分布式電源及其并網對電力系統的影響研究

摘要：我國人均資源潰泛，且消耗極快。新能源發電具有綠色環保、可再生的特點，是目前及未來電力行業主要發展方向。隨著新能源發電及并網規模的不斷擴大，在其并網過程中給電網帶來的種種不利影響也漸漸浮現，且愈加嚴重，本文對分布式電源進行簡單介紹，然后從多角度研究分析了對新能源并網給電力系統帶來的各種問題，并相應的給出一些解決措施，以供參考。

關鍵詞：新能源;發電技術;分布式電源;并網

1?緒論

隨著全球能源消耗的急劇增加，國際社會對能源問題和環境污染問題愈加重視。傳統的煤炭、石油等化石燃料儲備量越來越少，開采也更加困難，并且以此發電存在包括影響環境問題在內的眾多局限。因此加快開發、充分利用可再生能源進行發電就顯得更加緊迫。

新能源發電規模的急劇增加，其構成的微電網并入配電網的規模也越來越大，在提高能源利用率的同時也對電網的穩定運行也產生了不可忽視的影響，比如說降低了電網的電能質量、影響了系統的潮流分布等。對這些問題的深入研究對未來新能源發電技術的進一步發展與應用具有重要的意義。本文首先對分布式電源及并網標準進行簡單介紹，然后結合仿真圖形從多角度研究分布式電源并網后給電網帶來的種種影響，并相應的給出一些解決措施。

2?分布式電源

所謂分布式電源就是一些滿足周圍小負荷用電需求的小型電源，具有裝機容量小，環境影響小，靈活性好的特點。分布式電源還具有方便邊遠偏僻地區用電、減少輸配電成本、緩解大電網供電壓力等種種優點。目前太陽能光伏發電、風力發電、燃料電池、微型燃氣輪機、生物質能發電等都可實現并網運行[1]。其中應用范圍最廣、并網規模較大的主要是光伏發電和風力發電。我國風力發電并網容量居世界首位，截至2019年底，已突破2.1億千瓦，占總發電量的比例達5.5%，并且風電規模的增長速速遠高于其他形式的發電規模增速。以下主要是基于光伏發電和風力發電進行研究。

3?分布式電源并網對配電網的影響

3.1?并網標準

分布式電源必須滿足一系列的要求后才能進行并網運行，包括電能質量、功率控制、安全保護等[2]，同時并網時還要滿足同步的要求，即分布式電源的電壓幅值、頻率、相角需與配電網電壓幅值、頻率、相角維持在一定允許的誤差范圍內。分布式電源并網總容量不應超過上級變壓器供電范圍內最大負荷的25%[3]。當并網電壓不超過380V時，相應的并網容量不應超過200kW，容量超過200kW時宜接入電壓等級為6kV及以上的電網。

3.2?對電網電壓的影響

新能源并網對電網電壓的影響主要體現在影響饋線穩態電壓，導致電壓的波動與閃變。太陽能光伏發電受光照強度和溫度影響輸出功率極其不穩定，同樣風力發電受天氣、風量、風速的影響，輸出功率變化幅度也較大，這些是導致電網電壓波動、閃變的直接原因。新能源發電裝置啟動與關停的過程中會對配電網產生過大的沖擊電流，這也極易導致電網電壓的波動與閃變。配電網短路容量越大，則該區域電網越穩定，受并網影響越小。如果并入的配電網自身穩定性差，則需通過合理規劃并網點，選用恰當的線路阻抗比，并選擇合適的電壓等級來降低并網影響。

新能源發電系統中的變換器是典型的電力電子裝置，大規模并網后將導致配電網無功功率下降，需要對電網進行無功補償。而應用最多的無功補償方式就是投切電容器組、改變變壓器分接抽頭來實現電壓的調整[4]。但是，當并入電網的新能源發電規模較大時，其功率波動對電網的影響也就較大，這時候對配電網電壓的調整就變得更加困難了，常規的調壓方式很可能就無法滿足電網正常運行的需求。如圖1所示，新能源電站接入電網后饋線電壓偏差發生了明顯增大，特別是饋線遠端，幾近越限。因此要制定更加合理、完善的調壓方案保證并網前后電壓穩定。

3.3?對電網諧波的影響

新能源發電系統中存在大量的電力電子裝置，如并網光伏逆變器、風電系統中的交-直-交變頻器等。當其并網時，電網中相當于接入了大量易產生諧波的非線性負荷。并且其產生的諧波電流波形不穩定，如果電容器、電抗器發生諧振的話還會使其畸變程度加重[5]。經驗表明，即使一臺逆變器產生的諧波電流很小，但是多臺逆變器并聯運行后產生的諧波量也極有可能超標，這給電網穩定運行帶來了極大的安全隱患。

