曹北建

【摘要】將分布式發(fā)電與集中供電相結(jié)合，清潔、高效利用能源，是電力工業(yè)重要的技術(shù)增長點(diǎn)。本文簡要介紹了分布式發(fā)電的意義和發(fā)展現(xiàn)狀，從資源、產(chǎn)業(yè)和政策出發(fā)分析了分布式發(fā)電的發(fā)展趨勢；從繼電保護(hù)、電能質(zhì)量、配網(wǎng)規(guī)劃以及電力市場等方面分析討論了分布式電源接入系統(tǒng)后對配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行造成的影響。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；分布式電源；配電網(wǎng)；并網(wǎng)技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)快速發(fā)展和以石油、煤炭為代表的化石能源日益面臨枯竭，大力發(fā)展可再生能源是我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。分布式電源是促進(jìn)風(fēng)電、太陽能等分散式可再生能源的開發(fā)利用、提高清潔能源利用效率、解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)電力供應(yīng)問題的重要途徑，以其獨(dú)有的投資低、效率高、靈活跟蹤負(fù)荷變化以及滿足能源可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。世界電力工業(yè)模式已出現(xiàn)了由傳統(tǒng)集中供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式過渡的趨勢，許多發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中己經(jīng)把分布式發(fā)電技術(shù)放在相當(dāng)重要的位置。

1 分布式電源的分類

目前關(guān)于分布式電源的最大容量、接入方式、電壓等級、電源性質(zhì)等相關(guān)界定標(biāo)準(zhǔn)方面，國際上還沒有通用權(quán)威定義。一般認(rèn)為分布式電源可定義為利用分散式資源、裝機(jī)規(guī)模小、位于用戶附近、通過10（35）kV及以下電壓等級接入的可再生能源、資源綜合利用和能量梯級利用多聯(lián)供發(fā)電設(shè)施，包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、潮汐能、海洋能等可再生能源，以及余熱、余壓和廢氣利用發(fā)電和小型天然氣冷熱電多聯(lián)供等。

關(guān)于分布式電源的界定標(biāo)準(zhǔn)，具有如下四個基本特征。一是直接向用戶供電，電流一般不穿越上一級變壓器。這是分布式電源的最本質(zhì)特征，適應(yīng)分散式能源資源的就近利用，實(shí)現(xiàn)電能就地消納。二是裝機(jī)規(guī)模小，一般為10MW及以下。三是通常接入中低壓配電網(wǎng)。由于各國中低壓配電網(wǎng)的定義存在差異，因此具體的接入電壓等級也略有不同，一般為10（35）kV及以下。四是發(fā)電類型主要為可再生能源發(fā)電、資源綜合利用發(fā)電、高能效天然氣多聯(lián)供。

在不同的研究領(lǐng)域，分布式電源有不同的分類方式。一般可以根據(jù)分布式電源的技術(shù)類型、所使用的一次能源及與電力系統(tǒng)的接口技術(shù)進(jìn)行分類。按所利用一次能源是否為可再生能源可以將其分為兩類：一類是利用可再生能源的分布式電源，如太陽能發(fā)電、風(fēng)能、地?zé)岬劝l(fā)電形式；另一種是利用不可再生能源的分布式電源，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、內(nèi)燃機(jī)等。根據(jù)與電力系統(tǒng)的接口技術(shù)可分為直接與系統(tǒng)相連和通過逆變器與系統(tǒng)相連兩大類。若分布式電源是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)直接發(fā)出工頻交流電則為第一類；而逆變器型分布式電源通常指的是將直流電逆變上網(wǎng)（風(fēng)力發(fā)電）和發(fā)出高頻交流電。按分布式電源的出力是否易于調(diào)節(jié)，可將其分為易調(diào)節(jié)和不易調(diào)節(jié)兩類。其中不易調(diào)節(jié)型分布式電源多為利用可再生資源的發(fā)電形式，如風(fēng)力發(fā)電，其出力具有間歇性和隨機(jī)性，主要是因?yàn)樗玫哪茉词峭饬o法控制的風(fēng)能，致其出力也具有不易調(diào)節(jié)。易調(diào)節(jié)型分布式電源，主要是利用不可再生能源的發(fā)電形式，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

