(武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079)

分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響分析

沈青楊毅陳聰

(武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北武漢430079)

隨著分布式電源在電力系統(tǒng)中所占比例的不斷擴(kuò)大，研究分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響勢(shì)在必行。本文基于分布式電源不同的并網(wǎng)特性，從分布式電源對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及短路特性多方面分析分布式能源接入后對(duì)配電網(wǎng)的影響，研究表明，在合理的位置接入一定容量的分布式電源能夠起到改善電壓水平、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高線(xiàn)路輸送容量、延緩配電網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、提高系統(tǒng)可靠性的作用，但同樣也可能由于分布式電源的接入方式不合理，增加原有配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗，惡化電壓水平，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓降低或者升高甚至出現(xiàn)過(guò)電壓的情況，配電系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，對(duì)配電公司的經(jīng)濟(jì)效益造成損失。本文的研究結(jié)果可以對(duì)電網(wǎng)目前接納分布式電源的能力進(jìn)行分析，為電網(wǎng)規(guī)劃及實(shí)際運(yùn)行提供理論指導(dǎo)，對(duì)電力發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

分布式電源；配電網(wǎng)；并網(wǎng)；電能質(zhì)量；可靠性

一、前言

配電網(wǎng)是將電力系統(tǒng)或電源與用戶(hù)設(shè)施聯(lián)接起來(lái)的重要環(huán)節(jié)，它直接和千家萬(wàn)戶(hù)相連，其安全可靠工作，關(guān)系著廣大用戶(hù)的切身利益。隨著環(huán)保壓力的迫切和節(jié)能減排方案的實(shí)施，越來(lái)越多的分布式電源將接入配電網(wǎng)。由于分布式電源自帶的波動(dòng)性等出力特性，為配電網(wǎng)帶來(lái)一系列問(wèn)題。同時(shí)，分布式電源直接與電網(wǎng)相連和通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)連接兩種不同的并網(wǎng)形式對(duì)配電網(wǎng)的影響也不同，本文將基于分布式電源不同的并網(wǎng)特性，從分布式電源對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及短路特性多方面分析分布式能源接入后對(duì)配電網(wǎng)的影響。

二、分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響

分布式電源容量在電網(wǎng)總裝機(jī)容量中的占比越來(lái)越大，所帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越不容忽視。這些電能質(zhì)量問(wèn)題包括：電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、電力諧波等。

1.分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致電壓偏差。分布式電源接入配電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致其電流、有功和無(wú)功功率的大小和方向的改變，電壓的分布情況也會(huì)不一樣。這都是因?yàn)榉植际诫娫礇](méi)接入前配電網(wǎng)是一個(gè)單方向輸送的系統(tǒng)，分布式電源的加入后，配電網(wǎng)就變成了一個(gè)多電源網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，電壓和潮流大小和方向?qū)?huì)是多變的。分布式電源沒(méi)有接入配電網(wǎng)前，配電網(wǎng)是沿線(xiàn)路的潮流方向，經(jīng)過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)后電壓逐級(jí)下降。而分布式電壓接入后，有多個(gè)電源經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)，所以節(jié)點(diǎn)受到疊加的潮流有可能與原來(lái)的方向相反。所以當(dāng)線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)上的潮流減少和分布式電源輸出潮流疊加后，節(jié)點(diǎn)潮流比原來(lái)的大，此負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓將會(huì)升高，分布式電源就會(huì)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的電壓造成偏差。

2.分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變。配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓水平是由潮流分布決定的，但電源和負(fù)荷功率變化也會(huì)對(duì)潮流分布產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)。分布式電源的輸出功率波動(dòng)也比較大，因?yàn)榉植际诫娫匆话銥轱L(fēng)電、光伏發(fā)電等自然能，其發(fā)電系統(tǒng)輸入的能源波動(dòng)較大，所以分布式電源接入配電網(wǎng)后將會(huì)引起電壓波動(dòng)與閃變。分布式電源一般接入電壓等級(jí)較低的電網(wǎng)，因?yàn)樗亩搪啡萘肯鄬?duì)來(lái)說(shuō)比較小，所以在配電網(wǎng)功率波動(dòng)后將會(huì)產(chǎn)生較大的影響。分布式電源與電網(wǎng)負(fù)荷的運(yùn)行比較不合適時(shí)，有可能會(huì)使系統(tǒng)的電壓波動(dòng)變的更厲害。當(dāng)分布式電源變成孤島運(yùn)行時(shí)，同時(shí)儲(chǔ)能能量太小，會(huì)比較容易導(dǎo)致電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題。大型風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)和退出和發(fā)電機(jī)組輸出功率突然變化時(shí)，會(huì)在風(fēng)電機(jī)組接入配電網(wǎng)的位置、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部造成某種程度上的電壓波動(dòng)與閃變。

