分布式電源并網對于配電網的影響研究

沈 鑫 曹 敏

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院 昆明 中國 650217）

1 引言

分布式發電（Distributed Generation，簡稱DG），通常是指發電功率在幾千瓦至數百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電單元。主要包括：以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、太陽能發電（光伏電池、光熱發電）、風力發電、生物質能發電等。它的投資少、占地小、建設周期短、節能、環保，對于高峰期電力負荷比集中供電更經濟、有效。分布式發電可作為備用電源為高峰負荷提供電力，提高供電可靠性；可為邊遠地區用戶、商業區和居民供電；可作為本地電源節省輸變電的建設成本和投資、改善能源結構、促進電力能源可持續發展。

盡管分布式發電技術有諸多優點，但接入大電網后給電能質量和電能調度運行帶來了一系列影響：分布式發電以電力電子技術為基礎，在電力系統中應用了大量的電力電子轉換器，它們擔負著能量的傳遞和負荷的投切等重要功能。隨著電力電子技術的廣泛應用與發展，供電系統中增加了大量的非線性負載，引起電網的諧波污染，對電網安全穩定運行產生較大影響。目前，較為常見的電能質量問題有：頻率偏移、長時電壓偏移、短時電壓偏移、電磁暫態、三相不平衡、波形失真、電壓波動和閃變等，其中波形失真中的諧波問題是最近幾年才被逐漸重視的。隨著分布式發電的引入，將帶來引起電壓閃變的其他因素。這些因素主要是以下幾個方面：某個大型分布式單元的啟動，分布式單元輸出的短時劇變，以及分布式單元與系統中電壓反饋控制設備相互作用而帶來的不利影響。由于電力電子器件大量應用于分布式發電中，其非線性的特質造成電力系統中存在大量的諧波。諧波的出現增加了電站和用戶設備的功率損耗，使敏感負荷或者控制設備發生故障。電網波形中諧波成分比例過大，會使一些電力設備壽命減少，如變壓器、發電機、電容器等。同時帶來諧波的幅度和階次也對電網的安全運行帶來了巨大的影響。本文就分布式發電的三種具體形式（風力、太陽能、光伏）的電能質量問題進行了分析，并且指出了解決電能質量問題的潛在優勢、給出了可行的研究方案以及思路。

2 分布式發電的優勢

目前電能生產、輸送和分配的主要方式分別是集中發電、遠距離傳輸以及大電網互聯。由這三種方式組成的電力系統承擔著全世界 90%的電力負荷。但是它也存在著局部事故易擴散、容易受到戰爭或者恐怖勢力破壞以及無法靈活跟蹤電力負荷等等弊端。而分布式發電有著自身特有的優勢，下面將對其作簡單的介紹[5-14]：

（1）節能降耗

首先，分布式電源供電距離較集中發電方式短得多，網損降低明顯；其次，分布式電源則能夠提供多種形式的能量，能實現能量的梯級利用，典型的是冷、熱、電三聯產，符合“溫度對口、梯級利用”的原則，從而大大提高了能源的總體利用效率。

（2）減少空氣污染

分布式發電以天然氣、輕油等清潔能源和風力、水力、潮汐、地熱等可再生能源為發電原料，能夠有效減少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害氣體的排放。同時，由于分布式能源系統發電的電壓等級比較低，電磁污染比傳統的集中式發電要小得多。

（3）提高電網的經濟性和可靠性

由于分布式發電的削峰填谷、平衡負荷的作用，現有發輸電設施的利用率將大大提高，那些利用率極低、僅為滿足高峰負荷需要的發輸電設施將不再有建設的必要，大大地提高了電網的經濟性。此外，分布式發電還可以作為備用電源為高峰負荷提供電力，通過自身開停機方便、操作簡單、負荷調節靈活的特點，與大電網配合，彌補其安全穩定性方面的不足，在電網崩潰和意外災害情況下也可維持重要用戶的供電，大大提高供電可靠性。

（4）提高電能質量

分布式電源內部通常都設有就地電壓調整和無功補償，從而保證了電能的質量。此外，分布式電源的投資相對大電網、大電廠而言非常小，風險也較小，并且建設周期短，有利于短時間內解決電力短缺的問題。

3 分布式電源并網對于配電網的影響

3.1 風力發電并網

風力發電作為技術最成熟、最具規模化的新型發電方式，其發展速度居于各種可再生能源之首，其具有環保可再生、全球可行、成本低且規模效益顯著的特點。但是我國風能資源豐富地區距離負荷中心較遠，大規模的風力發電無法就地消納，一般通過輸電網遠距離輸送到負荷中心。在風電場的風電出力較高時，大量風電功率的遠距離輸送往往會造成線路壓降過大，風電場的無功需求及電網線路的無功損耗增大，電網的無功不足，局部電網的電壓穩定性受到影響、穩定裕度降低。近年來，風力發電技術進步很快，但大規模風電引入電網，對系統穩定性、電能質量等產生的一些負面影響仍然不容忽視[9][13]。