分布式電源的發(fā)展由其資源條件、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和政策激勵等決定。資源條件決定了分布式電源發(fā)展的規(guī)模，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)決定了分布式電源發(fā)展的成本，而激勵政策則決定了分布式電源發(fā)展的速度。

就風(fēng)電而言，歐洲風(fēng)電資源較分散，適宜發(fā)展分布式風(fēng)電，但現(xiàn)在已近飽和，歐洲風(fēng)電開發(fā)已由陸上轉(zhuǎn)向海上，集中式開發(fā)、高電壓遠(yuǎn)距離輸送是未來風(fēng)電開發(fā)主導(dǎo)模式。就光伏發(fā)電而言，歐美發(fā)達(dá)國家建筑以中低層的獨(dú)立住宅為主，非常適宜發(fā)展屋頂光伏。就天然氣而言，歐美各國油氣占能源消費(fèi)比重高，管網(wǎng)發(fā)達(dá)。美國天然氣產(chǎn)量世界第一，天然氣消費(fèi)占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%，天然氣多聯(lián)供發(fā)展條件較好。我國風(fēng)能、太陽能資源主要富集在“三北”地區(qū)，主要以大規(guī)模發(fā)展為主，分布式開發(fā)條件不及歐美；天然氣多聯(lián)供發(fā)展存在不確定性；小水電資源豐富，優(yōu)于歐美。

從產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)來看，西方國家電力需求增長逐漸減緩，不存在解決大規(guī)模用電需求增長問題。電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)以第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電為主，負(fù)荷較為分散，電力工業(yè)發(fā)展水平較高，電網(wǎng)網(wǎng)架成熟，適宜通過發(fā)展分布式電源滿足負(fù)荷增長需求。發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較早，具備核心設(shè)備的自主研發(fā)、生產(chǎn)制造能力。我國處于經(jīng)濟(jì)高速增長階段，用電量年均增長率高，但電力系統(tǒng)基礎(chǔ)相對薄弱，風(fēng)電、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與國外相當(dāng)，燃機(jī)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與國外尚有差距。

政策層面上，德國對可再生能源采用固定上網(wǎng)電價機(jī)制，由電網(wǎng)企業(yè)負(fù)責(zé)上、下網(wǎng)電量和自用電量的計(jì)量，由政府進(jìn)行電價補(bǔ)貼。美國主要采用投資稅抵免、投資補(bǔ)貼、配額制等政策，天然氣多聯(lián)供根據(jù)系統(tǒng)效率確定補(bǔ)貼幅度。日本光伏發(fā)電采取初始投資補(bǔ)貼和固定上網(wǎng)電價政策相結(jié)合的激勵政策。我國小水電實(shí)行成本核算電價機(jī)制，風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電采用標(biāo)桿上網(wǎng)電價政策，光伏發(fā)電主要實(shí)行投資補(bǔ)貼政策和標(biāo)桿上網(wǎng)電價，天然氣多聯(lián)供政策尚有欠缺。

目前我國分布式電源以小水電為主，裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量均居世界第一；近年來余熱、余壓、余氣等資源綜合利用和生物質(zhì)發(fā)電增長迅速，居世界前列；但分布式光伏、風(fēng)電、天然氣多聯(lián)供還處于發(fā)展初期，規(guī)模相對較小?？傮w來看，我國分布式電源的發(fā)展規(guī)模并不落后，但是受到資源條件、激勵政策和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的影響，存在明顯的技術(shù)類型差異。隨著激勵政策的進(jìn)一步完善和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的發(fā)展壯大，分布式發(fā)電規(guī)模將進(jìn)一步得到發(fā)展。

3 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響

與傳統(tǒng)的大型電廠相比，分布式發(fā)電具有規(guī)模小、建設(shè)周期短，投資成本低、風(fēng)險小等特點(diǎn)。一方面，可以推遲或減少對輸、配電網(wǎng)升級改造所需的巨額投資，另一方面，由于分布式電源通常建在負(fù)荷附近，還可以很大程度上減少電能損耗，降低輸配電成本。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷成熟完善，其在整個系統(tǒng)中也比重越來越大，并網(wǎng)后對運(yùn)行和規(guī)劃都會產(chǎn)生影響。