其中，風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動(dòng)和閃變的主要因素包括：風(fēng)資源的無(wú)序性和隨機(jī)變化特性以及風(fēng)電機(jī)組自身的一些固有特性，如風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、葉片重力誤差以及偏航誤差等影響因素。

光伏發(fā)電引起電壓波動(dòng)和閃變的主要因素包括：光伏電池輸出功率受光照影響不斷發(fā)生變化時(shí)，會(huì)帶動(dòng)電網(wǎng)潮流、電壓相應(yīng)變動(dòng)。如果光伏滲透率很高，規(guī)模很大，由于日照突變或人為啟停等原因，可能會(huì)造成光伏電源的突然減少或失去，造成電網(wǎng)電壓驟降，嚴(yán)重影響電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定。

3.分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致電力諧波。分布式電源可以通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)。分布式電源中比如光伏發(fā)電、燃料電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)等輸出的電能為直流，當(dāng)它們要接入交流電網(wǎng)時(shí)，它就需要經(jīng)過(guò)逆變器裝置后再與配電網(wǎng)連接，而逆變器在變換直交流的這個(gè)過(guò)程中，會(huì)引起電流、電壓波形發(fā)生畸變，所以會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)大量諧波。此外，通過(guò)電力電子裝置接入配電網(wǎng)的分布式電源的電壓調(diào)節(jié)和控制方式與常規(guī)方式有很大不同，其開(kāi)關(guān)器件頻繁的開(kāi)通和關(guān)斷也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波分量，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。

三、分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性影響

由于分布式能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能)的波動(dòng)性，分布式能源并網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不可避免的隨機(jī)性影響，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)可靠性的角度研究風(fēng)電的隨機(jī)性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入有功功率、無(wú)功功率和電壓的影響。

首先，分布式電源接入配電網(wǎng)，可能對(duì)配電網(wǎng)可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響：

1.配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)電壓會(huì)明顯下降，此時(shí)如果安裝的DG沒(méi)有低電壓穿越能力，為了降低故障面積就會(huì)切除DG，之后通過(guò)線(xiàn)路故障重合閘再將DG接入電網(wǎng)，不僅不能支撐此刻的電壓而且會(huì)使電壓下降的更多。

利用目測(cè)法和隱血試驗(yàn)法測(cè)定清洗質(zhì)量。目測(cè)法：醫(yī)療器械表面烏黑和斑點(diǎn)經(jīng)肉眼可見(jiàn)，說(shuō)明不合格，反之為合格。隱血試驗(yàn)法：利用隱血試紙對(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行擦拭，并將橙液滴入試紙上，30分鐘結(jié)合試紙反應(yīng)對(duì)器械清洗合格予以判定。試紙結(jié)果為陽(yáng)性，可見(jiàn)紫色，表示不合格；試紙結(jié)合為陰性，未見(jiàn)紫色，表示合格。

2.如果DG不能與配電網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備很好的配合，可能會(huì)引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，從而降低配電網(wǎng)可靠運(yùn)行水平。

3.當(dāng)DG的安裝位置、容量和連接方式等不適宜都會(huì)降低配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行水平。

4.分布式能源出力的不確定性，例如受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響的光伏電站，也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)然，分布式能源的接入，也會(huì)給可靠性帶來(lái)提高的一面：

1.風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可以消除配電網(wǎng)的部分過(guò)負(fù)荷和堵塞，減少輸電線(xiàn)路上輸送的功率，增加配電網(wǎng)備用供電容量，加強(qiáng)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)性能，從而保障供電的可靠性。

2.如果風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有適當(dāng)?shù)牟贾煤碗妷赫{(diào)節(jié)方式，可以緩解電網(wǎng)電壓驟降，提高系統(tǒng)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)性能。

3.常規(guī)電源構(gòu)成的大電網(wǎng)，在大面積停電時(shí)后果極為嚴(yán)重。分布式能源的接入在一定程度上可以作為常規(guī)電源的補(bǔ)充，在常規(guī)電源停電時(shí)繼續(xù)給重要用戶(hù)供電。

4.分布式電源并入配電網(wǎng)可以抵消配電網(wǎng)部分負(fù)荷此外，分布式發(fā)電裝置可以自主的選擇與配電網(wǎng)的接通或斷開(kāi)，因此用戶(hù)可以在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)采用DG單獨(dú)供電，這樣配電網(wǎng)變成若干孤島運(yùn)行，減小故障停電區(qū)域。因此，分布式發(fā)電與電網(wǎng)相結(jié)合，有利于提高配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行水平。

四、分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響

在配電網(wǎng)中的負(fù)荷附近接入分布式電源系統(tǒng)，整個(gè)配電系統(tǒng)的功率流向?qū)l(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。根據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和分布式電源出力大小的關(guān)系，可以分為以下三種情況：

