陸志剛， 王 科， 董旭柱， 李 達(dá)， 李登武

(1.南網(wǎng)科研院， 廣州 510080； 2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)影響分析

陸志剛1， 王 科1， 董旭柱1， 李 達(dá)2， 李登武2

(1.南網(wǎng)科研院， 廣州 510080； 2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

由于對(duì)電能質(zhì)量、保護(hù)等方面的影響以及相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和政策的缺失，在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的用戶側(cè)大規(guī)模接入分布式發(fā)電單元的應(yīng)用模式尚未得到推廣應(yīng)用。文中通過(guò)對(duì)北方某產(chǎn)業(yè)園區(qū)多種DG接入方案進(jìn)行了仿真，從電壓分布、電網(wǎng)損耗、諧波含量和短路保護(hù)四個(gè)方面分析了該產(chǎn)業(yè)園區(qū)在用戶側(cè)接入DG后對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。研究表明，在配電網(wǎng)中接入適當(dāng)容量的DG對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的保護(hù)控制和運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，反而可以有效提高電壓質(zhì)量，減少網(wǎng)絡(luò)損耗。

智能電網(wǎng)； 分布式電源； 電能質(zhì)量； 用戶側(cè)； 保護(hù)； 功率損耗

分布式發(fā)電DG(distributed generation)一般指的是為滿足某些終端用戶的需求、接在用戶側(cè)附近的小型發(fā)電機(jī)組或發(fā)電及儲(chǔ)能的聯(lián)合系統(tǒng)，它們的規(guī)模一般不大，大約在幾十千瓦至幾十兆瓦。DG不是采用煤作為一次能源，而是大量采用可再生能源，包括天然氣、氫氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能等[1]。近年來(lái)，得益于電力市場(chǎng)的開放和減少溫室氣體排放的需求，DG在電力舞臺(tái)上再度興起，成為研究熱點(diǎn)[2]。截至目前，DG在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用[3～5]。

隨著DG滲透率的增加，其并網(wǎng)所引起的相關(guān)問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái)，主要包括：(1)增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性，從而對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的整定帶來(lái)了困難[6]；(2)DG中大量電力電子器件的應(yīng)用，給配電網(wǎng)注入了大量諧波[7]，對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生了不同程度的影響；(3)DG并網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其影響程度的大小依賴于DG的類型[8]。

目前，DG接入對(duì)配電網(wǎng)影響方面的研究大多仍以理論研究為主。文獻(xiàn)[9]指出分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)后，改變了原來(lái)配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)保護(hù)支路的故障電流水平影響很大，從而影響了配電網(wǎng)保護(hù)的正確性。文獻(xiàn)[10，11]討論了分布式電源并網(wǎng)對(duì)變電站零序保護(hù)、距離保護(hù)及其自動(dòng)重合閘的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了一套分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)線保護(hù)及自動(dòng)化裝置配置方案。文獻(xiàn)[12]針對(duì)光伏單元接入配電網(wǎng)系統(tǒng)后是否對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[13，14]介紹了DG接入系統(tǒng)中改善電能質(zhì)量的一種新算法，利用現(xiàn)有DG系統(tǒng)的非線性來(lái)控制有功和無(wú)功，并改善不平衡和減少諧波，使系統(tǒng)仿效電力有源濾波器APF(active power filter)或基于DSP(digital signal processing)的配電靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM的功能，提出靈活分布式發(fā)電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15]介紹了配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中的常用指標(biāo)，通過(guò)實(shí)例計(jì)算分析了各種不同型式的設(shè)備及其在配網(wǎng)中的不同安裝位置對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[16]提出了電壓跌落引起的失電損失分?jǐn)偡椒ǎ?jì)算了不同故障類型發(fā)生時(shí)的電壓跌落，探討了DG注入功率和接入位置變化對(duì)電壓跌落的影響。

