于旭東 李 強(qiáng)

（鄭州電力高等專科學(xué)校，河南 鄭州450003）

0 引言

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入重要階段，分布式電源、電能質(zhì)量近年來(lái)受到了越來(lái)越多的重視。繼2012年國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)分布式光伏發(fā)電支持政策之后，2013年國(guó)家電網(wǎng)再次發(fā)布《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），進(jìn)一步將示范擴(kuò)大到天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能等新能源形式。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)被規(guī)劃為“被動(dòng)的或無(wú)源的”，從設(shè)計(jì)和運(yùn)行上電能都只是單方向流動(dòng)，即從高壓的電源側(cè)流動(dòng)到低壓的負(fù)荷側(cè)。隨著分布式電源（或分布式發(fā)電，本文不作區(qū)分）的出現(xiàn)，配電網(wǎng)從被動(dòng)、無(wú)源的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)、有源的網(wǎng)絡(luò)，以往單純的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)變成了有時(shí)是電源有時(shí)是負(fù)荷，如在正常運(yùn)行時(shí)可能需要電網(wǎng)提供部分功率，但在電網(wǎng)或者分布式電源與電網(wǎng)之間的連接線上發(fā)生故障時(shí)，卻表現(xiàn)為電源。大量的基于新能源的分布式發(fā)電通過(guò)電力電子設(shè)備與配電網(wǎng)相連，配電網(wǎng)的負(fù)荷特性也表現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的變化，這必然會(huì)對(duì)原有配電網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)等方面產(chǎn)生影響。

《意見(jiàn)》中對(duì)分布式電源的定義是：位于用戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10 k V及以下電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，且單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不超過(guò)6 MW的發(fā)電項(xiàng)目。包括太陽(yáng)能、天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、資源綜合利用發(fā)電等類型。

從發(fā)電角度而言，分布式電源的技術(shù)早已完成實(shí)用化，快速發(fā)展并走向商業(yè)化，在國(guó)外也早已有大量的分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及國(guó)家政策支持的不斷加大，分布式電源會(huì)取得越來(lái)越快的發(fā)展。同時(shí)應(yīng)當(dāng)看到，配電網(wǎng)的發(fā)展并沒(méi)有因?yàn)榉植际诫娫吹慕尤攵诰W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、運(yùn)行管理水平上有快速的發(fā)展。當(dāng)前對(duì)于配電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、管理仍然按照傳統(tǒng)的格局進(jìn)行，這就為分布式電源接入后帶來(lái)諸多影響埋下了隱患。

1 分布式電源接入后對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素分析

1.1 分布式電源自身的特性

分布式電源因所利用的一次能源類型的不同而表現(xiàn)出不同的特性，如風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)力影響表現(xiàn)出輸出功率不穩(wěn)定等。這些分布式電源或受氣候等自然條件影響，或受時(shí)間限制，發(fā)電時(shí)間及輸出功率并不能有效控制，有時(shí)還不得不退出運(yùn)行。

分布式電源的另一個(gè)特點(diǎn)是廣泛的私有化。當(dāng)前和未來(lái)，都會(huì)有大量的分布式電源為私有性質(zhì)，從而導(dǎo)致電網(wǎng)公司或供電部門不能有效控制這些分布式電源，分布式電源的擁有者或管理者可以隨時(shí)將分布式電源投入或者退出，這就為供電或電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和管理帶來(lái)了困難。對(duì)于發(fā)電容量，需要同時(shí)考慮分布式電源投入與退出2種情況，從而增加了建設(shè)發(fā)電計(jì)劃的復(fù)雜性。

1.2 分布式電源的滲透率

分布式電源滲透率是指分布式電源發(fā)出的功率在區(qū)域內(nèi)短路容量的比重。當(dāng)前接入條件下，僅是對(duì)單個(gè)接入的分布式電源容量進(jìn)行限制，雖然單個(gè)容量不大，但隨著數(shù)量的不斷增多，滲透率會(huì)越來(lái)越大，對(duì)配電網(wǎng)的影響也會(huì)越來(lái)越大。而由于分布式電源的自身特性，特別是設(shè)備故障、線路故障等原因而導(dǎo)致突然停運(yùn)等特殊情況時(shí)，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

