分布式發電對配電網影響分析

陸志剛， 王 科， 董旭柱， 李 達， 李登武

(1.南網科研院， 廣州 510080； 2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

分布式發電對配電網影響分析

陸志剛1， 王 科1， 董旭柱1， 李 達2， 李登武2

(1.南網科研院， 廣州 510080； 2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

由于對電能質量、保護等方面的影響以及相關并網標準和政策的缺失，在傳統配電網的用戶側大規模接入分布式發電單元的應用模式尚未得到推廣應用。文中通過對北方某產業園區多種DG接入方案進行了仿真，從電壓分布、電網損耗、諧波含量和短路保護四個方面分析了該產業園區在用戶側接入DG后對配電網產生的影響。研究表明，在配電網中接入適當容量的DG對整個配電網的保護控制和運行不會產生負面影響，反而可以有效提高電壓質量，減少網絡損耗。

智能電網； 分布式電源； 電能質量； 用戶側； 保護； 功率損耗

分布式發電DG(distributed generation)一般指的是為滿足某些終端用戶的需求、接在用戶側附近的小型發電機組或發電及儲能的聯合系統，它們的規模一般不大，大約在幾十千瓦至幾十兆瓦。DG不是采用煤作為一次能源，而是大量采用可再生能源，包括天然氣、氫氣、太陽能、風能等[1]。近年來，得益于電力市場的開放和減少溫室氣體排放的需求，DG在電力舞臺上再度興起，成為研究熱點[2]。截至目前，DG在世界范圍內得到了快速發展并取得了廣泛應用[3～5]。

隨著DG滲透率的增加，其并網所引起的相關問題也逐漸凸顯出來，主要包括：(1)增加了配電網潮流的不確定性，從而對電力系統繼電保護的整定帶來了困難[6]；(2)DG中大量電力電子器件的應用，給配電網注入了大量諧波[7]，對配電網電能質量產生了不同程度的影響；(3)DG并網時，會對配電網的靜態穩定性產生影響，其影響程度的大小依賴于DG的類型[8]。

目前，DG接入對配電網影響方面的研究大多仍以理論研究為主。文獻[9]指出分布式電源接入配電網絡后，改變了原來配電網絡的網絡結構，對保護支路的故障電流水平影響很大，從而影響了配電網保護的正確性。文獻[10，11]討論了分布式電源并網對變電站零序保護、距離保護及其自動重合閘的影響，并在此基礎上提出了一套分布式電源并網運行時并網線保護及自動化裝置配置方案。文獻[12]針對光伏單元接入配電網系統后是否對電能質量產生不利影響進行了分析。文獻[13，14]介紹了DG接入系統中改善電能質量的一種新算法，利用現有DG系統的非線性來控制有功和無功，并改善不平衡和減少諧波，使系統仿效電力有源濾波器APF(active power filter)或基于DSP(digital signal processing)的配電靜止同步補償器DSTATCOM的功能，提出靈活分布式發電系統。文獻[15]介紹了配電網靜態電壓穩定分析中的常用指標，通過實例計算分析了各種不同型式的設備及其在配網中的不同安裝位置對系統靜態電壓穩定性的影響。文獻[16]提出了電壓跌落引起的失電損失分攤方法，計算了不同故障類型發生時的電壓跌落，探討了DG注入功率和接入位置變化對電壓跌落的影響。

本文結合某產業園區電網和DG的實際情況，利用暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC進行數學建模，并制定了三種DG接入方案，針對這三種接入方案分別從電壓分布、電網損耗、諧波含量和短路保護四個方面進行仿真，分析了DG接入對配電網的影響。

1 相關DG模型介紹

本文采用PSCAD/EMTDC軟件，對各個DG應用技術方案進行數學建模，進而對不同的DG接入方案進行仿真分析。以下為本研究中涉及到的相關設備模型的介紹。

光伏發電系統主電路包括逆變器、濾波器和斷路器等部分，系統結構如圖1所示。采用單位功率因數控制策略進行并網控制[17]，實現恒定的PQ輸出，在并網點配置過流、過壓和欠壓保護。