本文結(jié)合某產(chǎn)業(yè)園區(qū)電網(wǎng)和DG的實(shí)際情況，利用暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并制定了三種DG接入方案，針對(duì)這三種接入方案分別從電壓分布、電網(wǎng)損耗、諧波含量和短路保護(hù)四個(gè)方面進(jìn)行仿真，分析了DG接入對(duì)配電網(wǎng)的影響。

1 相關(guān)DG模型介紹

本文采用PSCAD/EMTDC軟件，對(duì)各個(gè)DG應(yīng)用技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而對(duì)不同的DG接入方案進(jìn)行仿真分析。以下為本研究中涉及到的相關(guān)設(shè)備模型的介紹。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路包括逆變器、濾波器和斷路器等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用單位功率因數(shù)控制策略進(jìn)行并網(wǎng)控制[17]，實(shí)現(xiàn)恒定的PQ輸出，在并網(wǎng)點(diǎn)配置過(guò)流、過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

采用永磁發(fā)電機(jī)模型來(lái)模擬微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)相連，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用閉環(huán)控制，通過(guò)對(duì)原動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)控制并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和頻率，在并網(wǎng)點(diǎn)配置過(guò)流、過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

圖2 微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用PSCAD軟件提供的快速傅里葉變換模塊和諧波畸變率計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算DG接入電網(wǎng)時(shí)的諧波含量，模型如圖3所示。

圖3 諧波計(jì)算模塊

采用PSCAD軟件提供的故障生成模塊和故障發(fā)生時(shí)間控制模型，模擬110 kV變電站內(nèi)靠近母線的饋線處發(fā)生三相對(duì)地短路故障，同時(shí)配置瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 故障模擬與保護(hù)配置

2 DG接入方案介紹

某產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)已建成7棟辦公樓和1座能源站，園區(qū)內(nèi)總負(fù)荷約9000 kW。園區(qū)內(nèi)所有負(fù)荷全部由一座110 kV變電站的4回10 kV出線通過(guò)兩個(gè)開閉所進(jìn)行供電，園區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)架采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式。8棟樓進(jìn)線外側(cè)環(huán)網(wǎng)柜編號(hào)分別命名為02-01～02-07及01-01，兩個(gè)開閉所分別命名為k-1和k-2(環(huán)網(wǎng)柜DMY-02-01向02-01樓供電、環(huán)網(wǎng)柜DMY-02-02向02-02樓供電、環(huán)網(wǎng)柜DMY-02-03向02-03樓供電、環(huán)網(wǎng)柜DMY-02-06向能源樓供電、環(huán)網(wǎng)柜DMY01-01向主樓供電)。

截至目前，園區(qū)內(nèi)已建設(shè)DG共計(jì)約2.4 MW，包括樓頂光伏約0.5 MW、能源站燃?xì)獍l(fā)電機(jī)約1.5 MW及停車場(chǎng)光伏0.4 MW。DG裝機(jī)容量與系統(tǒng)最大負(fù)荷比例為26.7%。

為合理利用DG，本文提出DG的三種接入方案，如圖5～7所示。

2.1 方案1

方案1采取分散接入的方式，該方案中樓頂光伏就地接入所在樓宇的配電低壓側(cè)；能源站燃機(jī)、停車場(chǎng)光伏經(jīng)升壓后，接入01-01環(huán)網(wǎng)柜所在位置處的辦公樓配電高壓側(cè)。

圖5 分散式就地接入方案(方案1)

2.2 方案2

方案2采取集中接入的方式，該方案中樓頂光伏、能源站燃機(jī)和停車場(chǎng)光伏升壓后統(tǒng)一接入01-01環(huán)網(wǎng)柜所在位置處的辦公樓配電高壓側(cè)，并就地管理控制。

圖6 集中式主樓接入方案(方案2)

2.3 方案3

方案3中DG的接入方式與方案2相同，不同之處在于方案3中所有DG升壓后統(tǒng)一接入02-06環(huán)網(wǎng)柜所在位置處的樓宇配電高壓側(cè)，并就地管理控制。

