終端用戶分布式新能源接入智能配電網技術研究

王仁祥王小曼

（1.青島大學，山東 青島 266071；2.上海交通大學，上海 266071）

1 引言

環境問題已引起世界各國前所未有的重視。普遍認為，提高能源效率和可再生能源使用效率、減少溫室氣體排放，是未來電網發展的必然趨勢，并提出各種智能電網（Smart Grid）概念，一致認為是改革能源布局的必由之路。縱觀各種關于智能電網的定義和概念，本文認為智能電網是一種由電源框架和信息框架構筑的智能網絡基礎框架，是一種系統、高效、智能的電網體系框架，這個體系框架中的電源以火電、水電、核電等傳統能源為骨干，以平衡方式接入新能源發電系統，并有充足的分布式存儲系統；整個體系框架中遍布著各種傳感器和測量設備、控制裝置，具有先進的數據通信、計算和能源信息管理系統。

由于各國國情不同，發展智能電網的方向和目標各異。美國發展智能電網注重加強電力網絡基礎架構建設，重點在配電和用電側，并大力推動可再生能源發展和提升用戶服務。歐盟國家發展智能電網主要是促進超級智能電網（Super Smart Grid）計劃的實施，發展風能、太陽能等分布式電源（Distributed Energy Resources）的接入技術，實現電源“即插即用（Plug and Work）”的友好、靈活接入方式。日本發展智能電網以大規模開發光伏發電等為主，以保持電網系統穩定。中國未來將以低能耗、低污染、低排放的低碳經濟模式作為社會發展方向，發展智能電網的目標是以特高壓電網為堅強骨干網架，各級電網協調發展，形成堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的統一堅強智能電網（Strong Smart Grid）。可以說，堅強的電源骨干網架是任何模式的智能電網所必須具備的安全支撐基礎框架，智能的能源信息框架及物聯網是實現智能電網技術的載體，靈活接入分布式可再生能源將是實現智能電網的巔峰時代。

在可再生能源中，光伏發電和風力發電發展最快，世界各國都作為重要的發展方向。低碳經濟的核心技術之一是新能源的轉換、利用和并網運行技術，這也是世界各國智能電網技術的研究焦點。為了與我國堅強智能電網的發展相適應，未來應能大幅度提高分布式電源的接納能力，理想的方式應能以“即插即得”方式靈活接入、運行和控制，這無疑會給堅強的智能電網插上翅膀。

2 終端用戶新能源接入配電網的環境和條件

中國可再生能源資源豐富，除水電資源外，太陽能和風能資源也非常豐富。目前，大規模開發利用可再生能源主要集中在大中型風電場、光伏發電場和大型建筑屋頂光伏發電方面，通過10kV及以上電壓等級線路并網發電。近年來，風電裝機容量增速飛快，但由于電網接納能力有限，有些風電場被限制電量上網。相反，光伏發電并網卻寥寥無幾，這主要由于成本高，審批程序和電價核準程序還不明確，致使市場的發展遠遠落后于產業的發展。目前，中國光伏電池年產量已突破200萬 kW，居世界第一。但光伏發電安裝量還不到世界總量的1%，與生產大國的地位相差甚遠。因此業界呼吁盡快建立有效的激勵機制，實現“平價上網”。本文認為出現上述局面的根本原因是目前電網接納能力與新能源發電市場發展不均衡，兩者非合作性博弈所致。電網接納能力屬于技術層面問題，新能源發電市場發展的瓶頸是價格問題，即技術和價格是兩個主要影響因素。技術因素有賴于堅強智能電網的發展，這是新能源發電市場發展的重要基礎和環境；價格因素有賴于市場的有序發展和培育，所說的市場是由生產商、投資商和消費者共同參與博弈的市場。只有技術和價格因素合作性博弈，其結果才對博弈各方均有利，新能源發電市場才能持續發展，政府的指導作用才能真正有效。