圖1 光伏發電系統主電路結構

采用永磁發電機模型來模擬微型燃氣輪機系統，發電機直接與電網相連，系統結構如圖2所示。采用閉環控制，通過對原動機的調節控制并網點的電壓和頻率，在并網點配置過流、過壓和欠壓保護。

圖2 微型燃氣輪機系統結構

采用PSCAD軟件提供的快速傅里葉變換模塊和諧波畸變率計算模塊來計算DG接入電網時的諧波含量，模型如圖3所示。

圖3 諧波計算模塊

采用PSCAD軟件提供的故障生成模塊和故障發生時間控制模型，模擬110 kV變電站內靠近母線的饋線處發生三相對地短路故障，同時配置瞬時電流速斷保護和過電流保護，系統結構如圖4所示。

圖4 故障模擬與保護配置

2 DG接入方案介紹

某產業園區內已建成7棟辦公樓和1座能源站，園區內總負荷約9000 kW。園區內所有負荷全部由一座110 kV變電站的4回10 kV出線通過兩個開閉所進行供電，園區內配電網架采用雙環網接線方式。8棟樓進線外側環網柜編號分別命名為02-01～02-07及01-01，兩個開閉所分別命名為k-1和k-2(環網柜DMY-02-01向02-01樓供電、環網柜DMY-02-02向02-02樓供電、環網柜DMY-02-03向02-03樓供電、環網柜DMY-02-06向能源樓供電、環網柜DMY01-01向主樓供電)。

截至目前，園區內已建設DG共計約2.4 MW，包括樓頂光伏約0.5 MW、能源站燃氣發電機約1.5 MW及停車場光伏0.4 MW。DG裝機容量與系統最大負荷比例為26.7%。

為合理利用DG，本文提出DG的三種接入方案，如圖5～7所示。

2.1 方案1

方案1采取分散接入的方式，該方案中樓頂光伏就地接入所在樓宇的配電低壓側；能源站燃機、停車場光伏經升壓后，接入01-01環網柜所在位置處的辦公樓配電高壓側。

圖5 分散式就地接入方案(方案1)

2.2 方案2

方案2采取集中接入的方式，該方案中樓頂光伏、能源站燃機和停車場光伏升壓后統一接入01-01環網柜所在位置處的辦公樓配電高壓側，并就地管理控制。

圖6 集中式主樓接入方案(方案2)

2.3 方案3

方案3中DG的接入方式與方案2相同，不同之處在于方案3中所有DG升壓后統一接入02-06環網柜所在位置處的樓宇配電高壓側，并就地管理控制。

02-06環網柜所在位置處的樓宇為能源站，該方案可以實現在能源站內對園區所有的DG統一管理。

圖7 集中式能源站接入方案(方案3)

3 算例分析

為便于形成對比，在前述介紹的3個DG接入方案算例的基礎上增加了無DG接入的算例。利用已搭建的DG數學模型，對4個算例分別從以下四個方面進行仿真和對比分析，并最終確定最佳的DG接入方案。

1)不同算例下的產業園區電壓分布；

2)不同算例下的產業園區電網損耗；

3)不同算例下的DG出口的諧波含量；

4)不同算例下的DG接地故障暫態過程。

3.1 電壓分布

圖8和圖9分別為對應4個算例的兩個環網柜供電沿線的電壓分布情況。

圖8 從開閉所k-1到辦公樓4電壓分布

由圖8可以看出，無DG和方案2及方案3的運行條件一樣，均不含任何分布式電源，因此其電壓分布相同，均按照輻射狀配網的規律呈現逐漸降低的趨勢。

圖9 開閉所k-2出線的沿線電壓分布

由圖8可以看出，此運行條件下，方案1相比其余三種方案下的電壓均較高。由圖9可以看出，此運行條件下，方案1、2和3均比無DG方案下的電壓較高。綜合圖8和圖9內容，可以得出以下結論：光伏就地接入，可以減小線路上功率流動，進而可以起到提升網絡電壓的作用。

