安典強(qiáng)，常喜強(qiáng)，李 梅，張新燕

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002;3.自治區(qū)計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著全球常規(guī)能源的逐漸枯竭和環(huán)境的污染，世界各個國家能源結(jié)構(gòu)也在逐漸調(diào)整。分布式發(fā)電逐漸登上歷史舞臺，分布式發(fā)電具有靈活、分散、小型、靠近用戶、使用清潔能源、可與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)，能提高局部供電可靠性、減少輸電損耗、提高一次能源的利用率以及減少廢氣排放，在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用前景。但是DGs的大規(guī)模滲透也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響。如分布式發(fā)電單機(jī)接入成本較高，控制較復(fù)雜［1］。另外，從系統(tǒng)的角度來分析，DGs是不可控的發(fā)電單元，因此系統(tǒng)總是試圖采取隔離、切機(jī)的方式來控制微型發(fā)電系統(tǒng)，以消除其對大系統(tǒng)的電壓和頻率的沖擊［1］。微網(wǎng)的提出整合了分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱了分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，充分發(fā)揮了DGs的效益和價值。但微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行還存在很多問題，根據(jù)微網(wǎng)的定義、特點(diǎn)，對微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行存在的問題進(jìn)行分析研究并提出相應(yīng)應(yīng)對措施及建議。

1 微網(wǎng)的定義及特點(diǎn)

1.1 微網(wǎng)的概念

微網(wǎng)，顧名思義，也稱微電網(wǎng)，是指由分布式電源(DG)、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。

1.2 微網(wǎng)的特點(diǎn)

微電網(wǎng)將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置整合在一起，彌補(bǔ)了分布式發(fā)電系統(tǒng)的不足，具有低成本、低電壓、低污染等優(yōu)點(diǎn)。微網(wǎng)并網(wǎng)甚至能起到削峰填谷的作用。但由于分布式電源的間歇性、復(fù)雜性、多樣性、不穩(wěn)定性和微網(wǎng)并網(wǎng)存在并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種運(yùn)行方式，使得微網(wǎng)并網(wǎng)還存在許多問題。

2 微網(wǎng)并網(wǎng)存在問題分析研究及應(yīng)對措施

2.1 對電網(wǎng)電壓、頻率的影響及應(yīng)對

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一個放射狀結(jié)構(gòu)的無源網(wǎng)絡(luò)，潮流是單向流動的，為了使配電網(wǎng)在不同的負(fù)荷下維持相對穩(wěn)定的電壓水平，其電壓調(diào)整主要依靠上級變電站內(nèi)變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)的切換及無功補(bǔ)償電容器的投退來實現(xiàn)，VQC裝置根據(jù)主變壓器負(fù)載情況、電壓水平等因數(shù)來自動調(diào)節(jié)分接開關(guān)位置，一般采用逆調(diào)壓方式即當(dāng)主變壓器負(fù)荷增大時，調(diào)高主變壓器二次側(cè)電壓［1］。微網(wǎng)接入后，其內(nèi)的DG向電網(wǎng)注入有功功率和無功功率改變了配電網(wǎng)單向潮流流向。微網(wǎng)接入電網(wǎng)后電網(wǎng)無功增加所以節(jié)點(diǎn)電壓升高。U'=U+△U(U'為接入微網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)電壓;U為未接入微網(wǎng)時節(jié)點(diǎn)電壓)。現(xiàn)在就需要根據(jù)電壓波動情況來調(diào)節(jié)變壓器分接頭以適應(yīng)變化，增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度。而當(dāng)微網(wǎng)突然退出時，無功補(bǔ)償迅速減少，使電網(wǎng)電壓下降很大，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來威脅。同時微網(wǎng)內(nèi)部的風(fēng)電、光伏等電源出力一方面受天氣等影響，一定程度上也受用戶或業(yè)主控制，給電網(wǎng)的控制和管理又增加了困難。此外，微網(wǎng)不同的接入點(diǎn)與微網(wǎng)容量的大小都會對電網(wǎng)電壓帶來不同的影響。

