智能配電網中分布式電源并網的思考

王 淼 董仲星 劉宗歧

（華北電力大學，北京 102206）

智能電網的提出為新能源和可再生能源的發展提供了一個良好的機遇。分布式發電是當今世界能源發展問題的結果，是充分開發利用多種可再生能源的理想途徑。鼓勵和支持分布式發電、可再生能源的利用是智能配電網的特色[1]。

1 分布式發電技術

近年來，包括光伏、風電等可再生能源新型發電技術發展較為迅速，分布式發電日漸成為滿足負荷增長需求、減少環境污染、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑[2]，并在配電網中得到廣泛的應用。

1.1 分布式電源優點與特點

分布式電源得到廣泛應用，主要是源于能源形勢需求、電力系統發展趨勢以及其自身的特性。

1）供電可靠性高，各分布式電站相互獨立，可以自行控制，可以在大停電時維持全部或者部分重要用戶或地區供電，減少大規模停電事故。

2）集中式與分布式發電的結合，可以有效節省投資，提高能效，充分發揮兩種發電方式的優勢，從而提高電力系統的靈活性、可靠性與安全性。

3）分布式發電直接接在負荷側，可以彌補大電網的不足，在意外災害發生時繼續供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補充。

4）啟停方便快速，調峰性能好，操作簡單，由于參與運行的系統少，便于實現全自動。

5）可對區域電力的質量和性能進行實時監控，適宜大電網不易實現供電的農村、牧區、山區等偏遠地區，同時能夠較大程度上減小環保壓力。

6）分布式發電無需建配電站，輸配電損耗很低，輸配電成本也隨之降低。

7）土建和安裝成本低，延緩對大規模常規電廠和輸系統投資，減低投資風險。

1.2 分布式電源與智能配電網

智能配電網的主要特征之一即是支持分布式電源大量接入。這是智能配電網區別于傳統配電網的重要特征[1]。智能配電網中強調的分布式電源不再硬性的限制其接入點和容量，倡導并且有利于可再生能源的足額上網，積極接入分布式電源并發揮其作用。同時通過系統接口的標準化和保護控制的自適應[3]，支持分布式電源的即插即用，從而實現各種能源優化調度。

2 分布式電源并網帶來的技術問題

2.1 算例分析

本文利用前推回代法，對計及分布式電源的配電網絡進行潮流計算，從理論上驗證分布式電源并網對原配電系統帶來的影響。為仿真結果清晰，假設不同饋線上的負荷的功率大小一定，配網中的負荷總量大于分布式電源的容量，收斂精度ε =10-4，算例的拓撲結構如圖1所示，算例數據如附表1所示。

圖1 20節點配電系統拓撲圖

分布式電源種類的多樣性決定了其模型的多樣性，本文采用文獻[4-6]中的模型。根據接入配網的方式，將分布式電源的模型基本上分為 3種：P、Q恒定模型，P、V恒定模型和P恒定、Q=f(V)模型。在以下本文的仿真結果中，由于P、Q恒定模型與所設定的P恒定、Q=f(V)模型相似、運行程序相似，仿真結果相似，為簡化計算，將P、Q恒定模型視為P恒定、Q=f(V)模型的一種特殊情況，可將其歸于其中。

1）接入P恒定、Q = f (V)型DG后與未接入的節點電壓比較

假設在算例在11節點處接入P恒定、Q = f (V)型的DG，設

所得各節點電壓與未接入分布式電源的節點電壓比較結果如圖2所示?？梢钥闯?，P恒定、Q=f (V)型DGs接入系統同樣可使系統電壓提高。

圖2 接入P恒定、Q=f (V)型DG與未接入的節點電壓比較

2）接入P、V恒定型DG后與未接入的節點電壓比較

假設在算例節點8處接入P、V恒定型的DG，所得各個節點電壓與未接入分布式電源節點電壓的比較結果如圖3所示。

圖3 接入PV恒定型DG與未接入的節點電壓比較

根據圖示可以看出，接入點8節點的電壓有明顯提高，進而整個系統各個節點的電壓提高，系統整體的電壓水平提高。

此外，對比圖2，P、V型分布式電源對節點電壓影響更大，因P、V型分布式電源電壓幅值恒定，相當于由該節點向系統注入無功功率，進而使得節點電壓提高幅度較大。

3）不同節點接入P恒定、Q =f (V)型DG后節點電壓比較

假設在算例 8節點處和 18節點處分別接入 P恒定、Q=f (V)型的DG，兩種情況下各節點的節點電壓比較結果如圖4所示。

可以看出，18節點距離電源側較遠，接入DG后節點電壓與8節點接入的結果相比有明顯提高，特別是在接入節點18附近?？梢?，分布式電源接入位置不同，對系統影響效果不同。分布式電源的接入點距離電源側越近，對各系統節點電壓升高的影響越小。