02-06環(huán)網(wǎng)柜所在位置處的樓宇為能源站，該方案可以實(shí)現(xiàn)在能源站內(nèi)對(duì)園區(qū)所有的DG統(tǒng)一管理。

圖7 集中式能源站接入方案(方案3)

3 算例分析

為便于形成對(duì)比，在前述介紹的3個(gè)DG接入方案算例的基礎(chǔ)上增加了無(wú)DG接入的算例。利用已搭建的DG數(shù)學(xué)模型，對(duì)4個(gè)算例分別從以下四個(gè)方面進(jìn)行仿真和對(duì)比分析，并最終確定最佳的DG接入方案。

1)不同算例下的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電壓分布；

2)不同算例下的產(chǎn)業(yè)園區(qū)電網(wǎng)損耗；

3)不同算例下的DG出口的諧波含量；

4)不同算例下的DG接地故障暫態(tài)過(guò)程。

3.1 電壓分布

圖8和圖9分別為對(duì)應(yīng)4個(gè)算例的兩個(gè)環(huán)網(wǎng)柜供電沿線的電壓分布情況。

圖8 從開閉所k-1到辦公樓4電壓分布

由圖8可以看出，無(wú)DG和方案2及方案3的運(yùn)行條件一樣，均不含任何分布式電源，因此其電壓分布相同，均按照輻射狀配網(wǎng)的規(guī)律呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖9 開閉所k-2出線的沿線電壓分布

由圖8可以看出，此運(yùn)行條件下，方案1相比其余三種方案下的電壓均較高。由圖9可以看出，此運(yùn)行條件下，方案1、2和3均比無(wú)DG方案下的電壓較高。綜合圖8和圖9內(nèi)容，可以得出以下結(jié)論：光伏就地接入，可以減小線路上功率流動(dòng)，進(jìn)而可以起到提升網(wǎng)絡(luò)電壓的作用。

DG的引入對(duì)于電壓降低較大的網(wǎng)絡(luò)具有很大的改善作用，但是也會(huì)引起電壓降落較小的網(wǎng)絡(luò)的過(guò)壓?jiǎn)栴}。針對(duì)園區(qū)10 kV電網(wǎng)電壓等級(jí)高、線路阻抗小、負(fù)荷不高的情況，圖10為DG接入對(duì)過(guò)電壓影響的仿真結(jié)果。

圖10 從開閉所k-1到辦公樓4各方案提升電壓比值

由圖10可以看出，方案2和方案3的運(yùn)行條件一樣，均不含任何分布式電源，因此其電壓均未得到提升，電壓提升為零。

由圖10和圖11可以看出，對(duì)于三種方案，方案1對(duì)兩條支路的電壓都有減小電壓降落的作用，而方案2和3分布式電源集中在一側(cè)，只對(duì)開閉站k-2引出的支路電壓有抬升作用。

圖11 開閉所k-2沿線各點(diǎn)提升電壓比值

通過(guò)上述仿真結(jié)果可知：DG的引入能夠降低電壓降落，且過(guò)電壓值遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 kV電壓偏差允許值，不會(huì)引起過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

3.2 電網(wǎng)損耗

當(dāng)DG容量小于電網(wǎng)的負(fù)荷總量，并且單個(gè)DG不會(huì)因?yàn)楹拓?fù)荷的不匹配引起線路流動(dòng)功率大規(guī)模提升的情況下，DG的引入實(shí)現(xiàn)了功率的本地平衡，能夠減小線路損耗[18]。產(chǎn)業(yè)園區(qū)每條支路的負(fù)荷均為兆瓦級(jí)別，除燃機(jī)接入支路外，大于所有DG總?cè)萘俊６紮C(jī)運(yùn)行時(shí)考慮到三聯(lián)供系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性等因素，一般不會(huì)有燃機(jī)接入點(diǎn)逆向潮流出現(xiàn)，因此DG接入后呈現(xiàn)出減小配電網(wǎng)線損的優(yōu)勢(shì)。

