分布式發電對電網的影響及對策

顧定軍

（舟山電力局，浙江 周山 316000）

1 引言

分布式發電（distributed generation—簡稱DG）是指在用戶側或靠近用戶側配置的小型發電裝置，包括小型燃氣輪機、內燃機、風力發電、太陽能發電、水力發電、燃料電池等。當前，以環保性、經濟性為特色的DG技術正在發達國家蓬勃發展，大電網與DG結合被認為是保護環境、降低損耗、提高供電可靠性和靈活性的電力供應方式，是21世紀電力工業的發展方向[1]。DG技術的廣泛應用對電網造成了嚴重影響，如何應對DG 的接入是國家電網公司在智能電網建設進程中必須要面臨的新課題。

由于DG的容量較小，一般就近接入配電網。DG接入系統后將改變配電網的潮流分布、短路電流的流向、大小，從而深刻影響配電網電壓調節控制、繼電保護配置及正確動作、網絡損耗、電能質量及供電可靠性。本文分析了DG的接入對電網造成的各種影響，并提出了消除負面影響的措施。

2 DG對配電網電壓調節的影響及對策

2.1 DG對配電網電壓調節的影響

傳統的配電網是一個放射狀結構的無源網絡，潮流是單向流動的，為了使配網在不同的負荷下維持相對穩定的電壓水平，其電壓調整主要依靠上級變電站內變壓器有載調壓分接開關的切換及無功補償電容器的投退來實現，VQC裝置根據主變負載情況，電壓水平等因數來自動調節分接開關位置，一般采用逆調壓方式即當主變負荷增大時，調高主變二次側電壓。DG接入后，其注入的有功功率和無功功率改變了無源配網的本質，擾亂了原來的潮流流向，很難用傳統的控制策略執行電壓調整，其影響超過調壓能力時將導致配網部分節點的電壓水平超標，DG接入電網后對電壓的影響主要通過改變電網阻抗上有功及無功潮流來實現（圖1）。

圖1 DG接入配網對電壓調整的影響示意圖

在出線L1末端接有DG，發電機出力增大時，主變的負荷將減小，VQC將其抽頭往二次電壓低的方向調整，同時母線與并網點間的壓降減少，當出力達到出線L1的負荷時，壓降為0，而當出力繼續增大，并向出線L2上的部分負荷供電時，并網點的電壓將高于母線電壓，DG周圍用戶的電壓水平可能超上限；而當DG停運時，電壓將突然下降，VQC響應速度根本跟不上潮流變化的速度，主變供電范圍將出現大范圍的電壓超低限值，直至VQC動作為止。而對于并入低壓電網的 DG，因配網的配變沒有有載調壓功能，系統根本無法應對這種因潮流突變而導致的電壓變化，類似問題將更加突出。文獻2通過計算機仿真計算發現，分布于配網的分布式電源對饋線的電壓分布改善作用明顯，如果位置選擇不當，分布式發電的電壓支撐會使某些節點的電壓超標，如果退出運行，某些節點會遭受低電壓的嚴重電能質量問題。

2.2 對策

（1）研究新的VQC及AVC控制策略，使其參與DG的運行控制，以調整DG本身的出口電壓。

（2）在DG接入點安裝快速響應的動態無功補償設備如SVC或SVG。

（3）在正常情況下應多發有功，少發無功，保持高功率因數運行[2]。

（4）根據電網狀況選擇最佳的DG接入位置。

3 對短路容量的影響及對策

3.1 對短路容量的影響

DG作為一個電源，當系統故障時，會向故障點注入短路電流，大量DG的并網運行將增加電網的短路容量，可能會對電氣設備的動熱穩定產生不利影響，對于短路容量接近額定遮斷容量的斷路器而言，其影響甚至是危險的。

3.2 對策

（1）改變配網的運行方式，或在適當地點裝設限流電抗器。

（2）在選址階段，根據電網狀況選擇合適的DG接入位置。

4 對繼電保護的影響及對策

4.1 對繼電保護的影響

（1）背景分析

DG并網后將影響電網的結構及短路電流的大小，流向，短路電流的改變使繼電保護的靈敏性，選擇性降低，給整定計算帶來困難，如果現有的保護和自動裝置的配置及定值不能適應這種變化，可能造成繼電保護裝置的不正確動作，造成事故擴大或設備損壞。

