低電壓分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響探討

國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 周治伊 周 昭 國網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度中心 郝如海

隨著社會的高速發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求不減反增。傳統(tǒng)的化石能源如石油、煤炭等儲存量有限，開采難度大，且以化石燃料為能源的發(fā)電方式會給環(huán)境帶來污染，能源的急劇消耗導(dǎo)致能源緊缺。近年來，為響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展理念號召，大力提倡發(fā)展新能源發(fā)電，分布式光伏發(fā)電技術(shù)逐步走向成熟并在一定領(lǐng)域取得顯著成果。小容量分布式電源通過配網(wǎng)并入電網(wǎng)，這些電源規(guī)模日益擴(kuò)大，絕大部分電源的數(shù)據(jù)未接入電網(wǎng)調(diào)度部門，調(diào)度部門無法對其進(jìn)行實時監(jiān)控、調(diào)度管理，然而大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及電網(wǎng)保護(hù)等造成影響，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

1 分布式電源的發(fā)展趨勢

分布式電源是一些滿足周圍小負(fù)荷用電需求的小容量電源，通常接入35kV及以下電壓等級電網(wǎng)。一般容量在幾千瓦到50MW之間，具有裝機(jī)容量小、環(huán)境影響小、靈活性好的特點，其發(fā)電方法就是利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源就地發(fā)電，供區(qū)域范圍內(nèi)居民的生活用電。文獻(xiàn)[1]中指出分布式電源的先進(jìn)技術(shù)主要體現(xiàn)在對以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電以及潮汐能發(fā)電為主的自然資源的利用，且大部分資源都以分散形式分布在居民生活區(qū)域內(nèi)。有些地區(qū)位置偏遠(yuǎn)、人口稀少，使得輸送電難度加大，相應(yīng)的成本也增加。分布式電源為部分尚未覆蓋電網(wǎng)的地區(qū)用戶提供了電能服務(wù)，起到了至關(guān)重要的作用。近年來分布式發(fā)電技術(shù)的高速發(fā)展有效緩解了能源緊張程度，促進(jìn)了環(huán)保事業(yè)發(fā)展，方便了偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電，減少輸配電線路運維成本，緩解電網(wǎng)的供電壓力等，是未來發(fā)展的必然趨勢。

我國人均可利用資源匱乏，合理利用自然資源、提高資源利用率是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要一步。而我國建筑屋頂資源豐富、分布廣泛，充分發(fā)揮該優(yōu)勢開發(fā)建設(shè)屋頂式分布式光伏。《國管局：158.6萬家機(jī)關(guān)將率先推進(jìn)光伏項目降能耗》指出，國管局要求政府機(jī)關(guān)辦公樓建設(shè)屋頂式分布式光伏，推動節(jié)約型機(jī)關(guān)的建成，預(yù)計2025年前80%縣級及以上機(jī)關(guān)建設(shè)達(dá)到要求。在國家政策的影響下開展可再生能源替代行動，分布式光伏在未來的發(fā)展?jié)摿薮蟆ｋS著可持續(xù)能源的發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)逐步成為電力行業(yè)的新興技術(shù)，對未來新能源的發(fā)展具有重要意義。而分布式光伏發(fā)電技術(shù)作為分布式電源最為重要的發(fā)電技術(shù)之一，利用豐富的太陽能資源發(fā)電，因此光伏發(fā)電技術(shù)在我國電力行業(yè)發(fā)展中具有廣泛無可估量的市場應(yīng)用前景[2]。隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并入低電壓配電網(wǎng)的規(guī)模在不斷增大，在電網(wǎng)中占比也越來越高，并入電網(wǎng)后對電網(wǎng)影響的問題也逐步地顯露出來，電網(wǎng)的電壓分布、電能質(zhì)量及運行穩(wěn)定性也隨之受到影響，因此分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響研究就顯得十分重要。

2 分布式電源對電網(wǎng)的影響

對電網(wǎng)電壓的影響。分布式電源大規(guī)模的并網(wǎng)對原有配電網(wǎng)電壓影響主要體現(xiàn)在電壓的波動。電網(wǎng)的潮流分布決定了電網(wǎng)各個節(jié)點電壓大小，所以電網(wǎng)中電源的輸出功率發(fā)生變化時，電網(wǎng)中各個節(jié)點電壓大小也必然發(fā)生變化。而分布式電源依賴的自然資源有很多不確定性。如每天的光照強(qiáng)度不一致必然影響分布式光伏發(fā)電，導(dǎo)致其輸出功率波動不定，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，高峰時期波動頻率達(dá)到10次/小時。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則受氣候條件風(fēng)速的波動和方向影響。風(fēng)速和方向的不確定變化是直接導(dǎo)致其輸出功率不穩(wěn)定的主因。因此在含有分布式電源的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出隨機(jī)性變化是導(dǎo)致電壓波動因素之一。另一方面，分布式發(fā)電機(jī)組的投運和退出也極易引起電壓波動。配電網(wǎng)系統(tǒng)的短路容量越小、電網(wǎng)電壓的波動受分布式發(fā)電系統(tǒng)影響就越大[3]。往往分布式電源并入的低壓配電網(wǎng)其短路容量較小，因此電網(wǎng)電壓受到的影響就較大。