表1給出四種算例中各段線路損耗值。開閉所k-1支路部分，方案1線損比該支路不含任何DG時(shí)有所降低，但因接入光伏容量較小，線損減少并不顯著。開閉所k-2支路部分，其線損水平依次為方案1lt;方案3lt;方案2lt;無(wú)DG。

表1 各方案線路損耗比較

上述分析結(jié)果表明，DG的接入有效地降低了配電網(wǎng)線損。DG的分散就地接入能夠帶來(lái)最大化的線損降低收益。

3.3 諧波分析

電力系統(tǒng)中的諧波源主要是大型的電力電子變流裝置。在含逆變型DG的配電網(wǎng)中，大量電力電子元件的引入，使得諧波含量作為衡量電能質(zhì)量的重要方面得到了廣泛關(guān)注。我國(guó)結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際水平并借鑒其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的諧波電壓畸變率規(guī)定見表2。對(duì)DG各并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，其并網(wǎng)點(diǎn)諧波含量結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯诓煌腄G接入方案中并網(wǎng)公共連接點(diǎn)處的諧波水平均控制在國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)。

表2 我國(guó)諧波電壓畸變率限值(GB/T 14549-93)

表3 3種方案下微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)諧波含量

由表3可以看出，方案1中雖然微網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓等級(jí)僅為0.4 kV，但是其諧波含量均保持在0.1%以下，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的5%的限值；在10 kV并網(wǎng)點(diǎn)處，方案1和方案3諧波含量也保持在0.1%以下，僅方案2的諧波含量超過(guò)了0.1%，但依然滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的4%的限值，并且有著巨大的裕度，不會(huì)造成電能質(zhì)量問(wèn)題。

3.4 短路保護(hù)

本案中線路電壓等級(jí)均為10 kV，線路較短，因此在仿真中只在110 kV變電站內(nèi)靠近母線的饋線斷路器處配置瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)。本案著重研究線路短路對(duì)原有配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，因此在仿真場(chǎng)景的設(shè)計(jì)中，同時(shí)考慮變壓器對(duì)外保護(hù)中的過(guò)流保護(hù)，以及DG自身的對(duì)外保護(hù)。

圖12為本案中配網(wǎng)保護(hù)配置的簡(jiǎn)化示意?？紤]k-1、k-2各由線路1、2、3、4供電，并配置相應(yīng)保護(hù)。

圖12 配電網(wǎng)保護(hù)配置示意圖

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于線路2而言，當(dāng)相鄰線路1出口處發(fā)生故障時(shí)，在DG引入之前，短路電流只由系統(tǒng)流向故障點(diǎn)，DG引入后，DG和系統(tǒng)都會(huì)對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流，線路2接收到由本線路DG引起的反向故障電流，由于保護(hù)不具有方向性，因此可能導(dǎo)致線路2的保護(hù)誤動(dòng)，從而保護(hù)失去選擇性。線路3和線路4的情況相同，同樣是配置了DG的線路在相鄰線路發(fā)生故障時(shí)可能引起本線路的保護(hù)誤動(dòng)。針對(duì)這種情況，在3種方案的具體場(chǎng)景下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為了研究最惡劣故障情況的影響，算例故障點(diǎn)設(shè)在線路的出口處，故障類型為三相短路故障。故障測(cè)試仿真結(jié)果如表4。

表4 各方案故障測(cè)試仿真結(jié)果

上述結(jié)果表明，在原有配電網(wǎng)保護(hù)整定下，DG接入相鄰線路出口處的三相短路故障不會(huì)引起DG所在線路失去方向性保護(hù)誤動(dòng)，故障線路電流速斷保護(hù)能及時(shí)切除本線路故障。值得注意的是，在各種方案和兩個(gè)不同故障點(diǎn)場(chǎng)景中，實(shí)際保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，即斷路器斷開時(shí)間均延遲0.013 s。

