谷彩連，冷曉華

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院電氣工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110136;2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽(yáng)供電公司朝陽(yáng)縣供電分公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 引言

近些年，電力市場(chǎng)化改革不斷深入，燃煤發(fā)電和核電的環(huán)境成本、經(jīng)濟(jì)成本逐漸增大，用戶對(duì)電力供應(yīng)的可靠性要求日益提高，隨著可再生能源等新的發(fā)電技術(shù)獲得快速發(fā)展，分布式發(fā)電(Distributed Energy Resources，DER)得到了越來(lái)越多的重視。分布式發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，可降低系統(tǒng)損耗，延緩輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的升級(jí)改造，提高供電可靠性以及降低溫室效應(yīng)等。由于分布式電源的容量較小，一般就近接入配電網(wǎng)。DER接入電網(wǎng)后將改變配電網(wǎng)的潮流分布、短路電流的流向和大小，從而深刻影響了配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制、繼電保護(hù)配置及正確動(dòng)作、網(wǎng)絡(luò)損耗、電能質(zhì)量及供電可靠性［1］，但同時(shí)分布式電源與配電網(wǎng)間的相互作用也將會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，如果得不到合理的解決，接入系統(tǒng)的分布式電源可能會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和電能質(zhì)量，因此如何應(yīng)對(duì)DER的接入是在智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程中必須要面臨的新課題。本文分析了DER的接入對(duì)電網(wǎng)造成的各種影響，并提出了消除負(fù)面影響的措施。

2 分布式電源概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是目前新能源開(kāi)發(fā)中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開(kāi)發(fā)前景的發(fā)電方式。利用天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、與其他發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行如與柴油機(jī)組、與太陽(yáng)能光伏發(fā)電、與燃料電池發(fā)電方式互補(bǔ)等［2］。需要說(shuō)明的是，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要隨風(fēng)能變化而調(diào)整，一般情況下風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻［3］。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和利用方式有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換等［4］。目前，技術(shù)比較成熟的、應(yīng)用廣泛的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，即光電轉(zhuǎn)換。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無(wú)污染、安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)際上利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、屋頂發(fā)電三類(lèi)［5］，圖1為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

2.3 冷熱電聯(lián)供

冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發(fā)電過(guò)程一體化的供能系統(tǒng)。不僅提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。圖2為工作流程圖。

2.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)(Advanced Microturbine)是一種新發(fā)展起來(lái)的小型熱力發(fā)電機(jī)，其單機(jī)功率范圍為25～300kW，其基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械(向心式渦輪機(jī)和離心式壓氣機(jī))，在轉(zhuǎn)子上兩者葉輪為背靠背結(jié)構(gòu)，采用高效板式回?zé)崞?，大多?shù)機(jī)組還采用空氣軸承，不需要潤(rùn)滑油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖2 冷熱電聯(lián)供流程圖

3 分布式電源對(duì)配電系統(tǒng)的影響

3.1 電能質(zhì)量方面

3.1.1 電壓

分布式電源并網(wǎng)后，地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布發(fā)生變化。分布式電源的接入位置和容量對(duì)線路電壓分布影響很大。相同容量的分布式電源接入在不同的位置時(shí)所形成的電壓分布差別很大，光伏發(fā)電介入后將使線路電壓升高，且線路某點(diǎn)電壓變化趨勢(shì)與該點(diǎn)后所有負(fù)荷大小和光伏發(fā)電出力有直接關(guān)系的結(jié)論［6］;文獻(xiàn)［7］則研究了分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響，從DG的容量、接入位置說(shuō)明了其對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，提出了改變變壓器分接頭適應(yīng)DG接入后的電壓，在DG退出后投入電容器進(jìn)行電壓支撐，或利用調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)的方案，但在實(shí)際運(yùn)行的配電網(wǎng)中，某些變壓器并沒(méi)有調(diào)壓能力。分布式電源總出力越大，滲透率(分布式電源的容量與負(fù)荷量的比值)越高，電壓支撐能力越強(qiáng)，整體電壓水平就越高［8］。因此對(duì)接入分布式電源后的地區(qū)電網(wǎng)的電壓分布進(jìn)行評(píng)估。分布式電源并網(wǎng)不但對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的電壓分布影響顯著，甚至引起電壓穩(wěn)定性問(wèn)題［9－10］。一般來(lái)說(shuō)，分布式電源的接入有助于電壓穩(wěn)定性的提高。但分布式電源采用的接口需要從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有負(fù)面影響。當(dāng)風(fēng)電站接入地區(qū)電網(wǎng)后，由于風(fēng)電廠輸入的風(fēng)能變化的隨機(jī)性、間歇性，并且風(fēng)電常采用異步發(fā)電機(jī)，需從地區(qū)電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功，所以容易影響整個(gè)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的電壓崩潰［11］。從這一角度考慮，必須對(duì)含分布式電源的地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓調(diào)度策略進(jìn)行研究，保證整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的無(wú)功平衡;同時(shí)還必須具體研究分布式電源并網(wǎng)后，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性的影響性質(zhì)和程度。