對電網(wǎng)頻率的影響。頻率是電力系統(tǒng)中重要運行參數(shù)，頻率小范圍的變化，可能會影響用電電器的正常使用，頻率大范圍的變化則會危害發(fā)動機(jī)的安全運行，使得電網(wǎng)瓦解。電源輸出與用電負(fù)荷間的有功是否平衡決定了系統(tǒng)頻率是否穩(wěn)定。而分布式電源的輸出功率隨機(jī)波動導(dǎo)致接入低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)有功不平衡，從而引起整個電力系統(tǒng)的頻率變化。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度變化使得有功出力達(dá)到峰值，如系統(tǒng)其它機(jī)組不相應(yīng)的減少有功出力、系統(tǒng)有功平衡遭到破壞，可能就會引起系統(tǒng)頻率變化。同樣的，分布式電源接入電網(wǎng)的容量較小時對電網(wǎng)頻率的影響也較小。但如今分布式電源發(fā)展迅速，規(guī)模在日益擴(kuò)大，并入低電壓配電網(wǎng)后極易引起系統(tǒng)頻率的變化。

對電網(wǎng)諧波的影響。近年來大規(guī)模分布式電源并入給電網(wǎng)帶來不少影響，隨著電力裝置的使用，大量非線性和不對稱元件增加，諧波的產(chǎn)生也隨之增加。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，作為其核心逆變器就是一個諧波源[4]。太陽能通過光伏發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化為直流電，直流電通過逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠼尤腚娋W(wǎng)，其中逆變器就會產(chǎn)生諧波。諧波不僅會對電力裝置帶來附加損耗，還會引起設(shè)備局部過熱、噪聲和諧波過電壓等，為電力裝置的安全運行帶來了隱患。諧波還會干擾通信，在一定程度上影響通信設(shè)備和人員的安全。另外對繼電保護(hù)裝置也有一定干擾，引起裝置誤動和拒動。

對電網(wǎng)保護(hù)的影響。我國大部分低電壓配電網(wǎng)采用的是單電源放射性網(wǎng)絡(luò)，因此電網(wǎng)的電流和功率的方向都是單一的[5]。一般情況下低壓配網(wǎng)的保護(hù)采用的是三段式電流保護(hù)，保護(hù)裝置不會設(shè)置其它方向元件。并網(wǎng)后配網(wǎng)一旦發(fā)生故障，不僅原有配網(wǎng)系統(tǒng)會對故障點提供短路電流，分布式電源也會對故障點提供短路電流，前者提供的短路電流繼電保護(hù)裝置是可以感知的，由于目前分布式電站的數(shù)據(jù)尚未接入調(diào)度部門，后者提供的短路電流繼電保護(hù)裝置無法感知，無疑是加大了電網(wǎng)繼電保護(hù)的難度。另一方面，隨著分布式電源并入低壓配網(wǎng)，改變了配網(wǎng)結(jié)構(gòu)、使其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，潮流方向的改變可能會引起保護(hù)裝置的誤動和拒動，從而使得電網(wǎng)故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 電網(wǎng)的優(yōu)化措施

分布式電源的發(fā)展緩解了能源緊張，為部分地區(qū)用戶提供了電能服務(wù)，但還是伴隨了一些問題。從以上對電網(wǎng)影響的研究可看出，自然資源的波動性較大，導(dǎo)致分布式電源輸出功率的變化不定，從而對并網(wǎng)后的電網(wǎng)有一定的影響。隨著分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)，引起系統(tǒng)電壓波動、頻率變化，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降，居民的生活水平也隨之下降。因此對發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化，減小對并網(wǎng)的影響是很有必要的。

對于自然條件的波動和不可控性是無法入手，只能對發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)考慮。如在建設(shè)光伏發(fā)電電站時應(yīng)充分考慮附近環(huán)境以及用戶情況，規(guī)劃最合適的建設(shè)位置及電站的容量。并入電網(wǎng)容量越小對電網(wǎng)的影響也越小。對于并網(wǎng)后電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動的情況，可通過改變有載調(diào)壓變壓器分接頭來進(jìn)行調(diào)壓，因此大部分低電壓配電網(wǎng)裝有有載調(diào)壓器。另外采用無功控制方法，通過無功設(shè)備和逆變器的相互合作起到一定的改善作用。

電網(wǎng)諧波的優(yōu)化措施通常從兩方面展開：一是改善諧波源，使其盡可能少發(fā)出諧波。前面提及到光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器就是一個諧波源，對逆變器采用新的技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)的逆變器從理論上可減少諧波的產(chǎn)生，在一定程度上優(yōu)化了諧波治理；二是通過補(bǔ)償方式減小諧波。目前可采用SVG有源濾波裝置，裝置自身不會產(chǎn)生諧波，通過檢測補(bǔ)償對象中諧波分量，產(chǎn)生與該諧波分量大小相等、方向相反的補(bǔ)償諧波，進(jìn)而達(dá)到抵消諧波目的。

對電網(wǎng)保護(hù)的優(yōu)化措施從兩方面考慮：一是當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，電站發(fā)電機(jī)組作出快速反應(yīng)退出工作，從而使原有配電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置不受其影響。本方法不足之處在于電站發(fā)電機(jī)組退出會引起電網(wǎng)電壓的波動；二是可考慮引入差動技術(shù)和方向元件方式等來對電網(wǎng)的保護(hù)[6]。有助于擴(kuò)大故障隔離范圍、形成故障隔離，提高電網(wǎng)保護(hù)的效率。綜上，隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國大力提倡使用清潔能源，清潔能源綠色環(huán)保可再生，在未來各個領(lǐng)域都有巨大的發(fā)展空間。其中分布式發(fā)電技術(shù)在新能源行業(yè)逐步地完善并走向成熟，有效地緩解了能源緊張，為環(huán)保事業(yè)減輕了負(fù)擔(dān)，在電力行業(yè)也取得了顯著成果。但大規(guī)模的分布式電源并入低壓電網(wǎng)后對電網(wǎng)的可靠運行有一定影響，為保證電網(wǎng)的正常運行分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)還有待優(yōu)化改進(jìn)。