微網并網運行存在的問題及應對措施

安典強，常喜強，李 梅，張新燕

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002;3.自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著全球常規能源的逐漸枯竭和環境的污染，世界各個國家能源結構也在逐漸調整。分布式發電逐漸登上歷史舞臺，分布式發電具有靈活、分散、小型、靠近用戶、使用清潔能源、可與環境兼容等優點，能提高局部供電可靠性、減少輸電損耗、提高一次能源的利用率以及減少廢氣排放，在配電網中得到廣泛的應用，具有很好的應用前景。但是DGs的大規模滲透也產生了一些負面影響。如分布式發電單機接入成本較高，控制較復雜［1］。另外，從系統的角度來分析，DGs是不可控的發電單元，因此系統總是試圖采取隔離、切機的方式來控制微型發電系統，以消除其對大系統的電壓和頻率的沖擊［1］。微網的提出整合了分布式發電的優勢，削弱了分布式發電對電網的沖擊和負面影響，充分發揮了DGs的效益和價值。但微網并網運行還存在很多問題，根據微網的定義、特點，對微網并網運行存在的問題進行分析研究并提出相應應對措施及建議。

1 微網的定義及特點

1.1 微網的概念

微網，顧名思義，也稱微電網，是指由分布式電源(DG)、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統。

1.2 微網的特點

微電網將發電機、負荷、儲能裝置及控制裝置整合在一起，彌補了分布式發電系統的不足，具有低成本、低電壓、低污染等優點。微網并網甚至能起到削峰填谷的作用。但由于分布式電源的間歇性、復雜性、多樣性、不穩定性和微網并網存在并網、離網兩種運行方式，使得微網并網還存在許多問題。

2 微網并網存在問題分析研究及應對措施

2.1 對電網電壓、頻率的影響及應對

傳統的配電網是一個放射狀結構的無源網絡，潮流是單向流動的，為了使配電網在不同的負荷下維持相對穩定的電壓水平，其電壓調整主要依靠上級變電站內變壓器有載調壓分接開關的切換及無功補償電容器的投退來實現，VQC裝置根據主變壓器負載情況、電壓水平等因數來自動調節分接開關位置，一般采用逆調壓方式即當主變壓器負荷增大時，調高主變壓器二次側電壓［1］。微網接入后，其內的DG向電網注入有功功率和無功功率改變了配電網單向潮流流向。微網接入電網后電網無功增加所以節點電壓升高。U'=U+△U(U'為接入微網后節點電壓;U為未接入微網時節點電壓)。現在就需要根據電壓波動情況來調節變壓器分接頭以適應變化，增加了電網調度的難度。而當微網突然退出時，無功補償迅速減少，使電網電壓下降很大，給電網穩定運行帶來威脅。同時微網內部的風電、光伏等電源出力一方面受天氣等影響，一定程度上也受用戶或業主控制，給電網的控制和管理又增加了困難。此外，微網不同的接入點與微網容量的大小都會對電網電壓帶來不同的影響。

圖1 微網并網結構圖

微網內分布式電源實際上一個諧波源，微網內電力電子器件產生的大量諧波也注入電網［5］，給電網頻率穩定帶來挑戰。現階段電網對微網的接納還很差，只能是電網選擇它能接受的微網，而不能隨機大量的微網接入電網，最主要原因在于微網并網還不能達到柔性并網。為克服這些問題，應從以下幾點做起。

(1)研制產生諧波盡量少的的電力電子器件;

(2)進行無功動態補償(SVC，SVG，STATCOM等);

(3)根據實際情況合理設置微網容量，使電網盡可能消納微網產生的問題;

(4)考慮微網蓄電池儲能。

2.2 對電網保護整定的影響及對策

微網即是“電源”又是“負載”。當微網內分布式電源能夠滿足微網內負載供電時向大電網送電，呈現“電源”特性。當不能滿足時電網向微網饋電，呈現“負荷”特性。微網的接入改變了配電網功率單向流動的特點(成為雙向潮流)。大量微網的接入使電網產生了大量的隨機性潮流，使電網潮流流向和分布發生改變。傳統的配電系統在微電網接入前是輻射狀單端電源供電系統，無源放射性網絡配電網的繼電保護是根據配電網這個特點來設計和運行的。饋線上的保護不需要安裝方向元件，且多為三段式電流保護。［5］微網引入后，配電網成為一個有源網絡(active distribution)，使得原來的繼電保護不能滿足要求，當電網發生系統故障后其原有的故障電氣特征將發生巨大變化，此時微電網可能呈現電源特性，即向故障供出故障電流。傳統的檢測故障方法和繼電保護不能再滿足要求。現做如下分析。

圖2 含微網電網不同點的故障示意圖

(1)微網接入可能會導致誤動作，而且當微網DG輸出功率越大，影響越嚴重。

如圖2所示，F1處發生短路故障，未接入微網時，由系統電源向其提供短路電流，對保護1沒有影響。當短路電流足夠大時，保護2動作切除故障。接入微網后，微網內的DG也向F1提供短路電流，當微網DG功率足夠大時，由微網DG向F1提供的短路電流大于保護1電流整定值時，保護1動作，造成誤動［4］。

(2)微網接入可能會導致保護靈敏度降低，而且當微網DG輸出功率越大，影響越嚴重。

如圖2所示，當F3處發生短路故障時，沒有接入微網系統電源向故障點提供短路電流，短路電流大于保護1的整定電流時保護1動作，切除故障。并入微網后，微網內DG可能同時與系統電源向故障點提供短路電流，由于DG分流作用，流過保護1的故障電流減小，使其靈敏度降低，微網DG輸出功率越大保護1感受到的短路電流越小，靈敏度也越差，甚至造成拒動［4］。