1.系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷量都大于或等于該節(jié)點(diǎn)的分布式電源輸出量；

2.系統(tǒng)中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式電源輸出量大于該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷量，但整個(gè)系統(tǒng)分布式電源的輸出量小于系統(tǒng)中的總負(fù)荷量。

3.系統(tǒng)中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式電源輸出量大于該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷量，且整個(gè)系統(tǒng)分布式電源的輸出量大于系統(tǒng)中的總負(fù)荷量。

對(duì)于情況(1)，分布式電源將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)有減少損耗的作用。對(duì)于情況(2)，分布式電源有可能會(huì)使配電網(wǎng)某些線(xiàn)路損耗增減，但總的來(lái)說(shuō)，對(duì)整個(gè)配網(wǎng)損耗會(huì)減少。對(duì)于情況(3)，若分布式電源的總輸出量小于總負(fù)荷量的兩倍，情況與(2)相似，否則，損耗將大于無(wú)分布式電源情況。由此可見(jiàn)，分布式電源接入對(duì)網(wǎng)損影響與電源位置、負(fù)荷量相對(duì)大小和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均有關(guān)系。

五、分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)故障短路的影響

分布式電源接入電網(wǎng)后，配網(wǎng)由原來(lái)的單電源少環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，變成了多電源多環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)，潮流的大小和方向都會(huì)改變，短路電流的大小和方向也會(huì)改變。短路電流的改變，會(huì)影響配電網(wǎng)的繼電保護(hù)，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。同時(shí)，已有研究表明：分布式電源的容量、控制方式、接入點(diǎn)位置，對(duì)短路電流都有影響。

對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障電流的研究，主要有以下研究成果：(1)當(dāng)雙饋電機(jī)發(fā)生三相短路時(shí)，其短路電流中存在直流和交流分量，并且在幾個(gè)周波后達(dá)到穩(wěn)定值；(2)故障后雙饋機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電流變化規(guī)律非常相似；(3)考慮風(fēng)速的變化及風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)機(jī)組之間的相互影響對(duì)風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性的影響，一般情況下，風(fēng)電機(jī)組輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)對(duì)機(jī)組的短路電流影響不大，只有在長(zhǎng)距離重負(fù)荷情況下，短路電流的波動(dòng)較大；(4)異步機(jī)組提供的短路電流峰值大約為6倍額定電流，且不同故障類(lèi)型，電流的衰減速度不同，三相對(duì)稱(chēng)短路情況下，電流衰減最快。

光伏電源受環(huán)境因素(溫度、天氣等)影響較大，輸出功率具有隨機(jī)性和周期性。在不同時(shí)段配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，若短路電流不超過(guò)光伏電源內(nèi)部的電流限值，其輸出的短路電流大小也是不同的。所以不同時(shí)段或不同時(shí)刻光伏電源對(duì)配電網(wǎng)的影響程度也不同。配電網(wǎng)故障時(shí)，光伏逆變器首先出現(xiàn)一個(gè)故障沖擊電流，如果該電流超過(guò)限流值(一般為額定輸出電流的2倍)，則過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，光伏電源立即從電網(wǎng)斷開(kāi)，這個(gè)過(guò)程短暫發(fā)生，在配電網(wǎng)的保護(hù)動(dòng)作之前已經(jīng)結(jié)束。如果沖擊電流沒(méi)有使過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，那么故障電流將減小并趨于短路穩(wěn)態(tài)，大小在限值之內(nèi)，可認(rèn)為光伏電源向配電網(wǎng)輸出恒定的短路電流。對(duì)于小容量、低滲透率的光伏電源，其貢獻(xiàn)的短路電流很小，對(duì)現(xiàn)有保護(hù)的影響在保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠裕度之內(nèi)，故可忽略不計(jì)。但大容量或高滲透率的光伏電源并網(wǎng)后就可能會(huì)使原有保護(hù)失效。

六、結(jié)論與展望

分布式電源與大電網(wǎng)相連，目前主要發(fā)生在配電網(wǎng)。大量分布式電源滲入配電網(wǎng)后配電網(wǎng)潮流隨之變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，將對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大影響。研究表明，在合理的位置接入一定容量的分布式電源能夠起到改善電壓水平、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高線(xiàn)路輸送容量、延緩配電網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、提高系統(tǒng)可靠性的作用，但同樣也可能由于分布式電源的接入方式不合理，增加原有配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗，惡化電壓水平，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓降低或者升高甚至出現(xiàn)過(guò)電壓的情況，使配電系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，對(duì)配電公司的經(jīng)濟(jì)效益造成損失。因此，需要進(jìn)一步分析分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的綜合影響并研究相應(yīng)的解決方法。

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沈青(1983-)，女，博士，武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力系講師，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；楊毅(1980-)，女，碩士，武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力系講師，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；陳聰，(1989-)，女，碩士，武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力系助講，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。