10kV配網由上級變電站供電，保護裝設在變電站饋線開關處，一般配置不帶方向的三段式電流保護，對于非全電纜線路配置三相一次重合閘。DG的接入使配網從傳統的單電源網絡變成多電源網絡，如圖2。

圖2 DG接入配網對繼電保護的影響示意圖

（2）使保護誤動作

如在饋線的BC段接入DG1，此時饋線被分成兩段，其中母線A與DG1接入點之間為雙側電源供電，DG1以下部分為單電源供電。當AB段任一點K1發生短路故障時，保護R2將感受到由DG1流向K1點的反向短路電流，由于R2沒有功率方向元件，若DG1容量足夠大的話，該故障電流可能超過電流整定值，導致BC段饋線保護誤動作，對于R1而言，故障電流僅由系統提供，和未接DG1時一樣。當相鄰饋線AD上的K3點故障，保護R3感受到的故障電流由系統電源和 DG1共同提供，其值大于未接DG1時的值，保護R3的靈敏度提高了，而保護R1、R2將感受到由DG1提供的反向故障電流，當DG1容量足夠大時，該電流可能超過整定值，使保護R1或R2誤動作。

（3）使保護靈敏度降低甚至拒動，部分保護靈敏度增加

如圖2所示，如果未接入DG1，而在饋線的AB段接入DG2，此時若在靠近線路末端C的K2點發生短路故障，流向K2的短路電流由系統電源和DG2共同提供，大于DG2接入前的單純由系統提供的短路電流，使保護R2的靈敏度增加了，而保護R1僅感受到從系統側流過來的短路電流，且該短路電流比未接入DG2時的短路電流小[3]，保護R1的靈敏度降低，嚴重時拒動。未接入DG時，K2點發生短路故障，保護R2的速動段應該不會動作（R2的速斷定值應按躲過線路BC末端即C點最大三相短路電流整定），接入DG2后，K2點發生短路故障，流過保護R2的故障電流隨著DG2容量的增大而增大，當DG2的容量足夠大時，R2測量到的故障電流可能超過其速斷定值，而使保護 R2的速動段動作，使原來配置的繼電保護誤動作，也可以說失去了選擇性。

（4）多臺DG同時接入配網不同位置對繼電保護的影響將變得更加復雜

以上分析只涉及一臺DG接入時的情況，事實上，會有多臺DG同時接入配網不同位置的情況出現，其對繼電保護的影響將變得更加復雜。對于規劃孤島內，由于電網結構的改變（當孤島和大網解列時），保護定值需重新整定，理論上講，需另外生成一套適應孤島運行的保護定值，但不同類型的DG對故障點提供的短路電流不同，難以精確計算短路電流，且實際運行過程中，對于大量未實時受控的配網的保護設備，做到定值隨運行方式改變而及時切換是不現實的。

4.2 對策

（1）為應對DG的接入，電網必須對現有的繼電保護裝置進行重新配置或改造，如所有可能出現雙向供電的線路配置帶方向的電流保護，重新進行定值計算，并驗算靈敏度。

（2）對于規劃孤島內的保護，因情況過于復雜，只能維持原定值，犧牲保護的“四性”。

（3）研究適合于DG接入的新型保護設備，如文獻[6]提出了一種基于多智能體的新型分布式電流保護策略，該策略以工頻電流變化量幅值和相位比較為基礎，利用智能體的分布式處理優勢，實現對故障的在線搜索和定位，適合DG大量接入且具備一定的自適應能力。

5 對自動裝置的影響及對策

5.1 對自動裝置的影響

（1）對自動重合閘的影響

配網接入DG后，如果線路因故障跳閘，由DG帶部分負荷孤島運行，對重合閘有兩方面影響。

1）失去系統電源后，DG可能繼續對故障點供電，使故障點電弧重燃，導致絕緣擊穿，使瞬時故障轉化為永久性故障，如果重合閘動作，就會重合于故障上，線路再次跳閘，不僅使重合閘動作失敗，且使系統再次經歷短路過程。

2）使重合閘不能起動或導致非同期重合閘，對于檢無壓重合閘，將檢測到線路一直處于有壓狀態，使重合閘不能起動；如果是不檢無壓的重合閘，將導致系統電源與DG的非同期并列，沖擊電流可能導致保護誤動、擴大事故或損壞DG。