(3)當故障點位于DG上游，由于沒有方向元件，DG上游的各保護之間可能會失去選擇性。

如圖2所示，當F2處發生短路，未接入微網時，有系統電源向其提供短路電流，保護2、3協同作用，由保護3切除故障。當微網接入后，微網DG也向其提供短路電流，流過保護2的短路電流變大，微網DG功率越大，流經保護2的短路電流越大，當達到一定值時，保護2動作，切除故障，保護2、3失去選擇性，并使停電面積增大。

此外，當微網接入電網饋線始端母線、末端母線時對電網保護也有不同影響，這里不再贅述。

因此對微網接入電網的保護應借鑒輸電系統的一些保護設計原則，例如方向、阻抗、差動等加以分析并重新配置;對傳統保護系統的適應性和技術進行改造;制定電網、微網保護的協調配合機制。

2.3 對重合閘的影響

眾所周知，在電力系統中發生的故障大多為瞬時性故障，重合閘的應用提高了系統供電可靠性，減少了電網維護的工作量。在傳統電網結構下，重合閘的工作不會對電網產生任何沖擊和破壞。當微網接入后，由于DG的存在可能產生威脅。下面就重合閘與繼電保護的兩種配合方式(自動重合閘前加速和自動重合閘后加速)進行分析。

(1)對自動重合閘前加速的影響

在某些情況下，當線路斷路器斷開后，微網未能解列，造成非同期合閘，使電網與微網遭受非同期合閘的沖擊，如圖3。

圖3 自動重合閘前加速故障

如圖3所示，當F處發生故障斷路器CB跳閘后微網并未解列，微網DG與系統電勢有可能失去同步，使電網與微網受到非同期合閘的沖擊。同時反向電流可能對設備造成損壞。

(2)對自動重合閘后加速的影響

與前加速保護不同的是當線路發生故障后，保護有選擇性地切除故障，重合閘進行一次重合后回復供電。而且每臺斷路器都配有完備的保護系統和重合閘裝置。

如圖4所示，當F處故障時，CB1斷開。微網DG向其提供短路電流，使故障點電弧不能熄滅。當微網DG提供的短路電流大于CB2處整定電流后CB2動作增大停電面積。然而CB1重合后又可能造成非同期重合問題。

應對措施如下。

(1)對自動重合閘裝置進行改進。在微網DG處安裝低周期、低壓解列裝置;

圖4 自動重合閘后加速故障

(2)研究一種新的繼電保護與重合閘配合方式，使微網在重合閘之前解列，或加設通訊線路使微網解列。

2.4 對短路容量的影響及對策

微網即是“電源”又是“負載”。當微網內分布式電源能夠滿足微網內負載供電時向大電網送電，呈現“電源”特性。當電網故障時，微網內的DG會向故障點注入短路電流，如果并網的大量微網都呈現“電源”特性，會對電網的短路容量產生很大的影響。

(1)將增加電網的短路容量，可能會對電氣設備的動熱穩定產生不利影響。

(2)對于短路容量接近額定遮斷容量的斷路器而言，其影響甚至是危險的。

對策如下。

(1)改變配電網的運行方式，或在適當地點裝設限流電抗器;

(2)在選址階段，根據電網狀況選擇合適的DG接入位置。

2.5 孤島效應

孤島效應是指由于某種原因電網斷電而微網繼續向電網提供電能。微網接入電網運行有可能會產生孤島效應。孤島效應的產生會對電網、工作人員等產生很大影響。

(1)孤島效應發生后微網內電壓、頻率失去電網的支撐會發生較大波動，從而損壞配電設備和用戶設備［7］。而當電網回復時，可能會產生很大沖擊電流給設備帶來損壞。

(2)干擾電網的正常合閘。

(3)孤島效應發生后微網內的DG有可能對電網故障點繼續供電，這給維修工作人員帶來危險。

應對孤島效應的危害主要是預防為主，通過各種檢測方法提前知道是否發生孤島效應。主要的檢測方法有:被動檢測、主動式檢測。

2.6 對供電可靠性的影響及對策

微網即是“電源”又是“負載”。當微網內分布式電源能夠滿足微網內負載供電時向大電網送電，呈現“電源”特性。當不能滿足時電網向微網饋電，呈現“負荷”特性。因此微網接入電網會對電網的供電可靠性也會存在一定的影響。

當在電網供電能力不足的情況下，而微網又呈現“電源”特性，微網向電網輸送電力，滿足了本來須限電用戶的用電需求。同時，在電網多發時而微網呈現“負荷”特性。消納了電網的出力。這時微網起到了削峰填谷的作用，對提高供電可靠性及穩定起到了重要作用。反過來說微網則會對電網的供電可靠性及穩定帶來危害。

對策如下。

(1)合理配置微網容量，并設置蓄電裝置盡量減少對電網的不利影響;

(2)通過有規劃的孤島運行模式提高電網供電的可靠性［11］。

3 結論

根據微網運行經驗及自身特點，大規模并網帶來的主要問題是微網內分布式電源的波動性和隨機性，引起微網內功率的不平衡隨時間變化而導致的安全隱患及薄弱系統的穩定性與電能質量問題，對電網的規劃、建設、保護、運行調度、分析控制、經濟運行和電能質量等產生一定的影響。

微網技術雖然在中國還不成熟，還有很多技術方面的、政策方面的、管理方面的問題有待解決，但它順應了中國大力促進可再生能源發電、走可持續發展道路的要求，因此對其進行深入研究具有重大意義。

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