn)定性及安全性等。具體分析可知，主要是由于某一節(jié)點(diǎn)的分布式發(fā)電較強(qiáng)，導(dǎo)致該點(diǎn)處的電壓抬高較多，因而存在著峰谷變化。變化率較大的地方則主要是無功補(bǔ)償以及電壓支撐首先要考慮的地方。

5 結(jié)語

基于本文的分析可知，分布式發(fā)電與新能源發(fā)電模式各有利弊，在實(shí)際應(yīng)用的過程中也需要將二者進(jìn)行有效地結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。總體來看，分布式新能源發(fā)電對于配電網(wǎng)電壓的影響如果能較好地解決，勢必將成為未來我國重要的發(fā)電模式。