（2）對備用電源自動投入裝置的影響

如果在主供電源供電中斷時，DG會繼續給失去系統電源的母線供電，由于母線電壓的存在，滿足不了“無壓無流”這一備自投動作的基本條件，導致備自投裝置拒動，影響供電可靠性。如果備自投的無壓檢定電壓定值整定過大，由于DG孤島運行時，有功及無功缺口過大，使母線電壓低至無壓檢定電壓定值以下，可能導致備自投動作，造成系統電源與DG的非同期并列，這是不允許的。

5.2 對策

DG接入后，必須在DG側配置低周低壓解列裝置，確保在自動重合閘、備自投動作前，切除DG，系統側重合閘檢線路無壓，DG側重合閘檢同期，無壓檢定電壓定值宜整定得小一點。

6 對供電可靠性的影響及對策

6.1 對供電可靠性的影響

（1）正面效應

在電網供電能力不足的情況下，DG向外輸送電力，滿足了本來須限電用戶的用電需求，對提高供電可靠性起到了重要作用。

（2）負面效應

在電網供電能力充足的時候不允許孤島運行的DG對提高供電可靠性基本不具正面影響效應，因DG本身故障也可能影響電力系統穩定運行。

（3）有規劃的孤島能進一步提高電網的供電可靠性

DG對供電可靠性的影響與 DG孤島運行緊密相關，孤島運行是指當連接主電網和DG的任一開關跳閘，與主網解列后，DG繼續給部分負荷獨立供電，形成孤島運行狀態，孤島也被稱作微網。

基于以下原因，意外的孤島運行是不允許的。

1）孤島中的電壓和頻率及系統穩定性得不到有效控制，電能質量得不到保障。

2）因系統故障導致的孤島運行，在故障點未被隔離前，會有前述第4點不良影響，影響系統的恢復。

3）電網事故處理人員會誤以為線路已全部停電，從而危害電力事故處理人員的人身安全。

4）對中性點接地的配網，孤島與系統解列后，可能會失去接地的中性點，成為非有效接地系統，此時的孤島運行可能引起過電壓，危害設備及人身安全。

所以DG都被要求裝設反孤島保護，一旦檢測到孤島形成，立即切除DG。

但是，有規劃的允許DG孤島運行，將大大提高電網的供電可靠性（圖3）。

圖3 有規劃的DG孤島運行示意圖

取消DG反孤島保護，在預設的解列點裝設故障解列裝置，該裝置是基于對電網頻率電壓等運行參數的判斷來實現解列的。當解列點系統側可能導致孤島形成的設備（如K1或K2點）故障時，并不解列DG，而是在第一時間跳開解列點開關QF（解列點配置同期裝置，功率方向元件，并退出重合閘），解列點系統側的故障點與DG之間將被有效隔離，DG對系統的恢復已不具負面影響。根據故障后的負荷與DG出力情況，判斷是否需要切除部分不重要的負荷，或部分 DG，或安裝儲能設備，以使孤島保持穩定運行。在系統故障消除，電網恢復正常后，通過 QF的同期裝置實現孤島與大網的并列運行，整個過程中實現了對孤島內的全部或部分用戶的不間斷供電，提高了供電可靠性。當故障點在解列點的孤島側時（如 K4），對于解列點而言，短路功率反向，不滿足解列條件，所以解列點開關不跳閘，由規劃的孤島內的保護來切除故障。因孤島內DG的抗短路擾動能力較系統差得多，且孤島內原來整定的繼電保護定值由于電網結構的改變將失效（在孤島內再發生故障時也存在該問題），如果此時先將孤島解列，可能導致孤島全黑的嚴重后果。

此運行模式已經在舟山電網某高?？蛻舻墓╇娤到y中得到應用，并成功經歷了電網的全停事故，保證了重要負荷的不間斷供電。但還是存在風險，當解列點系統側不會導致孤島形成的設備發生短路故障（如K3點）時（應由L3的保護切除故障，而不應解列孤島），解列裝置可能誤動作，將規劃孤島解列，影響孤島內全部或部分用戶的供電。單個用戶孤島運行與部分公用電力系統孤島運行在技術上是類似的，如果規劃恰當，自動裝置配置合理，實現DG的孤島運行是可能的，其對供電可靠性的提高具有重要積極的影響。2008年的冰雪天氣導致我國發生大面積停電，暴露了現有網架結構在保證用戶連續供電方面的弱點，在大網崩潰的條件下，DG的孤島運行可以保證部分用戶的供電。孤島的規劃及運行穩定控制、保護及自動裝置配置、孤島與大網的相互作用機理等課題是一個全新的研究領域。