3.1.2 波形

分布式電源經(jīng)過(guò)基于電力電子技術(shù)的逆變器接入配電網(wǎng)。在大型配電網(wǎng)中引入分布式電源后，一些重要母線的諧波電壓水平可能會(huì)較高，我們可以采用在諧波電壓水平較高的母線上安裝特殊濾波器來(lái)抑制諧波電壓;在含有光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，我們可以采用多功能逆變器控制策略，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器中加入并聯(lián)有源濾波器的功能，而且采用參考電壓最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略來(lái)穩(wěn)定電壓源逆變器的輸出電流，能夠起到抑制系統(tǒng)諧波電壓的作用。

3.1.3 頻率

分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率要與地區(qū)電網(wǎng)的頻率保持一致。通常情況下，分布式發(fā)電系統(tǒng)容量較小，其啟停對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的頻率影響較小。但對(duì)于有功出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的較大規(guī)模的分布式發(fā)電系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)，要采用一定的措施，如分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能元件相結(jié)合，以維持穩(wěn)定發(fā)電出力;或保持電網(wǎng)內(nèi)具有足夠的調(diào)峰電源，否則會(huì)引起系統(tǒng)的頻率偏移［12，13］。同時(shí)，電力系統(tǒng)的頻率變換會(huì)對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組造成影響，這要求調(diào)整分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其頻率與電網(wǎng)保持一致。電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，發(fā)電、輸電、用電必須時(shí)刻保持平衡。常規(guī)電源功率可調(diào)、可控，用電負(fù)荷的預(yù)測(cè)精度高，但在具有波動(dòng)性和間歇性分布式發(fā)電系統(tǒng)的情況下，有功出力難以精確預(yù)測(cè)，這給電網(wǎng)調(diào)頻帶來(lái)一定程度影響。

3.2 配電線路的保護(hù)和定位

DG的接入將會(huì)增加配電線路的短路電流，進(jìn)而影響上下游保護(hù)的故障判別能力。采用分散接入的DG對(duì)短路電流的增量可控制在0.545kA以下，對(duì)保護(hù)的整定值影響很小;而采用專(zhuān)線接入的DG將對(duì)保護(hù)的整定值有很大影響［14］。對(duì)于基于FTU的故障定位隔離技術(shù)，若未引入DG，發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)任意兩個(gè)相鄰遙測(cè)點(diǎn)的電流大小來(lái)判斷故障點(diǎn)，即兩點(diǎn)均有或無(wú)短路電流，則故障點(diǎn)不在兩點(diǎn)之間，否則故障點(diǎn)在兩點(diǎn)之間;若線路中引入DG，則線路中的某些區(qū)段變?yōu)殡p端電源供電，需要通過(guò)兩個(gè)相鄰遙測(cè)點(diǎn)的電流方向來(lái)判斷故障點(diǎn)的位置［15］。

3.3 配網(wǎng)規(guī)劃方面

傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃主要是在滿足負(fù)荷增長(zhǎng)和安全可靠供電的前提下，根據(jù)規(guī)劃期間網(wǎng)絡(luò)中空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基本狀況來(lái)確定最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)劃方案。但由于DG并網(wǎng)具有不確定性，使配電網(wǎng)規(guī)劃變得較為困難［16］，主要表現(xiàn)為:DG的接入會(huì)影響系統(tǒng)的負(fù)荷增長(zhǎng)模式，使原有配電系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)和規(guī)劃面臨更大的不確定性，影響后期的系統(tǒng)規(guī)劃;在配電網(wǎng)規(guī)劃中，通常假定在規(guī)劃期間規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)負(fù)荷將逐年增加，因此會(huì)在規(guī)劃中新建變電站，但由于DG的出現(xiàn)和并網(wǎng)，導(dǎo)致難以尋找最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案，不能得到科學(xué)的規(guī)劃結(jié)果。