DG的引入對于電壓降低較大的網絡具有很大的改善作用，但是也會引起電壓降落較小的網絡的過壓問題。針對園區10 kV電網電壓等級高、線路阻抗小、負荷不高的情況，圖10為DG接入對過電壓影響的仿真結果。

圖10 從開閉所k-1到辦公樓4各方案提升電壓比值

由圖10可以看出，方案2和方案3的運行條件一樣，均不含任何分布式電源，因此其電壓均未得到提升，電壓提升為零。

由圖10和圖11可以看出，對于三種方案，方案1對兩條支路的電壓都有減小電壓降落的作用，而方案2和3分布式電源集中在一側，只對開閉站k-2引出的支路電壓有抬升作用。

圖11 開閉所k-2沿線各點提升電壓比值

通過上述仿真結果可知：DG的引入能夠降低電壓降落，且過電壓值遠小于國家標準規定的10 kV電壓偏差允許值，不會引起過電壓問題。

3.2 電網損耗

當DG容量小于電網的負荷總量，并且單個DG不會因為和負荷的不匹配引起線路流動功率大規模提升的情況下，DG的引入實現了功率的本地平衡，能夠減小線路損耗[18]。產業園區每條支路的負荷均為兆瓦級別，除燃機接入支路外，大于所有DG總容量。而燃機運行時考慮到三聯供系統的整體經濟性等因素，一般不會有燃機接入點逆向潮流出現，因此DG接入后呈現出減小配電網線損的優勢。

表1給出四種算例中各段線路損耗值。開閉所k-1支路部分，方案1線損比該支路不含任何DG時有所降低，但因接入光伏容量較小，線損減少并不顯著。開閉所k-2支路部分，其線損水平依次為方案1lt;方案3lt;方案2lt;無DG。

表1 各方案線路損耗比較

上述分析結果表明，DG的接入有效地降低了配電網線損。DG的分散就地接入能夠帶來最大化的線損降低收益。

3.3 諧波分析

電力系統中的諧波源主要是大型的電力電子變流裝置。在含逆變型DG的配電網中，大量電力電子元件的引入，使得諧波含量作為衡量電能質量的重要方面得到了廣泛關注。我國結合電網實際水平并借鑒其他國家標準制定的諧波電壓畸變率規定見表2。對DG各并網點進行仿真分析，其并網點諧波含量結果如表3所示。可以看出，在不同的DG接入方案中并網公共連接點處的諧波水平均控制在國家規定范圍內。

表2 我國諧波電壓畸變率限值(GB/T 14549-93)

表3 3種方案下微網并網點諧波含量

由表3可以看出，方案1中雖然微網系統的并網電壓等級僅為0.4 kV，但是其諧波含量均保持在0.1%以下，遠小于國家標準的5%的限值；在10 kV并網點處，方案1和方案3諧波含量也保持在0.1%以下，僅方案2的諧波含量超過了0.1%，但依然滿足國家標準的4%的限值，并且有著巨大的裕度，不會造成電能質量問題。

3.4 短路保護

本案中線路電壓等級均為10 kV，線路較短，因此在仿真中只在110 kV變電站內靠近母線的饋線斷路器處配置瞬時電流速斷保護和過電流保護。本案著重研究線路短路對原有配電網繼電保護的影響，因此在仿真場景的設計中，同時考慮變壓器對外保護中的過流保護，以及DG自身的對外保護。

圖12為本案中配網保護配置的簡化示意。考慮k-1、k-2各由線路1、2、3、4供電，并配置相應保護。

圖12 配電網保護配置示意圖

針對網絡結構特點，對于線路2而言，當相鄰線路1出口處發生故障時，在DG引入之前，短路電流只由系統流向故障點，DG引入后，DG和系統都會對故障點提供短路電流，線路2接收到由本線路DG引起的反向故障電流，由于保護不具有方向性，因此可能導致線路2的保護誤動，從而保護失去選擇性。線路3和線路4的情況相同，同樣是配置了DG的線路在相鄰線路發生故障時可能引起本線路的保護誤動。針對這種情況，在3種方案的具體場景下進行仿真驗證，為了研究最惡劣故障情況的影響，算例故障點設在線路的出口處，故障類型為三相短路故障。故障測試仿真結果如表4。