3.1分布式電源對配電網(wǎng)運(yùn)行的影響

1.對電能質(zhì)量的影響

（1）對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈輻射狀，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下，沿饋線潮流方向電壓逐漸降低。接入分布式電源后，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下（視負(fù)荷恒定不變）由于饋線上的傳輸功率減小以及分布式電源輸出的無功的支持，使得沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高。電壓被抬高多少與接入的分布式電源的位置及總?cè)萘康拇笮∮嘘P(guān)。

（2）諧波問題

分布式電源接入系統(tǒng)后可能引發(fā)的另一個問題就是諧波問題。諧波的來源有兩種可能，一是分布式電源本身就是一個諧波源，二是分布式電源中采用的一些電力電子設(shè)備。在正常狀態(tài)下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其安裝的濾波裝置狀況，同時與電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。

2.對系統(tǒng)潮流和網(wǎng)損的影響

在負(fù)荷附近安裝分布式電源后，配電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)損將發(fā)生變化。對饋線來講，在某個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)上安裝有分布式電源后，不僅改變電源的總?cè)萘浚€路上的有功和無功也都將減少。可能在重合閘動作時沒有跳離線路，導(dǎo)致非同期重合閘或故障點(diǎn)電弧重燃等潛在的危險狀況。分布式電源對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響，則取決于分布式電源的位置、容量以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，增加了網(wǎng)損管理的復(fù)雜度。

3.對系統(tǒng)保護(hù)的影響

配電網(wǎng)往往是輻射狀、單電源、潮流單方向流動的。當(dāng)系統(tǒng)引入分布式電源后，配電網(wǎng)將成為一個多電源系統(tǒng)，在故障發(fā)生時短路電流大小和短路電流方向都將改變，對系統(tǒng)保護(hù)產(chǎn)生很大的影響。表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）當(dāng)分布式電源接入配電線路后，線路保護(hù)的靈敏度降低或者保護(hù)范圍縮小。若并網(wǎng)點(diǎn)位于速斷保護(hù)死區(qū)，不改變保護(hù)系統(tǒng)的情況下，只能由后備過流保護(hù)動作切除故障，這增加了故障對電網(wǎng)的影響；若調(diào)整速斷保護(hù)定值，則可能造成速斷、過流保護(hù)和其他控制裝置之間無法協(xié)調(diào)，導(dǎo)致保護(hù)誤動作。

（2）相鄰線路故障時分布式電源可能引起所在線路保護(hù)誤動作。如果故障發(fā)生在距離母線較近的部分，由于分布式電源的作用，其所在線路的線路保護(hù)檢測到的故障電流值將大于其整定值，從而引起誤動作，使分布式電源所接線路無故障跳閘。

（3）分布式電源對重合閘的影響。當(dāng)分布式電源接入配電線路后，如果線路因故障跳閘，所形成的孤島保持了功率和電壓在額定值附近運(yùn)行，但分布式電源極有可能在重合閘動作時沒有跳離線路，導(dǎo)致非同期重合閘或故障點(diǎn)電弧重燃等潛在的危險狀況。

3.2分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

分布式電源的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃帶來了實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)，使得電網(wǎng)規(guī)劃人員在選擇最優(yōu)方案時必須考慮它所帶來的影響，具體包括以下幾個方面：

1.產(chǎn)生配電網(wǎng)雙向潮流

不含分布式電源的配電網(wǎng)通常采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行，潮流單向流動。分布式電源接入配電網(wǎng)產(chǎn)生了雙向潮流，給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)調(diào)壓和繼電保護(hù)帶來影響。配電網(wǎng)的調(diào)壓規(guī)則是以潮流從變電站流向用戶為基礎(chǔ)的，但在分布式電源接入電網(wǎng)之后，配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流的大小和方向有可能發(fā)生改變，從而使電力系統(tǒng)中某些部分的電壓也發(fā)生變化。分布式電源接入產(chǎn)生的雙向潮流問題給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)過流保護(hù)也將帶來影響，導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性或者靈敏度降低。如果分布式電源對故障電流的貢獻(xiàn)足以改變短路水平，還將引起熔斷器和斷路器的不匹配，影響電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2. 增加不確定性因素