（1）由于風能具有隨機性、間歇性，風電機組輸出的電能也是波動、隨機變化的，具有不可控的特點，因而穩定性較差，不能保證不間斷供電；

（2）雖然目前風力發電機組大多采用軟并網方式，但并網瞬間會產生較大的沖擊電流，如果地區電網較弱，風電機組在出現系統故障清除后無法重新建立機端電壓，風電機組將運行超速失去穩定，會引起地區電網暫態電壓穩定性的破壞；

（3）當風速超速時，風電機組會從額定狀態自動退出運行，風電機組的投切產生的電壓波動和閃變是風力發電對電網電能質量的主要負面影響之一；

（4）由于風速的隨機波動特性以及風電機組運行過程中受湍流、尾流效應、塔影效應的影響，導致并網風電機組的輸出功率波動，從而引起電網電壓波動和閃變等電能質量問題，隨著風速的增大，電壓波動和閃變也越明顯；

（5）當風電在電網中所占比例較大時，若風機在系統發生故障時采取被動保護式解列方式，則會增加整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統其他機組全部解列，此時對風電機組必須要求風電機組具有相應的低電壓穿越能力。

3.2 太陽能光伏發電并網

太陽能光伏發電技術是利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉換為電能。光伏發電系統通常分兩大類：一是獨立光伏發電系統，二是光伏并網發電系統。其中，光伏并網發電系統已成為發達國家發展太陽能發電的主要選擇。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。但光伏發電系統受環境溫度、太陽光照強度和天氣變化影響，具有隨機波動性，造成發電功率的劇烈變化[15-16]。

（1）由于陽光的晝夜變化，光伏發電裝置只在白天工作，晚上切離電網，不但影響了設備的利用效率，且頻繁投切也會對電網的穩定性造成影響；

（2）光伏并網發電系統受日光照射的影響較大，發電量時常變化無常，而配電網中除了通過投切電容電抗器調節電壓外，一般很少具有其他的動態無功調節設備，如果該類發電量所占比例較大，其具有的易變性將使配電線路上的負荷潮流也極易波動且變化較大，從而加大了電網正常運行時的電壓調整難度；

（3）光伏發電對電網的另一個負面影響是諧波污染。光伏發電系統一般通過逆變裝置轉換才能接入公共電網，這些逆變裝置通過適當的控制策略能夠實現有功和無功的解耦控制，在一定程度上實現了補償無功，控制功率因數和抑制諧波的作用。在實際的運行過程中，當逆變器輸出輕載時，諧波會明顯增大；

（4）當光伏并網系統越來越多時，產生孤島效應的概率也將增加。當太陽能并網發電系統切換成孤島方式運行時，如果該供電系統內無儲能元件或其容量太小，會使用戶負荷發生電壓閃變。若太陽能供電系統脫離原有的配電網后，其原來的單相供電模式可能造成其他配電網內出現三相負載不對稱的情形，因而可能影響到其他用戶的電壓質量。

3.3 微型燃氣輪機發電并網

微型燃氣輪機是指功率為數百千瓦以下的以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機。與其他發電技術相比，微型燃氣輪機通過回熱等有效措施提高系統熱轉功效率，微汽輪機發電效率己從17～20%上升到當前的26～30%，但以微型燃氣輪機作為動力的簡單分布式供電系統熱轉功效率依然遠小于大型集中供電電站和其他類型分布式發電技術。但微汽輪機具有污染小、結構簡單、故障率低、可靠性高、投資風險小、能在短時間內安裝1.7～40MW 以上容量等優點。它是目前最成熟，最具有商業競爭力的分布式電源之一。

通常情況下，微型燃氣輪機的輸出功率與燃料量有關，因此，它的有功功率是可以控制的，與風電和光伏發電系統不同。對于需由變流轉換裝置并網的微型汽輪機，同樣存在因電力電子設備整流逆變帶來的諧波污染問題。

3.4 分布式電源并網對電網電能質量的影響

綜合3.1-3.3 的分析以及其它相關的研究，可總結出分布式電源并網對于電網電能質量的影響如下：

受環境和氣候條件、用戶需求、政策法規等因素的影響，分布式電源的起停與投切，其不確定性易造成配電網明顯的電壓波動和閃變。同時，分布式電源的控制設備和反饋環節的相互作用也會直接或間接引起電壓閃變；