1.3 不同類型電源的組成

不同類型的分布式電源，可能在同一配電網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在，但會(huì)由于自身特性的不同而導(dǎo)致對(duì)電能質(zhì)量的影響也不相同。多種類型的分布式電源綜合作用，將導(dǎo)致對(duì)電能質(zhì)量的影響復(fù)雜化。以電壓波動(dòng)為例，風(fēng)電、光伏等有可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)問(wèn)題的嚴(yán)重化，而其他分布式電源的增多又同時(shí)會(huì)提高短路容量，弱化電壓波動(dòng)問(wèn)題。

1.4 負(fù)荷特性

對(duì)電能質(zhì)量的研究，必須考慮負(fù)荷特性。一方面，負(fù)荷特性與分布式電源、配電網(wǎng)絡(luò)共同作用影響電能質(zhì)量；另一方面，電能質(zhì)量是否作為問(wèn)題最終由負(fù)荷的需求決定。

以某鋁廠為例，分析負(fù)荷特性對(duì)電能質(zhì)量的影響。該鋁廠使用電弧爐進(jìn)行冶煉，并配備分布式電源作為自備電廠，通過(guò)配電線路與電網(wǎng)相連。不利方面：電弧爐是典型的諧波源，即使電網(wǎng)提供較高質(zhì)量的電能，也會(huì)由于電弧放電導(dǎo)致的電流畸變使得連接點(diǎn)的電能質(zhì)量較差，同時(shí)隨著電弧率功率的變化，電壓畸變、電流畸變的程度也不斷發(fā)生變化。由于諧波的嚴(yán)重性，甚至?xí)?dǎo)致與諧波源采用同一條線路供電的其他用戶電能質(zhì)量非常差。有利方面：這類負(fù)荷對(duì)于電能質(zhì)量的要求并不高，主要關(guān)心的是供電可靠性指標(biāo)。此外，此類企業(yè)有大量的電能需求，是供電企業(yè)的重要用戶，同時(shí)對(duì)電價(jià)敏感，只要給予適當(dāng)?shù)碾A梯電價(jià)，就可以有效地調(diào)節(jié)其分布式電源發(fā)電時(shí)間及負(fù)荷的用電時(shí)間。

而不同類型的負(fù)荷也對(duì)電能質(zhì)量有不同的要求，如需連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)，對(duì)供電可靠性的要求較高，因此對(duì)電壓暫降、短時(shí)停電等都難以接受；居民用戶對(duì)主要用電時(shí)段的供電可靠性、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變反映強(qiáng)烈；諧波會(huì)對(duì)與大量采用電機(jī)、變壓器的用戶有不利影響等。

2 分布式電源接入后對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的結(jié)果

分布式電源接入后，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生多方面影響，其影響有好的方面，也有不利的方面。

2.1 供電可靠性

供電可靠性是電能質(zhì)量的最重要方面，是考核供電企業(yè)的重要指標(biāo)，也是電力用戶反映最為強(qiáng)烈的問(wèn)題。分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性既有有利影響，也有不利影響。

分布式電源可以靈活快速投入的優(yōu)點(diǎn)對(duì)提高供電可靠性有重要意義。首先，可以在負(fù)荷與主網(wǎng)之間因故障等原因而斷開(kāi)的情況下，保障全部或部分重要負(fù)荷的供電。這對(duì)于因?yàn)闉?zāi)害等原因?qū)е碌亩鄺l線路或部分電網(wǎng)發(fā)生故障極為重要，也是近年來(lái)分布式電源能夠得到各方關(guān)注與快速發(fā)展的重要原因。其次，可以在功率不足時(shí)快速投入，避免因?yàn)楣β什蛔銓?dǎo)致的負(fù)荷切除。此外，在發(fā)生大范圍故障后的恢復(fù)供電過(guò)程中，可以為黑啟動(dòng)提供最初的功率支持，能夠有效縮短啟動(dòng)時(shí)間。

分布式電源對(duì)于供電可靠性的不利影響，主要是由間歇性能源以及私有化問(wèn)題導(dǎo)致的。這2個(gè)問(wèn)題都可能導(dǎo)致分布式電源的隨時(shí)退出或者不能有效投入運(yùn)行，從而降低依靠分布式電源供電負(fù)荷的可靠性。