分布式電源會使電力負(fù)荷預(yù)測、規(guī)劃和運(yùn)行與過去相比有更大的不確定性。由于大量的用戶會安裝分布式電源為其提供電能，使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員更加難于準(zhǔn)確預(yù)測負(fù)荷的增長情況，從而影響后續(xù)的規(guī)劃。另外，分布式電源雖然可以減少電能損耗，推遲或減少電網(wǎng)升級改造的投資，但不適當(dāng)?shù)姆植际诫娫匆?guī)模與接入位置也可能會導(dǎo)致電能損耗的增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)電壓的下降或出現(xiàn)過電壓，還會改變故障電流的大小、持續(xù)時間及其方向。此外，可再生能源的分布式電源，如風(fēng)電機(jī)、光伏發(fā)電等，其隨機(jī)波動性、間歇性和不可控性，也給運(yùn)行增加了不確定性因素。

3.增大問題求解難度

配網(wǎng)規(guī)劃一般考慮5-20年。一般情況下，在此年限內(nèi)，通常假定電網(wǎng)負(fù)荷逐年增長，新的中壓/低壓節(jié)點(diǎn)不斷出現(xiàn)，結(jié)果會增建一個或更多的變電站。由于規(guī)劃問題的動態(tài)屬性同其維數(shù)相關(guān)聯(lián)（通常幾千個節(jié)點(diǎn)需要同時考慮），若再出現(xiàn)許多發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，尋找到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案（即可以使建造成本、維護(hù)成本和電能損耗最小的方案）將更加困難。

4.增加運(yùn)營管理難度

對于在配電網(wǎng)安裝分布式電源的用戶或獨(dú)立投資商，他們與維護(hù)電網(wǎng)安全和供電質(zhì)量的配電網(wǎng)公司之間存在一定的沖突。因?yàn)榇罅糠植际诫娫唇尤雽ε潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。一系列包括電壓調(diào)整、無功平衡、繼電保護(hù)在內(nèi)的綜合性問題將影響系統(tǒng)的運(yùn)行。為了確保電網(wǎng)的安全與優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，必須添置電力電子設(shè)備，實(shí)施相應(yīng)的控制策略與調(diào)節(jié)手段，將分布式電源集成到配電系統(tǒng)。這不但需要改造現(xiàn)有的配電自動化系統(tǒng)，還需將配電網(wǎng)被動管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃庸芾怼?/p>

此外，鑒于分布式電源機(jī)組類型及所采用一次能源的多樣化，如何在配網(wǎng)中確定合理的能源結(jié)構(gòu)，如何協(xié)調(diào)和有效地利用各種類型的電源成為新出現(xiàn)，而且迫切需要解決的問題。因此，分布式電源的廣泛應(yīng)用，使得國家能源政策、能源規(guī)劃等直接滲透到與分布式電源有關(guān)的電力系統(tǒng)規(guī)劃中，并影響規(guī)劃的決策過程。

5.降低供電設(shè)施利用率

作為架設(shè)線路的替代方案，分布式電源能擴(kuò)大配電網(wǎng)的供電容量。因而分布式電源接入配電網(wǎng)可以延緩或避免配電網(wǎng)投資。但另一方面，若分布式電源接入供電容量充裕的區(qū)域或節(jié)點(diǎn)則可能導(dǎo)致原有供電容量長期處于備用或閑置狀態(tài)，降低了供電設(shè)施利用率，產(chǎn)生沉沒成本，使原規(guī)劃方案的配電公司投資無法按期回收。

4結(jié)語

分布式發(fā)電因擁有諸多優(yōu)勢得到了國家政策的大力支持，為分布式發(fā)電的發(fā)展提供了廣闊的空間。隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大以及電力市場化進(jìn)程的不斷深入，越來越多的分布式電源將接入電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。但分布式電源對電網(wǎng)無論是技術(shù)上的影響，還是經(jīng)濟(jì)上的影響，均與其在系統(tǒng)中所處的位置和容量密切相關(guān)。因此，電網(wǎng)企業(yè)必須前瞻性地研究分布式發(fā)電的并網(wǎng)問題，在保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，鼓勵分布式發(fā)電的發(fā)展；另外，電網(wǎng)企業(yè)有必要采取經(jīng)濟(jì)、宣傳等手段，引導(dǎo)分布式發(fā)電的合理建設(shè)與布局，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與分布式電源投資商雙贏的局面，促進(jìn)分布式發(fā)電的大力發(fā)展。

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