新能源發電系統的輸出功率波動大，出現間歇性變化會導致諧波的出現。圖2、圖3所示為PSCAD軟件仿真所得風電機組在恒風速/陣風擾動下輸出電流頻譜圖，基本風速設為11m/s，擾動風速為1m/s，擾動周期為0.2s。對比分析可知，當風速不穩定時，輸出電流中低次諧波含量大大增加，波形畸變嚴重。

3.4?對電網頻率的影響

電網頻率是衡量電能質量的重要指標，頻率穩定是電網安全穩定運行的重要前提。如圖4所示，當新能源并網的容量較小時，對電網頻率的影響也很小，但是隨著新能源發電裝機規模的越來越大，并網容量占電網總容量的比例也越來越大，新能源機組產生功率波動時就極容易導致電網內發生頻率異常波動。以風力發電為例，風電廠的功率波動是符合某一函數關系的，當風電機組的穿透功率為18%，功率波動最嚴重時頻率偏差就會接近允許的偏差極限。

3.5?對電網保護的影響

大規模新能源發電機組接入電網后不但使電網故障幾率增大，而且會使配電網的故障特征發生改變，這樣原有的饋線的保護都將受到影響，也增加了設置繼電保護和自動裝置電路的難度。

原本電網是單電源輻射式網絡，當新能源系統接入后就變成了雙電源或多電源的復雜網絡，這樣故障電流的大小、流動方向以及持續的時間都將發生改變，原有的繼電保護裝置可能就不再適用，從而增加了發生保護裝置拒動、誤動的概率。根據配電網中變壓器的接線方式不同，與變壓器相連接的逆變器會形成一條額外的接地回路，會影響零序電流的流經路徑，當系統發生單相接地故障時未短路相的對地電壓會變的更大。這些電量的改變都將影響保護裝置的動作特性。

4??優化新能源發電并網的措施

由以上分析可知，新能源并網給公共電網帶來的種種問題或多或少都與新能源發電的波動性和間歇性有關。對于自然因素我們當然無能無力，因此應對波動性和間接性主要還是得從新能源發電裝置本身或是配電網入手。首先，使用的發電設備在技術性能上必須滿足并網標準的需要。比如安裝電能質量實時監測裝置，對電力系統中的電壓波動、電壓偏差以及諧波情況進行實時動態監控[6];同時還要安裝動態無功補償裝置，該裝置一般安裝在新能源裝置電源低壓出線端，也就是并網變壓器的低壓一側，這是改善電能質量最常用、最有效的方法之一。一旦監測裝置發現電壓異常，無功補償裝置可以快速調節無功出力情況，以此維持接入點電壓穩定。

針對并網運行產生的諧波污染問題，可以采用多脈沖變流器、安裝電力濾波裝置，進行主動降低或是被動過濾發電裝置產生的諧波電流[7]。在光伏電站中可以采用兼具濾波功能的光伏并網逆變器，在風力電廠中可以在諧波電流含量較高的母線上使用靜止無功補償裝置來綜合濾除諧波電流。

采用超級電容器也是一種改善電能質量的有效措施。超級電容器是一種新型的儲能裝置，與蓄電池和普通電容器相比，它的充放電速度更快，功率密度更高，可達102～104?kW/kg。正是基于超級電容器的這種固有特性，它可以快速有效地控制電網的有功功率和無功功率，解決新能源發電裝置因環境等因素產生的瞬時電壓驟升驟降問題或者是停電問題，有效緩解電壓波動。

此外，從配電網入手也是解決并網帶來的電能質量問題的重要途徑。比如說優化電網結構、合理選擇電路的阻抗比。

5?結語

新能源發電具有綠色、清潔、節能環保、可再生的特點，發展潛力巨大。但由于新能源發電的間歇性、波動性，在并網的過程中會給電網電能質量帶來一列的不良影響，最主要的就是電壓波動、閃變以及諧波問題。解決這些問題主要有兩大思路，一是優化新能源發電系統，二是從配電網入手。為保證電網的持續安全穩定運行，推動我國新能源事業的發展，對新型改善電能質量的措施研究必不可少。

參考文獻：

[1]陳曈，張偉波，周宇昊，楊帆，李富國，王世朋.分布式能源系統常用儲能技術綜述[J].能源與環保，2019，41（07）：138-142

[2]孫曉，李妍.新能源并網及儲能技術研究綜述[J].通信電源技術，2020，37（02）：12-14.

[3]鄧超.分布式電源并網對配電網的影響[J].低碳世界，2015，（9）：70-71.

[4]丁明，王偉勝，王秀麗，宋云亭，陳得治，孫鳴.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（01）：1-14.

[5]肖湘寧，羅超，廖坤玉.新能源電力系統次同步振蕩問題研究綜述[J].電工技術學報，2017，32（06）：85-97.

[6]朱文杰.分布式光伏發電系統的并網技術應用[J].集成電路應用，2020，37（09）：76-77.

[7]宋平凡，佟勝偉，段森園.新能源發電并網對電網電能質量的影響分析[J].通信電源技術，2019，36（12）：139-140.

作者簡介：張登義（1970—??），男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣自動化。