圖4 不同節點接入P恒定、Q=f (V)型DG后電壓比較

2.2 影響分析

我國傳統的中低壓配電網絡大多采用單側電源輻射式供電模式，現在配電網中直接接入分布式電源，實質上相當于中低壓配電網的結構和供電模式發生了變化，單電源放射式改為多電源供電，所以配網中潮流分布、短路電流等必將發生變化，從而為電力系統帶來更多的技術問題。

1）電能質量與電壓調整

結合以上算例結果，配電網中分布式電源的并入，電壓水平、分布會發生變化。分布式發電多由用戶控制，可能頻繁啟停，調度人員難以掌控其時間，線路潮流變化頻繁，電壓可能頻繁出現波動，電壓調整難度加大，電能質量受到影響，且系統中原有的調壓方案可能不再符合要求。此外，電壓變化還必將引起無功功率分布變化等問題。

2）繼電保護

分布式電源的并入改變了配網網絡以及配網中的潮流和短路電流的分布，繼電器的保護區域縮小[7]，從而繼電保護動作的準確性和靈敏性都將會受到影響，特別是對三段式電流保護。例如保護誤動、拒動，瞬時速斷保護失去選擇性或者誤動，重合閘不成功等。

3）故障處理

當配網中出現孤島后以及重合閘過程中，分布式電源不能做出迅速反應，可能對設備、工作人員的安全產生損害。

4）諧波問題

應用逆變器接入的分布式電源就會有諧波問題，切換過程中會出現某些頻率諧振問題。

5）調度與管理

分布式電源接入，配電網調度、操作、信息采集、實時監控等過程將更加復雜，引入和處理大量的配網數據信息，同時還應實現與配電自動化系統相互協調和配合。

此外，大規模分布式電源并網后變壓器接地、與需求側管理配合、鐵磁諧振等問題也是不容忽視的。

3 智能配電網優化規劃

智能配電網的新特征使得智能配電網的發展和規劃也存在一些特殊性。智能配電網區別于的傳統配電網的一大特性就是大規模分布式電源的接入和優化利用。

分布式電源的接入，為已經相對成熟的配網規劃技術帶來新的挑戰。配電網規劃本身就具有離散性、非線性，且集投資、網架建設、損耗以及用戶停電損失等多目標組合的的優化規劃問題。分布式電源條件的加入，并不僅僅是目標函數限制條件增加的問題，就前文分析的影響，都應該在規劃過程中得以體現。

3.1 規劃方法

文獻[9]從保障重要負荷供電角度出發，引入“負荷島”的概念，根據對島內負荷進行預測以及分布式電源的容量，進行母線與島、島與島之間的網絡規劃。這種方法的關鍵在于負荷島的劃分以及模型的建立。但是其計及因素相對較少，主要是提出了負荷區分和電源規劃的一種思路。

從電力公司角度，文獻[10]以電源接入、線路投資以及電網有功損耗最小為目標函數，建立了配電網節能減損的規劃模型。文獻[11]考慮了在市場條件，并采用啟發式方法求解。文獻[12]則提出采用新型免疫遺傳算法，以年費用最小為目標，建立了模型，并分析其與遺傳算法相對比的可行性和優越性。這種算法具有良好的全局收斂能力，能夠平衡個體多樣性，理論上適于含分布式電源的配網規劃問題分析。

文獻[13]提出了分布式電源的布點規劃流程以及含分布式電源的配網規劃流程，同時也提出了分布式電源的最大配置位置確定的方法。文獻[14]則是在變電站和分布式電源位置確定的條件下，詳細分析不同分布式電源接入點對電網影響，得出結論是：負荷和分布式電源容量比較匹配的地區就近接入。這種方法僅是是位置一定條件下優化接入點的位置。

3.2 特殊性

現研究所得的多種規劃模型和方法，重點考慮的因素不同，目標函數不同，使用條件不同。綜合來說，智能配電網的規劃的特殊性以及主要面臨的技術問題集中以下幾個方面：

1）分布式電源的模型的建立

智能配電網中，分布式電源，加上電動汽車、儲能設備等裝置大量介入，增加了系統的不確定性和靈活性。分布式電源利用可再生能源發電，且多會受到氣候因素和自然條件的影響，其輸出也具有波動性。