圖1 微網(wǎng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

微網(wǎng)內(nèi)分布式電源實際上一個諧波源，微網(wǎng)內(nèi)電力電子器件產(chǎn)生的大量諧波也注入電網(wǎng)［5］，給電網(wǎng)頻率穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段電網(wǎng)對微網(wǎng)的接納還很差，只能是電網(wǎng)選擇它能接受的微網(wǎng)，而不能隨機(jī)大量的微網(wǎng)接入電網(wǎng)，最主要原因在于微網(wǎng)并網(wǎng)還不能達(dá)到柔性并網(wǎng)。為克服這些問題，應(yīng)從以下幾點(diǎn)做起。

(1)研制產(chǎn)生諧波盡量少的的電力電子器件;

(2)進(jìn)行無功動態(tài)補(bǔ)償(SVC，SVG，STATCOM等);

(3)根據(jù)實際情況合理設(shè)置微網(wǎng)容量，使電網(wǎng)盡可能消納微網(wǎng)產(chǎn)生的問題;

(4)考慮微網(wǎng)蓄電池儲能。

2.2 對電網(wǎng)保護(hù)整定的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負(fù)載”。當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當(dāng)不能滿足時電網(wǎng)向微網(wǎng)饋電，呈現(xiàn)“負(fù)荷”特性。微網(wǎng)的接入改變了配電網(wǎng)功率單向流動的特點(diǎn)(成為雙向潮流)。大量微網(wǎng)的接入使電網(wǎng)產(chǎn)生了大量的隨機(jī)性潮流，使電網(wǎng)潮流流向和分布發(fā)生改變。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在微電網(wǎng)接入前是輻射狀單端電源供電系統(tǒng)，無源放射性網(wǎng)絡(luò)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)是根據(jù)配電網(wǎng)這個特點(diǎn)來設(shè)計和運(yùn)行的。饋線上的保護(hù)不需要安裝方向元件，且多為三段式電流保護(hù)。［5］微網(wǎng)引入后，配電網(wǎng)成為一個有源網(wǎng)絡(luò)(active distribution)，使得原來的繼電保護(hù)不能滿足要求，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)故障后其原有的故障電氣特征將發(fā)生巨大變化，此時微電網(wǎng)可能呈現(xiàn)電源特性，即向故障供出故障電流。傳統(tǒng)的檢測故障方法和繼電保護(hù)不能再滿足要求?，F(xiàn)做如下分析。

圖2 含微網(wǎng)電網(wǎng)不同點(diǎn)的故障示意圖

(1)微網(wǎng)接入可能會導(dǎo)致誤動作，而且當(dāng)微網(wǎng)DG輸出功率越大，影響越嚴(yán)重。

如圖2所示，F(xiàn)1處發(fā)生短路故障，未接入微網(wǎng)時，由系統(tǒng)電源向其提供短路電流，對保護(hù)1沒有影響。當(dāng)短路電流足夠大時，保護(hù)2動作切除故障。接入微網(wǎng)后，微網(wǎng)內(nèi)的DG也向F1提供短路電流，當(dāng)微網(wǎng)DG功率足夠大時，由微網(wǎng)DG向F1提供的短路電流大于保護(hù)1電流整定值時，保護(hù)1動作，造成誤動［4］。

(2)微網(wǎng)接入可能會導(dǎo)致保護(hù)靈敏度降低，而且當(dāng)微網(wǎng)DG輸出功率越大，影響越嚴(yán)重。

如圖2所示，當(dāng)F3處發(fā)生短路故障時，沒有接入微網(wǎng)系統(tǒng)電源向故障點(diǎn)提供短路電流，短路電流大于保護(hù)1的整定電流時保護(hù)1動作，切除故障。并入微網(wǎng)后，微網(wǎng)內(nèi)DG可能同時與系統(tǒng)電源向故障點(diǎn)提供短路電流，由于DG分流作用，流過保護(hù)1的故障電流減小，使其靈敏度降低，微網(wǎng)DG輸出功率越大保護(hù)1感受到的短路電流越小，靈敏度也越差，甚至造成拒動［4］。

