分布式電源并網對配電系統的影響研究

谷彩連，冷曉華

(1.沈陽工程學院電氣工程系，遼寧 沈陽 110136;2.國網遼寧省電力有限公司朝陽供電公司朝陽縣供電分公司，遼寧 朝陽 122000)

1 引言

近些年，電力市場化改革不斷深入，燃煤發電和核電的環境成本、經濟成本逐漸增大，用戶對電力供應的可靠性要求日益提高，隨著可再生能源等新的發電技術獲得快速發展，分布式發電(Distributed Energy Resources，DER)得到了越來越多的重視。分布式發電具有很多優點，例如，可降低系統損耗，延緩輸電網和配電網的升級改造，提高供電可靠性以及降低溫室效應等。由于分布式電源的容量較小，一般就近接入配電網。DER接入電網后將改變配電網的潮流分布、短路電流的流向和大小，從而深刻影響了配電網電壓調節控制、繼電保護配置及正確動作、網絡損耗、電能質量及供電可靠性［1］，但同時分布式電源與配電網間的相互作用也將會產生一些問題，如果得不到合理的解決，接入系統的分布式電源可能會降低系統運行可靠性和電能質量，因此如何應對DER的接入是在智能電網建設進程中必須要面臨的新課題。本文分析了DER的接入對電網造成的各種影響，并提出了消除負面影響的措施。

2 分布式電源概述

2.1 風力發電

風力發電是目前新能源開發中技術最成熟、最具規模化商業開發前景的發電方式。利用天然風吹轉葉片，帶動發電機轉子旋轉發電。其運行方式可分為獨立運行、并網運行、與其他發電方式互補運行如與柴油機組、與太陽能光伏發電、與燃料電池發電方式互補等［2］。需要說明的是，風電機組輸出的有功功率主要隨風能變化而調整，一般情況下風電機組不參與系統調頻［3］。

2.2 太陽能光伏發電

太陽能的轉換和利用方式有光熱轉換、光電轉換和光化學轉換等［4］。目前，技術比較成熟的、應用廣泛的是太陽能光伏發電技術，即光電轉換。光伏發電具有不消耗燃料、不受地域限制、規模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優點。國際上利用太陽能光伏發電主要獨立光伏發電系統、聯網光伏發電系統、屋頂發電三類［5］，圖1為并網光伏發電系統的組成結構。

圖1 并網光伏發電系統組成

2.3 冷熱電聯供

冷熱電聯產(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發電過程一體化的供能系統。不僅提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經濟效益和社會效益。圖2為工作流程圖。

2.4 微型燃氣輪機

先進微型燃氣輪機(Advanced Microturbine)是一種新發展起來的小型熱力發電機，其單機功率范圍為25～300kW，其基本技術特征是采用徑流式葉輪機械(向心式渦輪機和離心式壓氣機)，在轉子上兩者葉輪為背靠背結構，采用高效板式回熱器，大多數機組還采用空氣軸承，不需要潤滑油系統，結構簡單。

圖2 冷熱電聯供流程圖

3 分布式電源對配電系統的影響

3.1 電能質量方面

3.1.1 電壓

分布式電源并網后，地區電網的穩態電壓分布發生變化。分布式電源的接入位置和容量對線路電壓分布影響很大。相同容量的分布式電源接入在不同的位置時所形成的電壓分布差別很大，光伏發電介入后將使線路電壓升高，且線路某點電壓變化趨勢與該點后所有負荷大小和光伏發電出力有直接關系的結論［6］;文獻［7］則研究了分布式發電對配電網電壓分布的影響，從DG的容量、接入位置說明了其對電網電壓的影響，提出了改變變壓器分接頭適應DG接入后的電壓，在DG退出后投入電容器進行電壓支撐，或利用調壓器進行調節的方案，但在實際運行的配電網中，某些變壓器并沒有調壓能力。分布式電源總出力越大，滲透率(分布式電源的容量與負荷量的比值)越高，電壓支撐能力越強，整體電壓水平就越高［8］。因此對接入分布式電源后的地區電網的電壓分布進行評估。分布式電源并網不但對地區電網的電壓分布影響顯著，甚至引起電壓穩定性問題［9－10］。一般來說，分布式電源的接入有助于電壓穩定性的提高。但分布式電源采用的接口需要從電網中吸收無功功率時，對系統的電壓穩定性有負面影響。當風電站接入地區電網后，由于風電廠輸入的風能變化的隨機性、間歇性，并且風電常采用異步發電機，需從地區電網吸收大量的無功，所以容易影響整個電網的電壓穩定性，甚至會導致整個電網的電壓崩潰［11］。從這一角度考慮，必須對含分布式電源的地區電網無功電壓調度策略進行研究，保證整個地區電網的無功平衡;同時還必須具體研究分布式電源并網后，對地區電網的電壓穩定性的影響性質和程度。

3.1.2 波形

分布式電源經過基于電力電子技術的逆變器接入配電網。在大型配電網中引入分布式電源后，一些重要母線的諧波電壓水平可能會較高，我們可以采用在諧波電壓水平較高的母線上安裝特殊濾波器來抑制諧波電壓;在含有光伏發電系統的配電網中，我們可以采用多功能逆變器控制策略，在光伏發電系統的逆變器中加入并聯有源濾波器的功能，而且采用參考電壓最大功率點跟蹤控制策略來穩定電壓源逆變器的輸出電流，能夠起到抑制系統諧波電壓的作用。