6.2 對策

（1）加強對DG的管理，避免DG影響系統事故的發生。

（2）通過有規劃的DG孤島運行模式提高電網的供電可靠性。

7 對電能質量的影響及對策

7.1 對電能質量的影響

（1）太陽能、光伏發電、燃料電池等通過逆變器并網的DG會向電網注入諧波電流，導致電壓波形畸變。

（2）DG如風力發電機的投入和切除引起系統電壓閃變或電壓跌落。

（3）孤島解列時，孤島內的電能質量很難保證。

7.2 對策

通過安裝濾波器解決諧波超標問題，通過配置響應速度快的動態無功補償裝置解決電壓閃變問題。

8 對網損的影響及對策

8.1 對網損的影響

DG接入改變了原有的電網結構和潮流，會對電網的損耗產生影響。文獻[4]指出DG接入并不能保證使網損降低，其對網損的影響與電網結構、電壓等級、以及DG的滲透率（DG裝機容量與用電負荷之比值）有關。

8.2 對策

在規劃階段，以網損、電能質量為目標函數，確定DG的最佳接入點，及DG的功率。

9 對電網運行管理的影響及對策

9.1 對電網運行管理的影響

DG接入增加了配網調度與運行管理的難度，風電、太陽能發電等輸出功率具有不確定性，因通信等原因大量DG不能納入SCADA系統，調度無法實時監控DG的運行，給合理安排運行方式及配網安全穩定運行帶來困難，配網作業的安全風險加大。

9.2 對策

采用各種通信方式將DG納入SCADA系統，加強對DG的運行管理。

10 對電網規劃的影響及對策

10.1 對電網規劃的影響

（1）用戶安裝DG的隨意性將影響負荷預測的準確性，從而進一步影響電網規劃的合理性。

（2）DG接入位置的不確定性，將對包括變壓器容量、分接開關調壓范圍、線路輸送容量、無功補償設備、繼電保護及自動裝置的配置等內容的電網合理規劃帶來困難。

（3）電網規劃需與DG布點及容量規劃協調。DG最佳布點能有效降低系統網損，提高電能質量，但不合適的布點，及未受控制的DG出力都可能增加系統損耗使電能質量不合格，如文獻[5]研究了配電系統中DG的位置和容量規劃問題，建立了考慮經濟性和安全性的DG規劃多目標模糊優化模型。

10.2 對策

將DG規劃與電網規劃有機結合，確定DG最佳布點，實現DG與電網和諧發展的雙贏目標。

11 結論

分布式發電在中國剛剛起步，隨著國家“節能減排，建設節約型社會”等政策的實施，肯定會得到廣泛應用。DG在帶來巨大的經濟及社會效益的同時，也將給電網的安全穩定經濟運行帶來前所未有的重大挑戰，電網經營企業須未雨綢繆，適時開展相關基礎性研究工作，加大DG接入電網課題的研究投入，制定DG入網標準，研究通過DG接入提高供電可靠性的方法，提出消除 DG接入負面影響的措施，必要時向政府要求政策方面的支持，積極應對挑戰。

[1]梁才浩.段獻忠分布式發電及其對電力系統的影響[J].電力系統自動化,2001,25(12)∶53-56.

[2]王志群,朱守真,周雙喜等.分布式發電對配電網電壓分布的影響[J].電力系統自動化,2004,28(16)∶56-60

[3]Girgis A ,Brahma S Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system[a]Proceedings of 2001 IEEE PES Summer Meeting 2001.

[4]Andy BEDDOES, Charles LYNCH, Mike ATTREE,Mark MARSHALL(Impacts of distributed generation on loss of electric power system)第19屆國際供電會議論文集(collections of dissertations of 19th internation conferrnce on electricity distribution) 210-212.

[5]陳海焱,陳金富,楊雄平.配電網中計及短路電流約束的分布式發電規劃[J].電力系統自動化,2006,30(21)∶16-20.

[6]林霞,陸于平,王聯合,劉玉歡.含分布式電源的配電網智能電流保護策略[J].電網技術,2009,33(6)∶82-88.