分布式電源采用基于電力電子技術的逆變器接入配電網，與傳統電網的方式有很大不同，開關器件的頻繁開關易產生開關頻率附近的諧波分量，對電網造成諧波污染；

分布式電源常位于配電網的終端，離負荷較近，輸出的無功會使負荷節點處電壓升高，甚至超出電壓偏移標準。當分布式電源退出運行時，受其影響較大的節點負荷又因缺少電壓支撐而遭受低電壓等嚴重電能質量問題，受影響程度的大小與分布式電源的類型、位置和容量有關；

大量分布式電源在電網隨機投入和退出運行加大了電力系統負荷預測的不確定性，使配電系統規劃者難于準確預測負荷增長情況；配電網規劃是動態規劃問題，其動態屬性同其維數密切相關，系統增加的大量分布式發電機節點，使得在所有可能網絡結構中尋找最優網絡布置方案更加困難；

分布式電源出現改變了配電系統單向潮流結構，使潮流大小和方向無法預測。根據分布式電源安裝位置不同，饋線段的潮流可能增加也可能減少，當饋線上分布式電源輸出功率大于負荷需求時，會造成饋線的某些段或者全部潮流完全反向，潮流的改變導致原有電壓調整設備如有載調壓變壓器失去了正常調節作用；

分布式電源接入系統可能會影響系統的運行可靠性和安全性。對于典型放射狀配電系統，分布式電源出現改變了電網結構，改變了短路電流大小和持續時間，導致按原有網絡設計的保護裝置誤動作，破壞保護設備間的協調運行，妨礙了自動重合閘動作。特別是當短路電流大于原有系統斷路器中斷容量時將導致設備損壞。

4 電能質量改善方法

4.1 潛在優勢

近年來，分布式發電技術以其獨有的環保性和經濟性引起人們越來越多的關注，許多國家已經制定了宏偉的分布式能源系統研究發展計劃，并進行了多方面的相關研究。分布式電源能夠及時快速的提供電能，當電網關聯負載較大時，分布式電源在相關控制策略下在盡可能短的時間內投入使用，使系統盡可能少的減少故障，從而提高整個電網系統的穩定性。在抑制諧波、降低電壓波動和閃爍以及解決三相不平衡方面，目前已經有幾種裝置可供選擇。技術已經相當成熟的有無源濾波器、靜止無功補償裝置（SVC）等，隨著高性能的電力電子元件（例如GTO、IGBT、LTT 等）的出現以及微處理和微電子技術、信息技術和控制技術的發展，美國電力專家提出了柔性交流輸電系統（又稱FACTS），現在主要的 FACTS 裝置有：靜止無功補償（STATCOM），晶閘管控制的串聯投切電容器（TSSC）、可控串聯補償電容器（TCSC）、統一潮流控制器（UPFC）等。作為FACTS 技術在配電系統應用的延伸——DFACTS 技術（又稱 Custom Power 技術）已成為改善傳統集中式發電系統電能質量的有力工具。該技術的核心器件是IGBT，目前主要的裝置有：有源濾波器、動態電壓恢復、配電系統用靜止無功補償器、固態切換開關等。APF是補償諧波的有效工具，DVR 是抑制電壓陷落的有效裝置。以上改善電能質量的技術是建立在電力電子技術和通信控制技術的基礎上的，而分布式發電正是建立在電力電子技術、計算機、通訊技術和控制技術發展的基礎上，這樣新型電力系統使得復用自身的電力電子轉換器成為可能，利用現有電力電子設備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實現電能的傳輸轉換，而且改善了系統的電能質量，減少了系統的額外投資。實現以上功能要建立精確的控制策略，分布式發電自身的電力電子轉換設備不可能完全代替改善傳統電網電能質量的設備技術，能夠將分布式發電設備應用到DFACTS 技術中去，不僅提高了電能質量水平，而且減少了設備投資。

4.2 分布式發電并網的電能質量標準

與大電網聯接的分布式能源系統的研究，國內外的研究都在不斷進行。通過多年的研究，也逐漸總結出了分布式發電的一些并網標準。

（1）電流諧波

由于分布式發電所發出的電能大多數并非正弦波特征，所以必須引入大量的整流設備以及換流裝置。該類設備使用壽命較長，屬于靜止、不轉動的設備，具有故障較少、運維簡單以及高效等明顯的優點：

目前，整流裝置在分布式發電方式中已經得到廣泛應用。但是整流裝置會導致負荷電流波形的非正弦畸變。因此，就整流裝置來說，既是一個從電力系統吸收功率的負荷又是一個諧波能量的“源”。