(3)當(dāng)故障點(diǎn)位于DG上游，由于沒有方向元件，DG上游的各保護(hù)之間可能會失去選擇性。

如圖2所示，當(dāng)F2處發(fā)生短路，未接入微網(wǎng)時，有系統(tǒng)電源向其提供短路電流，保護(hù)2、3協(xié)同作用，由保護(hù)3切除故障。當(dāng)微網(wǎng)接入后，微網(wǎng)DG也向其提供短路電流，流過保護(hù)2的短路電流變大，微網(wǎng)DG功率越大，流經(jīng)保護(hù)2的短路電流越大，當(dāng)達(dá)到一定值時，保護(hù)2動作，切除故障，保護(hù)2、3失去選擇性，并使停電面積增大。

此外，當(dāng)微網(wǎng)接入電網(wǎng)饋線始端母線、末端母線時對電網(wǎng)保護(hù)也有不同影響，這里不再贅述。

因此對微網(wǎng)接入電網(wǎng)的保護(hù)應(yīng)借鑒輸電系統(tǒng)的一些保護(hù)設(shè)計原則，例如方向、阻抗、差動等加以分析并重新配置;對傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)性和技術(shù)進(jìn)行改造;制定電網(wǎng)、微網(wǎng)保護(hù)的協(xié)調(diào)配合機(jī)制。

2.3 對重合閘的影響

眾所周知，在電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障大多為瞬時性故障，重合閘的應(yīng)用提高了系統(tǒng)供電可靠性，減少了電網(wǎng)維護(hù)的工作量。在傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，重合閘的工作不會對電網(wǎng)產(chǎn)生任何沖擊和破壞。當(dāng)微網(wǎng)接入后，由于DG的存在可能產(chǎn)生威脅。下面就重合閘與繼電保護(hù)的兩種配合方式(自動重合閘前加速和自動重合閘后加速)進(jìn)行分析。

(1)對自動重合閘前加速的影響

在某些情況下，當(dāng)線路斷路器斷開后，微網(wǎng)未能解列，造成非同期合閘，使電網(wǎng)與微網(wǎng)遭受非同期合閘的沖擊，如圖3。

圖3 自動重合閘前加速故障

如圖3所示，當(dāng)F處發(fā)生故障斷路器CB跳閘后微網(wǎng)并未解列，微網(wǎng)DG與系統(tǒng)電勢有可能失去同步，使電網(wǎng)與微網(wǎng)受到非同期合閘的沖擊。同時反向電流可能對設(shè)備造成損壞。

(2)對自動重合閘后加速的影響

與前加速保護(hù)不同的是當(dāng)線路發(fā)生故障后，保護(hù)有選擇性地切除故障，重合閘進(jìn)行一次重合后回復(fù)供電。而且每臺斷路器都配有完備的保護(hù)系統(tǒng)和重合閘裝置。

如圖4所示，當(dāng)F處故障時，CB1斷開。微網(wǎng)DG向其提供短路電流，使故障點(diǎn)電弧不能熄滅。當(dāng)微網(wǎng)DG提供的短路電流大于CB2處整定電流后CB2動作增大停電面積。然而CB1重合后又可能造成非同期重合問題。

應(yīng)對措施如下。

(1)對自動重合閘裝置進(jìn)行改進(jìn)。在微網(wǎng)DG處安裝低周期、低壓解列裝置;

圖4 自動重合閘后加速故障

(2)研究一種新的繼電保護(hù)與重合閘配合方式，使微網(wǎng)在重合閘之前解列，或加設(shè)通訊線路使微網(wǎng)解列。

2.4 對短路容量的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負(fù)載”。當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當(dāng)電網(wǎng)故障時，微網(wǎng)內(nèi)的DG會向故障點(diǎn)注入短路電流，如果并網(wǎng)的大量微網(wǎng)都呈現(xiàn)“電源”特性，會對電網(wǎng)的短路容量產(chǎn)生很大的影響。