圖13給出方案1在線路2出口處發(fā)生三相短路時(shí)該支路的C相電流仿真結(jié)果，圖14則是含DG的相鄰線路4的C相瞬時(shí)電流仿真結(jié)果，可以看出含DG的線路4在線路2發(fā)生故障時(shí)電流方向發(fā)生了改變，產(chǎn)生了對(duì)于線路2的DG反向助增短路電流。通過(guò)線路2有無(wú)DG兩種場(chǎng)景的結(jié)果可以看出，由同一變壓器引出的兩條饋線，其中含DG的支路對(duì)于不含DG支路出口發(fā)生短路時(shí)的助增短路電流的比例很小，不會(huì)影響速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。綜上兩點(diǎn)原因，使得不同方案和故障點(diǎn)場(chǎng)景下線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間保持不變。

(a) 線路2出口C相電流仿真結(jié)果

(b) 線路2出口C相電流仿真結(jié)果放大圖

圖14 線路4出口C相電流仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

DG的引入使得配電網(wǎng)從無(wú)源變?yōu)橛性?，改變電網(wǎng)內(nèi)的潮流，從而影響系統(tǒng)電壓分布、損耗和諧波含量。這也在一定程度上制約了DG的推廣應(yīng)用。經(jīng)過(guò)本案對(duì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)DG接入的仿真驗(yàn)證，通過(guò)3種方案的比較可以看出，采用這3種方案進(jìn)行產(chǎn)業(yè)園區(qū)DG接入，均可滿足配網(wǎng)正常的運(yùn)行要求：各方案對(duì)電壓的抬升均在限值以內(nèi)；損耗略有差別但均保持在數(shù)十千瓦內(nèi)；并網(wǎng)點(diǎn)處電壓諧波含量均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；鄰線故障不會(huì)因DG的引入而導(dǎo)致本線路保護(hù)誤動(dòng)。而與此同時(shí)，這3種方案下，DG在不同程度上均起到了降低線損、提高電壓的作用，對(duì)提高電網(wǎng)水平和提高電力用戶電能質(zhì)量起到了積極作用。

從智能電網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展方向來(lái)看，智能電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)、使DG得到有效利用、同時(shí)提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率以及用戶用電的效率、可靠性和電能質(zhì)量為主要目標(biāo)[19]。本文研究表明，用戶側(cè)DG的接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)面影響較為有限，同時(shí)可以起到電壓支援、負(fù)載平衡[20]、提高清潔能源利用率、提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用率、提高用戶供電可靠性(尤其是在以微網(wǎng)方式接入的情況下)等作用，可以作為智能電網(wǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效手段。

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陸志剛(1978-)，男，碩士，工程師，主要從事大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)、新能源并網(wǎng)技術(shù)以及電力電子配網(wǎng)中的應(yīng)用等方面研究。Email:luzg@csg.cn

王 科(1983-)，男，博士，工程師，主要從事大容量?jī)?chǔ)能及微網(wǎng)技術(shù)的研究。Email:wangke@csg.cn

董旭柱(1970-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事智能電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)、3C綠色變電站、大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)及分布式發(fā)電等方面研究工作。Email:dongxz@csg.cn

ImpactofConsumer-sideDistributedGenerationonPowerGrid

LU Zhi-gang1， WANG Ke1， DONG Xu-zhu1， LI Da2， LI Deng-wu2

(1.China Southern Power Grid Research Institute, Guangzhou 510080, China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd., Tianjin 300384, China)

Distributed power generation technologies have gained rapid development in the past few years. However, concerning to the aspects of power quality, protection and so on, while lacking of related standard, consumer-side distributed generation (DG) has not been widely used. This article did some simulation on the way to incorporate distributed generations into a consumer, and analyzed the influence on the aspects of voltage distribution, power loss, humorous wave, protection that the DGs did to the power grid. The research found out that consumer-side DGs can be one of available ways to achieve the main goals of smart grid.

smart grid； distributed generation； power quality； consumer-side； protection； power loss

TM712

A

1003-8930(2012)06-0100-07

2012-06-21；

2012-08-20