2.2 電壓偏差

分布式電源接入，在配電網(wǎng)中作為電源存在。依據(jù)采用發(fā)電技術(shù)類型的不同，其會(huì)產(chǎn)生或消耗無(wú)功功率，從而提高或者降低節(jié)點(diǎn)的電壓。

考慮到電源的性質(zhì)不同，可能吸收或者發(fā)出無(wú)功功率，特別是通過(guò)逆變器的分布式電源（如風(fēng)電、光伏系統(tǒng)等），可以在一定程度上改變輸出的無(wú)功功率。因此，電壓偏差的程度，需要綜合考慮電源性質(zhì)、系統(tǒng)阻抗情況、接入點(diǎn)位置、配電網(wǎng)特性等來(lái)綜合確定。

同時(shí)，諸如利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等發(fā)電的分布式電源，還會(huì)受到自然條件的影響而使輸出功率發(fā)生變化。而分布式電源的私有性質(zhì)更決定了其可能突然的投入或者退出，這些都為電壓的變化增加了不確定性，從而導(dǎo)致電壓升高、電壓暫降問(wèn)題的發(fā)生。

2.3 電壓波動(dòng)與閃變

多種分布式電源會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)與閃變問(wèn)題，這是由電源本身的特點(diǎn)造成的，特別是受自然條件影響的分布式電源表現(xiàn)更為突出。

風(fēng)力發(fā)電極易引起電壓波動(dòng)與閃變的發(fā)生，在以風(fēng)電作為分布式電源的地區(qū)，特別是風(fēng)電滲透率較高的地區(qū)，更容易引發(fā)電壓波動(dòng)與閃變。一方面，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)出功率的變化；另一方面，對(duì)于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，由于一部分空氣通過(guò)塔架后再吹向風(fēng)輪，塔架干擾流過(guò)葉片的氣流而形成所謂塔影效應(yīng)，從而會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)，進(jìn)而影響功率的輸出。

同樣受自然條件影響的還有光伏系統(tǒng)，日照條件的不同會(huì)導(dǎo)致輸出功率的波動(dòng)，特別是對(duì)于在一定區(qū)域內(nèi)集中布置容量較大或數(shù)量較多光伏系統(tǒng)的地區(qū)，由于滲透率較高，且周圍自然條件基本相同，會(huì)導(dǎo)致輸出功率同時(shí)的波動(dòng)，從而導(dǎo)致電壓波動(dòng)。

2.4 諧波與間諧波

大范圍的分布式發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)電力電子設(shè)備接入配電網(wǎng)，會(huì)不可避免地為配電網(wǎng)注入諧波。諧波的類型和嚴(yán)重程度取決于電力電子技術(shù)和逆變器連接配置。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與IEEE P1547等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)總諧波失真提出了限制，一般是對(duì)分布式電源或者微網(wǎng)與配電網(wǎng)的公共耦合點(diǎn)PCC進(jìn)行規(guī)定，而對(duì)于主要由分布式電源直接供電的地區(qū)，其諧波含量有可能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 三相電壓不平衡

與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)采用三相發(fā)電不同，分布式電源系統(tǒng)，如小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，會(huì)采用單相發(fā)電的方式接入低壓電網(wǎng)，可能導(dǎo)致不平衡問(wèn)題更加嚴(yán)重。三相不平衡問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電能損耗增加，是電能損耗的重要原因，此外還會(huì)產(chǎn)生零序電壓，從而導(dǎo)致與零序相關(guān)的繼電保護(hù)正確動(dòng)作。

3 總結(jié)與展望

除以上方面外，隨著分布式電源的大量接入與逆變器單元的不斷增多，一個(gè)亟需解決的問(wèn)題便應(yīng)運(yùn)而生，這就是基于逆變器接入電網(wǎng)的分布式電源的故障特性。隨著分布式電源數(shù)量的增多，發(fā)生故障的幾率也會(huì)不斷增加，而包括最大沖擊電流、衰減時(shí)間常數(shù)在內(nèi)的重要參數(shù)等都需要進(jìn)一步確定，從而保障分布式電源接入條件下，對(duì)電能質(zhì)量、保護(hù)等方面不產(chǎn)生負(fù)面影響。

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