3.4 配電網(wǎng)可靠性

在含分布式發(fā)電系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)中，分布式發(fā)電系統(tǒng)能部分抵消電網(wǎng)負(fù)荷，減少進(jìn)線的實(shí)際輸送功率和提高輸配電網(wǎng)的輸電能力;同時(shí)分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓支撐作用可以增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)性能［17］，對(duì)提高地區(qū)電網(wǎng)可靠性有重要的作用。當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)故障時(shí)，微網(wǎng)解列為孤島運(yùn)行，此時(shí)如果分布式發(fā)電系統(tǒng)的總?cè)萘看笥诠聧u內(nèi)所有負(fù)荷之和，故障隔離后，分布式發(fā)電系統(tǒng)能保證非故障區(qū)的負(fù)荷繼續(xù)供電，保證供電可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)可靠性也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。如分布式發(fā)的安裝地點(diǎn)、容量、接線方式不恰當(dāng)，也會(huì)降低地區(qū)電網(wǎng)的可靠性［18］;或由于維護(hù)或故障斷路器跳閘等形成無(wú)意識(shí)的孤島，可能出現(xiàn)電力供需不平衡，降低電網(wǎng)的供電可靠性。

3.5 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗［19］

(1)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，網(wǎng)損變化與分布式光伏電源的出力水平、功率因數(shù)和配電網(wǎng)的R/X有關(guān)，在不同的分布式光伏電源有功注入水平下，隨著配電網(wǎng)的R/X的增加，網(wǎng)損降低。

(2)隨著配電網(wǎng)負(fù)荷水平的增加，較小的分布式光伏電源有功注入水平導(dǎo)致網(wǎng)損略微增加;當(dāng)分布式光伏電源的有功注入水平很大時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)損增加很大。但隨著負(fù)荷水平的增加，變化率減小。以超前功率因數(shù)運(yùn)行的分布式光伏電源出力水平較大時(shí)，網(wǎng)損變化率對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷水平的變化更敏感。

(3)配電網(wǎng)的負(fù)荷功率因數(shù)不同時(shí)，分布式光伏電源接入后對(duì)網(wǎng)損是降低還是增加取決于分布式光伏電源的功率因數(shù)和有功注入水平。

(4)當(dāng)分布式光伏電源出力水平和功率因數(shù)發(fā)生變化時(shí)，配電網(wǎng)的網(wǎng)損也將發(fā)生變化。隨著光伏電源出力水平的增加，配電網(wǎng)的網(wǎng)損變化率呈開(kāi)口向上的拋物線型。

3.6 對(duì)電力市場(chǎng)的影響

分布式電源的接入可能使配電網(wǎng)的某些設(shè)備閑置或成為備用。如:當(dāng)分布式電源運(yùn)行時(shí)，與配電系統(tǒng)相連的配電變壓器和電纜線路常常因負(fù)荷小而輕載，導(dǎo)致配電系統(tǒng)部分設(shè)備成為相應(yīng)的分布式電源的備用設(shè)備，從而使配電網(wǎng)的成本增加，供電局的效益下降。另外還可能使配電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)更加困難［20］。而分布式電源由于規(guī)劃布局不合理，中、低壓供電線路長(zhǎng)、覆蓋面廣，線路及產(chǎn)品和設(shè)備陳舊、老化，并網(wǎng)電量計(jì)量方式不當(dāng)，裝置配置不合理，管理、監(jiān)督不利，易造成運(yùn)行中損耗較大、經(jīng)濟(jì)效益低。

3.7 對(duì)可用輸電能力的影響

可用輸電能力的大小不僅能夠衡量電力系統(tǒng)安全和可靠性，同時(shí)在一定程度上能夠反映電力市場(chǎng)交易雙方獲得利潤(rùn)的多少，隨著分布式發(fā)電的廣泛開(kāi)展其對(duì)的影響不容忽視。文獻(xiàn)［21］建立了精確反映DG輸出功率對(duì)線路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓影響的分析方法及數(shù)學(xué)模型，該模型定性反映了DG對(duì)ATC的影響，當(dāng)線路容量成為裝設(shè)有DG的互聯(lián)電網(wǎng)間輸電能力約束時(shí)調(diào)節(jié)DG輸出有功功率來(lái)提高ATC，避免了支路堵塞。

4 對(duì)策

對(duì)減少分布式電源影響的對(duì)策和需要解決的內(nèi)容如表1所示。

表1 分布式電源并網(wǎng)的對(duì)策

5 結(jié)論

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求日益提高。大電網(wǎng)與分布式光伏發(fā)電相結(jié)合，被世界許多能源和電力專(zhuān)家公認(rèn)為是能節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式之一。本文較為全面的分析了分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的影響，并提出了相應(yīng)的對(duì)策和研究方向，為后續(xù)研究提供重要的參考依據(jù)。

［1］顧曉輝，馮林橋，周明，等.面向?qū)ο蟮目梢暬娏ο到y(tǒng)分析軟件研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21(3):20－22.