2）分布式電源布點和發展

前文算例已有體現：分布式電源接入點的不同、分布式電源類型的不同，對電力系統的影響程度是不同的。所以在智能配電網規劃過程中，應該深入分析配電網可接受的分布式電源的位置、容量，研究分布式電源的接入模式以及相應的規劃方案和結構設計方法的評估、目標網架的發展速度優化等問題。

3）負荷增長模式的研究分析

分布式電源受用戶控制，從電網的角度而言，相當于這部分電源可以與部分用戶負荷相抵消，即分布式電源直接影響系統電力負荷增長模式，對于長期的電網建設和負荷預測均存在影響。

4 分布式電源并網控制與保護

隨著大規模分布式電源的并網運行和研究的發展，分布式電源并網對系統原有的保護裝置的影響更加不可忽視。前文已經提出對系統保護，特別是電流保護的影響。此外分布式電源并網需要與電力系統配電網良好配合協調，才能保證運行。

文獻[15]從理論上歸納 4種分布式電源的保護策略，分析了直流微網的可行性，從通信角度分析交流微網，給出了接入策略。文獻[16]提出一種新的保護方案，保留了過電流保護，將被保護饋線分區，接入點以上部分采用方向縱聯保護，根據不同接入位置采用不同過電流保護形式。文獻[17]提出一種自適應保護新方案，保護整定值隨分布式電源功率輸出水平、故障電流水平變化，并在仿真分析系統發生三相短路故障的情況。

總之，分布式電源并網，分布式電源系統自身應該具備控制和保護設備，能夠檢測和保護分布式電源系統，同時能夠檢測和處理并網時電力系統配電網中的故障。如果出現故障，能夠延時處理與系統解列，以保證和系統運行。

5 結論

分布式能源并網是新時代能源問題的解決方法，是智能電網的發展需求，也是智能配電網技術研究的重點。實現清潔能源的接納、輸送和應用，以及實現分布式電源的靈活控制和互動，是一項長期的系統性工程，需要有相應的政策法規密切配合，還必須兼顧與新技術的開發和結合，例如電動汽車、新型儲能設備等。對于大規模分布式電源并網運行的深入理論和實踐待于進一步深入研究。

[l]秦立軍,馬其燕.智能配電網及其關鍵技術[M]. 北京:中國電力出版社,2010.

[2]王大中.21世紀中國能源技術發展展望[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3]光宇,孫英云.智能電網基礎[M].北京:中國電力出版社,2010.

[4]李新,彭怡,趙晶晶,任亞英,張從力.分布式電源并網的潮流計算[J].電力系統保護與控制,2009,37(17):78-81.

[5]李丹,陳皓勇.分布式電源混合并網的配電網潮流算法研究[J].華東電力, 2011,39(1):76-79.

[6]張立梅,唐巍. 計及分布式電源的配電網前推回代潮流計算[J]. 電工技術學報,2010,25(8):123-129.

[7]劉振亞.智能電網知識問答[M].北京:中國電力出版,2010.

[8]劉振亞.智能電網技術[M].北京:中國電力出版社,2010.

[9]高笑,趙宏偉,馮璞喬.基于分布式發電的配網規劃初探[J].江蘇電機工程,2005,24(2):9-11.

[10]李偉倫,桂淑華,孫志剛,衛志農.考慮分布式電源的配電網優化規劃[J].江蘇電機工程,2010,29(5):30-36.

[11]劉波,張焰.改進粒子群優化算法在分布式電源選址定容中的應用[J].電力系統自動化,2007,31(12):50-54.

[12]戴小龐,周洪,海曉濤.基于免疫遺傳算法的含分布式電源配網規劃[J].湖南電力,2011,31(6):10-13.

[13]范艷霞.分布式電源的配電系統規劃研究[J].山東電力技術,2010(3):12-15.

[14]晏鋒,李永斌,呂迪.分布式電源對配網電壓及配網滾動規劃的影響[J].應用科技,2009(6):136-137.

[15]趙上林,吳在軍,胡敏強,凡勇.關于分布式發電保護與微網保護的思考[J].電力系統自動化,2010,34(1):73-76.

[16]孫景釕,李永麗,李盛偉,金強.含分布式電源配電網保護方案[J].電力系統自動化,2009,33(1):81-84.

[17]余瓊,余勝,李曉暉.分布式電源的配網自適應保護方案[J].電力系統保護與控制,2012,40(5):110-114.