(1)將增加電網(wǎng)的短路容量，可能會對電氣設(shè)備的動熱穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

(2)對于短路容量接近額定遮斷容量的斷路器而言，其影響甚至是危險的。

對策如下。

(1)改變配電網(wǎng)的運(yùn)行方式，或在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)裝設(shè)限流電抗器;

(2)在選址階段，根據(jù)電網(wǎng)狀況選擇合適的DG接入位置。

2.5 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)是指由于某種原因電網(wǎng)斷電而微網(wǎng)繼續(xù)向電網(wǎng)提供電能。微網(wǎng)接入電網(wǎng)運(yùn)行有可能會產(chǎn)生孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)的產(chǎn)生會對電網(wǎng)、工作人員等產(chǎn)生很大影響。

(1)孤島效應(yīng)發(fā)生后微網(wǎng)內(nèi)電壓、頻率失去電網(wǎng)的支撐會發(fā)生較大波動，從而損壞配電設(shè)備和用戶設(shè)備［7］。而當(dāng)電網(wǎng)回復(fù)時，可能會產(chǎn)生很大沖擊電流給設(shè)備帶來損壞。

(2)干擾電網(wǎng)的正常合閘。

(3)孤島效應(yīng)發(fā)生后微網(wǎng)內(nèi)的DG有可能對電網(wǎng)故障點(diǎn)繼續(xù)供電，這給維修工作人員帶來危險。

應(yīng)對孤島效應(yīng)的危害主要是預(yù)防為主，通過各種檢測方法提前知道是否發(fā)生孤島效應(yīng)。主要的檢測方法有:被動檢測、主動式檢測。

2.6 對供電可靠性的影響及對策

微網(wǎng)即是“電源”又是“負(fù)載”。當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)分布式電源能夠滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)載供電時向大電網(wǎng)送電，呈現(xiàn)“電源”特性。當(dāng)不能滿足時電網(wǎng)向微網(wǎng)饋電，呈現(xiàn)“負(fù)荷”特性。因此微網(wǎng)接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)的供電可靠性也會存在一定的影響。

當(dāng)在電網(wǎng)供電能力不足的情況下，而微網(wǎng)又呈現(xiàn)“電源”特性，微網(wǎng)向電網(wǎng)輸送電力，滿足了本來須限電用戶的用電需求。同時，在電網(wǎng)多發(fā)時而微網(wǎng)呈現(xiàn)“負(fù)荷”特性。消納了電網(wǎng)的出力。這時微網(wǎng)起到了削峰填谷的作用，對提高供電可靠性及穩(wěn)定起到了重要作用。反過來說微網(wǎng)則會對電網(wǎng)的供電可靠性及穩(wěn)定帶來危害。

對策如下。

(1)合理配置微網(wǎng)容量，并設(shè)置蓄電裝置盡量減少對電網(wǎng)的不利影響;

(2)通過有規(guī)劃的孤島運(yùn)行模式提高電網(wǎng)供電的可靠性［11］。

3 結(jié)論

根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗及自身特點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)帶來的主要問題是微網(wǎng)內(nèi)分布式電源的波動性和隨機(jī)性，引起微網(wǎng)內(nèi)功率的不平衡隨時間變化而導(dǎo)致的安全隱患及薄弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量問題，對電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、保護(hù)、運(yùn)行調(diào)度、分析控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量等產(chǎn)生一定的影響。

微網(wǎng)技術(shù)雖然在中國還不成熟，還有很多技術(shù)方面的、政策方面的、管理方面的問題有待解決，但它順應(yīng)了中國大力促進(jìn)可再生能源發(fā)電、走可持續(xù)發(fā)展道路的要求，因此對其進(jìn)行深入研究具有重大意義。

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