［2］程明.新能源與分布式電源系統(tǒng)(下)［J］.電力需求側(cè)管理，2003，5(4):43－46.

［3］張麗英，葉廷路，辛耀中.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題及措施［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(25):1－9.

［4］李鑫，李安定，李斌.碟溝斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(12):108－111.

［5］程明.新能源與分布式電源系統(tǒng)(上)［J］.電力需求側(cè)管理，2003，5(3):44－46.

［6］王志群.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(16):56－60.

［7］Choi J H，Kim J C.Advanced voltage regulation method of power distribution system interconnected with dispersed storage and generation systems［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2001，16(2):329－334.

［8］IYER H，RAY S，RAMAKUMAR R.Voltage profile improvement with distributed generation［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，San Francisco，USA，2005.

［9］李斌，劉天琪，李興源.分布式電源接入對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(3):84－88.

［10］AZMY A M，ERLICH I.Impact of distributed generation on the stability of electrical power systems［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，an Francisco，USA，2005.

［11］王敏，丁明.考慮分布式電源的靜態(tài)電壓穩(wěn)定概率評(píng)估［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(25):17－22.

［12］Tran K，Vaziri M.Effects of dispersed generation(DG)on distribution systems［C］.IEEE Power Engineering Society General Meeting，San Francisco，USA，2005.

［13］鄭漳華，艾芊，顧承紅，等.考慮環(huán)境因素的分布式發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化配置［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，29(13):23－28.

［14］Momoh J A，Sowah R A.“Distribution system reliability in a Deregulated Environment:A case study”，IEEE Transmission and distribution conference and exposition，2003，2:562－567.

［15］Barker P P，De Mello R W.“Determining the impact of distributed generation on power systems.I.Radial distribution systems”，IEEE Power Engineering Society General Summer Meeting，2006，3:1645－1656.

［16］王敏，丁明.含分布式電源的配電系統(tǒng)規(guī)劃［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2004，16(6):5－9.

［17］Iyer H，Ray S，Ramakumar R.Voltage profile improvement with distributed generation［C］.IEEE Power Engineering Society General Meeting.San Francisco，USA，2005.

［18］謝瑩華，王成山.基于饋線分區(qū)的中壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(5):35－39.

［19］李新，彭怡，趙晶晶，等.分布式電源并網(wǎng)的潮流計(jì)算［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(17):78－81.

［20］Edgar Demeo，William Grant，Miehael R.Milli gan，Matthew J.Sehuerger.Wind Plant Integration:Costs，Status，and Issues.IEEE Power Energy magazine，November/Deeember，2005:38－46.

［21］王俊，蔡興國(guó)，季峰.分布式發(fā)電對(duì)可用輸電能力的影響［J］，高電壓技術(shù)，2011，37(12)3151－3156.

［22］Varming S，Gaardestrup C，Nielsen J E.“review of technical options and constraints for integration of distributed generation in electricity networks”，SUSTELNET project report，2003.

［23］“Modeling new form of generation and storage”，CIGRE technical brochure，2000(12).

［24］Dugan R C，Mcdermott T E.“Distributed generation，”IEEE Industry Applications Magazine，2002，8(2):19－25.

［25］Samahy I E，Saadany E E.“The effect of DG on power quality in a deregulated environment”，IEEE Power Engineering General Society meeting，2005，(3):2969－2976.

［26］M T，“Reviewing the impacts of distributed generation on distribution system protection”，IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2002(1):103－105.

［27］Barker P P，De Mello R W.“Determining the impact of distributed generation on power systems.I.Radial distribution systems”，IEEE Power Engineering Society General Summer Meeting，2006(3):1645－1656.

［28］Dugan R C，Mcdermott T E.“Operating Conflicts for Distributed Generation on Distribution Systems”，IEEE Industry Applications Magazine，2002，8(2):19－25.

［29］Girgis A，Brahma S.“Effect Of Distributed Generation On Protective Device Coordination In Distribution Subsystem，”IEEE Large Engineering Systems Conference on Power Engineering，2001:115－119.

［30］McDermott T E，Dugan R C.“Distributed generation impact on reliability and power quality indices”，IEEE rural electric power conference，2002.D3－D3_7.

［31］Kaur G，Vaziri M Y.“Effects of Distributed Generation(DG)Interconnections on Protection of Distribution Feeders”，IEEE Power Engineering Society General Meeting，2006:1226－1229.