表4 各方案故障測試仿真結果

上述結果表明，在原有配電網保護整定下，DG接入相鄰線路出口處的三相短路故障不會引起DG所在線路失去方向性保護誤動，故障線路電流速斷保護能及時切除本線路故障。值得注意的是，在各種方案和兩個不同故障點場景中，實際保護動作時間，即斷路器斷開時間均延遲0.013 s。

圖13給出方案1在線路2出口處發生三相短路時該支路的C相電流仿真結果，圖14則是含DG的相鄰線路4的C相瞬時電流仿真結果，可以看出含DG的線路4在線路2發生故障時電流方向發生了改變，產生了對于線路2的DG反向助增短路電流。通過線路2有無DG兩種場景的結果可以看出，由同一變壓器引出的兩條饋線，其中含DG的支路對于不含DG支路出口發生短路時的助增短路電流的比例很小，不會影響速斷保護的動作時間。綜上兩點原因，使得不同方案和故障點場景下線路保護動作時間保持不變。

(a) 線路2出口C相電流仿真結果

(b) 線路2出口C相電流仿真結果放大圖

圖14 線路4出口C相電流仿真結果

4 結語

DG的引入使得配電網從無源變為有源，改變電網內的潮流，從而影響系統電壓分布、損耗和諧波含量。這也在一定程度上制約了DG的推廣應用。經過本案對產業園區DG接入的仿真驗證，通過3種方案的比較可以看出，采用這3種方案進行產業園區DG接入，均可滿足配網正常的運行要求：各方案對電壓的抬升均在限值以內；損耗略有差別但均保持在數十千瓦內；并網點處電壓諧波含量均滿足國家標準要求；鄰線故障不會因DG的引入而導致本線路保護誤動。而與此同時，這3種方案下，DG在不同程度上均起到了降低線損、提高電壓的作用，對提高電網水平和提高電力用戶電能質量起到了積極作用。

從智能電網的技術發展方向來看，智能電網以實現電網的安全穩定運行、降低大規模停電的風險、使DG得到有效利用、同時提高電網資產的利用率以及用戶用電的效率、可靠性和電能質量為主要目標[19]。本文研究表明，用戶側DG的接入對電網負面影響較為有限，同時可以起到電壓支援、負載平衡[20]、提高清潔能源利用率、提高電網資產利用率、提高用戶供電可靠性(尤其是在以微網方式接入的情況下)等作用，可以作為智能電網目標實現的一個有效手段。

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陸志剛(1978-)，男，碩士，工程師，主要從事大容量儲能技術、新能源并網技術以及電力電子配網中的應用等方面研究。Email:luzg@csg.cn

王 科(1983-)，男，博士，工程師，主要從事大容量儲能及微網技術的研究。Email:wangke@csg.cn

董旭柱(1970-)，男，博士，高級工程師，主要從事智能電網、智能配電網、3C綠色變電站、大容量儲能技術及分布式發電等方面研究工作。Email:dongxz@csg.cn

ImpactofConsumer-sideDistributedGenerationonPowerGrid

LU Zhi-gang1， WANG Ke1， DONG Xu-zhu1， LI Da2， LI Deng-wu2

(1.China Southern Power Grid Research Institute, Guangzhou 510080, China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd., Tianjin 300384, China)

Distributed power generation technologies have gained rapid development in the past few years. However, concerning to the aspects of power quality, protection and so on, while lacking of related standard, consumer-side distributed generation (DG) has not been widely used. This article did some simulation on the way to incorporate distributed generations into a consumer, and analyzed the influence on the aspects of voltage distribution, power loss, humorous wave, protection that the DGs did to the power grid. The research found out that consumer-side DGs can be one of available ways to achieve the main goals of smart grid.

smart grid； distributed generation； power quality； consumer-side； protection； power loss

TM712

A

1003-8930(2012)06-0100-07

2012-06-21；

2012-08-20