分布式發電的相關電力電子裝置產生的諧波除了特征次諧波外，還有非特征次諧波，對于特征次諧波的研究工作，已有很多文獻描述在這里不做展開。對于非特征次諧波，它在系統中因非理想工作條件而存在。其量雖然小，但是在某些條件下，它們可能被放大至超過允許值，甚至與系統間產生不允許的諧振，因此應該引起重視。《公用電網諧波》中對總諧波失真（THD）電壓50Hz 時作出了相關規定。

（2）閃爍

發電機如風力渦輪機輸出功率的快速變化、負荷電流迅速變化、電弧爐或感應電動機啟動等都是引起閃爍的原因。為了減少或避免閃爍，許多國家要求最大安裝功率比共同耦合點的短路功率小幾倍，分布式電源不得發出其他電力系統客戶不能接受的可觀測的閃爍。

IEEE 519-1992 規定了最大電壓閃變限制曲線。美國大多數州的互聯要求參照此限制，得克薩斯州要求電壓閃變不超過公共端的電壓3.0%。而歐洲奧地利要求電壓閃變不超過公共端的電壓4.6%。

（2）直流電流注入

當分布式電源功率轉換器直接與電網連接（不帶隔離變壓器），就有可能向電網注入直流電流，從而導致變壓器和電動機飽和以及發熱，并由此產生諧波電流。特別是當分布式電源功率轉換器內部故障時，就會有連續直流電流出現。在并網模式，通常由分布式電源來控制直流電流注入。從各國和國際準則看，目前分布式逆變器注入的直流電流范圍從0.02～1A 或0.5%至5%的額定電流。

IEEE 929 和IEEE P1547 規定DG 注入的直流電流不應超過0.5%的額定電流。

4.3 可行的研究方案及其思路

近年來，我國為減小頻率和電壓偏差，也開始實施電網調度自動化、無功優化、負荷控制以及許多新型的調頻、調壓裝置的開發和應用。在發達國家，作為普及的FACTS 技術在配電系統應用的延伸，DFACTS 技術逐漸成為電力公司和用戶的最優選擇，目前主要的 DFACTS 裝置有：有源濾波器（APF）、動態電壓恢復器（DVR）、配電系統用靜止無功補償器（D-STATCOM）、固態切換開關（SSTS）等。此種技術的基礎正是現代電力電子技術及其相關的檢測和控制技術，尤其是可控硅器件的水平和經濟實用性。未來電力系統發展的必然趨勢是分布式發電，分布式發電技術也是基于這些技術才可以得以發展，所以充分結合現有改善電能質量的有效技術，探討分布式發電帶來電能質量新問題的成因，這將是一種十分可行的研究方案。下面將提出一些具體的研究內容：

（1）大量電力電子器件應用到分布式發電，將會給電能質量問題帶來新的挑戰，對未來可能出現的問題進行合理的預測是非常必要的，例如設備的全壽命周期管理，對設備、元器件的使用狀態和使用年限有準確、科學的預估及準備；

（2）分布式發電本身可以產生大量的有功和無功，在合適的節點位置安裝適量的無功電源（安裝靜止無功補償器SVC、投切電容器組）進行補償以降低網損并保證節點電壓在允許的范圍，合理的應用這些無功來改善電能質量，完善并網潮流優化；

（3）將分布式發電自身潛在優勢充分的利用在改善電能質量，制訂合理的控制策略，開發高性能的電能質量在線監測裝置.滿足某些企業用戶對電能質量監測的高端應用要求，提高電能質量監測數據的分析應用能力，實現電能質量監測數據專家級分析功能；

（4）分布式發電無法解決自身的所有問題，可以將傳統電網改善電能質量的技術引入到分布式發電中。這種兼容并包的研究思路既可以減少開發研究時間，又可以保證電能的高質量。分布式發電廣泛應用到電力系統，傳統的檢測和分析方法很難適應于電能質量的評估，因此有必要對此進行研究。

5 結語

近年來，我國堅強電網建設效果顯著，特高壓直流輸電，柔性直流輸電技術都達到了世界一流水平，傳統集中式大電網不斷加固、加強。但是電力未來發展方向中分布式發電的重要性還沒有引起足夠的關注，我國對此的研究雖然還處于剛剛起步階段，對此方向投入的精力和物力，鼓勵相關人員對此方向進行的研究都還不夠。雖然分布式電源所帶來的電能質量問題是任何發電方式都不能避免的問題，但是越早對其進行研究，將對我國分布式發電的發展起到積極的促進作用。隨著分布式電源水平的不斷提高、設備性能的不斷改進，分布式電源并網引起的電能質量問題也將被逐步解決，分布式電源也會逐步占據能源綜合利用上最重要的位置。

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