3.1.3 頻率

分布式發電系統并網運行時的頻率要與地區電網的頻率保持一致。通常情況下，分布式發電系統容量較小，其啟停對地區電網的頻率影響較小。但對于有功出力具有隨機性和波動性的較大規模的分布式發電系統的地區電網，要采用一定的措施，如分布式發電系統與儲能元件相結合，以維持穩定發電出力;或保持電網內具有足夠的調峰電源，否則會引起系統的頻率偏移［12，13］。同時，電力系統的頻率變換會對分布式發電系統的發電機組造成影響，這要求調整分布式發電系統的發電機的轉速，使其頻率與電網保持一致。電力系統是一個實時動態平衡系統，發電、輸電、用電必須時刻保持平衡。常規電源功率可調、可控，用電負荷的預測精度高，但在具有波動性和間歇性分布式發電系統的情況下，有功出力難以精確預測，這給電網調頻帶來一定程度影響。

3.2 配電線路的保護和定位

DG的接入將會增加配電線路的短路電流，進而影響上下游保護的故障判別能力。采用分散接入的DG對短路電流的增量可控制在0.545kA以下，對保護的整定值影響很小;而采用專線接入的DG將對保護的整定值有很大影響［14］。對于基于FTU的故障定位隔離技術，若未引入DG，發生故障時可通過任意兩個相鄰遙測點的電流大小來判斷故障點，即兩點均有或無短路電流，則故障點不在兩點之間，否則故障點在兩點之間;若線路中引入DG，則線路中的某些區段變為雙端電源供電，需要通過兩個相鄰遙測點的電流方向來判斷故障點的位置［15］。

3.3 配網規劃方面

傳統配電網規劃主要是在滿足負荷增長和安全可靠供電的前提下，根據規劃期間網絡中空間負荷預測的結果和現有網絡的基本狀況來確定最優的系統規劃方案。但由于DG并網具有不確定性，使配電網規劃變得較為困難［16］，主要表現為:DG的接入會影響系統的負荷增長模式，使原有配電系統的負荷預測和規劃面臨更大的不確定性，影響后期的系統規劃;在配電網規劃中，通常假定在規劃期間規劃區域內的電網負荷將逐年增加，因此會在規劃中新建變電站，但由于DG的出現和并網，導致難以尋找最優的網絡布置方案，不能得到科學的規劃結果。

3.4 配電網可靠性

在含分布式發電系統的地區電網中，分布式發電系統能部分抵消電網負荷，減少進線的實際輸送功率和提高輸配電網的輸電能力;同時分布式發電系統對地區電網電壓支撐作用可以增強系統的電壓調節性能［17］，對提高地區電網可靠性有重要的作用。當地區電網故障時，微網解列為孤島運行，此時如果分布式發電系統的總容量大于孤島內所有負荷之和，故障隔離后，分布式發電系統能保證非故障區的負荷繼續供電，保證供電可靠性。分布式發電系統的并網對地區電網可靠性也會產生不利的影響。如分布式發的安裝地點、容量、接線方式不恰當，也會降低地區電網的可靠性［18］;或由于維護或故障斷路器跳閘等形成無意識的孤島，可能出現電力供需不平衡，降低電網的供電可靠性。

3.5 配電網網絡損耗［19］

(1)分布式光伏電源接入配電網后，網損變化與分布式光伏電源的出力水平、功率因數和配電網的R/X有關，在不同的分布式光伏電源有功注入水平下，隨著配電網的R/X的增加，網損降低。

(2)隨著配電網負荷水平的增加，較小的分布式光伏電源有功注入水平導致網損略微增加;當分布式光伏電源的有功注入水平很大時，導致網損增加很大。但隨著負荷水平的增加，變化率減小。以超前功率因數運行的分布式光伏電源出力水平較大時，網損變化率對配電網負荷水平的變化更敏感。

(3)配電網的負荷功率因數不同時，分布式光伏電源接入后對網損是降低還是增加取決于分布式光伏電源的功率因數和有功注入水平。

(4)當分布式光伏電源出力水平和功率因數發生變化時，配電網的網損也將發生變化。隨著光伏電源出力水平的增加，配電網的網損變化率呈開口向上的拋物線型。

3.6 對電力市場的影響

分布式電源的接入可能使配電網的某些設備閑置或成為備用。如:當分布式電源運行時，與配電系統相連的配電變壓器和電纜線路常常因負荷小而輕載，導致配電系統部分設備成為相應的分布式電源的備用設備，從而使配電網的成本增加，供電局的效益下降。另外還可能使配電系統負荷預測更加困難［20］。而分布式電源由于規劃布局不合理，中、低壓供電線路長、覆蓋面廣，線路及產品和設備陳舊、老化，并網電量計量方式不當，裝置配置不合理，管理、監督不利，易造成運行中損耗較大、經濟效益低。

3.7 對可用輸電能力的影響

可用輸電能力的大小不僅能夠衡量電力系統安全和可靠性，同時在一定程度上能夠反映電力市場交易雙方獲得利潤的多少，隨著分布式發電的廣泛開展其對的影響不容忽視。文獻［21］建立了精確反映DG輸出功率對線路潮流和節點電壓影響的分析方法及數學模型，該模型定性反映了DG對ATC的影響，當線路容量成為裝設有DG的互聯電網間輸電能力約束時調節DG輸出有功功率來提高ATC，避免了支路堵塞。

4 對策

對減少分布式電源影響的對策和需要解決的內容如表1所示。

表1 分布式電源并網的對策

5 結論

隨著全球資源環境壓力的不斷增大，社會對環境保護、節能減排和可持續性發展的要求日益提高。大電網與分布式光伏發電相結合，被世界許多能源和電力專家公認為是能節省投資、降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性的主要方式之一。本文較為全面的分析了分布式電源并網對配電系統的影響，并提出了相應的對策和研究方向，為后續研究提供重要的參考依據。

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