本文所述的終端用戶是指在電力市場中的合作性博弈環境下，以利用風能、太陽能等新能源為目的的單一電網用戶，即消費者，其自有的發電設備容量在幾百瓦至幾百kW之間，單機容量在100kW以下，自發自用，多余電量出售給電網，在配電網低壓側（或用戶側）并網，由控制器控制并網條件，當滿足并網條件時自動并網，反之，則隨時脫網。對于發電設備容量在幾百瓦至幾千瓦之間的家庭用戶，可通過220V插座“即插即得”。這樣，在堅強智能電網環境下，可發揮社會各方利用新能源的主動性，從而提高可再生能源的開發力度和使用效率。

3 目前大規模風電、光伏發電和屋頂光伏發電并網存在的主要問題

新能源發電的目的是增加電力系統的電量，減少電力系統對一次能源的消耗。新能源發電具有間歇性、隨機性、可調度性差的特點，目前，在電網接納能力不足的情況下，大規模新能源發電并網會給電力系統帶來一些不利影響，電網必須控制接入容量在可控范圍內，以最大限度地減小不利影響，存在的主要問題在眾多文獻中均有描述，本文總結如下幾點。

3.1 間歇性和波動性發電特點

風力發電和光伏發電受天氣影響均具有間歇性和波動性特點，并網電量隨機波動較大、可調節性差，并網時會產生較大的沖擊電流，從而會引起電網頻率偏差、電壓波動與閃變，引起饋線中的潮流發生變化，進而影響穩態電壓分布和無功特性，使電網的不可控性和調峰容量余度增大，如果電網中沒有足夠的調峰容量，就會使電力系統的安全穩定性受到影響。如果風電機組不具備低電壓穿越性能，風電場并網點電壓跌落時，極易引發電網瞬時故障，影響電網安全運行。這些問題的嚴重程度與接入點電網的電壓等級、短路容量、聯網設備及其控制方法、電源的類型及其并網容量等密切相關。因此，除并網風電和光伏發電系統應具備一定的并網技術性能外，還必須要求電網具備足夠的調峰容量和接納能力。同時要求并網發電系統配置有功功率調整和動態無功功率調整控制功能，還需要配置一定的無功補償，以補償場（站）內的無功損耗。

3.2 注入電網的諧波

由于并網風力發電和光伏發電系統均配有電力電子裝置，會產生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統后，會引起電網電壓畸變，影響電能質量，還會造成電力系統繼電保護、自動裝置誤動作，影響電力系統安全運行。所以，需配置濾波裝置、靜止或動態無功補償裝置等，以抑制注入電網的諧波含量。

3.3 孤島現象

孤島現象是當電網失壓時，并網風力發電和光伏發電系統仍保持對失壓電網中的某一部分供電的狀態，并與本地負載連接形成獨立運行狀態。這時，孤島中的電壓和頻率不受電網控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞；如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會使逆變器過載，可能會燒毀逆變器。同時，會對檢修人員造成危險；如果對孤島進行重合閘操作，會導致該線路再次跳閘。由此可見，對孤島現象的檢測和預防是十分重要的，這也是目前并網風力發電和光伏發電系統急需解決的關鍵技術之一。目前研究的重點技術包括功率預測和儲能技術，具備功率預測系統是并網的必備技術。

3.4 并網標準

目前，我國還沒有統一的關于新能源發電的并網標準，現有的多是關于大中型并網系統的技術規定，相關并網和檢測技術標準、系統檢測和認證體系等都還在逐漸完善中。事實上，目前關于大中型新能源發電并網對電力系統安全穩定性、電能質量、電網調度和運行等的影響因素，以及電網接納能力等方面的技術問題尚沒有確切定論，對接入系統的有功/無功控制能力、電能質量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善，包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網系統的發展，對電網的接納能力、電量調度運行、配套政策等方面會提出新的要求。

由上可見，大中型新能源并網系統的發展，有賴于電網的發展和技術的提高，只有電網具有足夠的接納能力和功率調整能力，才能有效地發揮新能源并網技術和增加電力系統電量的作用。因此，堅強智能電網技術的發展是大規模新能源并網系統發展的重要基礎和環境。智能電網應具備適應新能源特點的電力調度技術和運行管理技術，確保新能源發電容量按自然條件進行發電，以增加電力系統電量，達到利用可再生能源節能降耗的目的。

4 終端用戶新能源接入問題

眾多文獻資料證明，人類的終極能源將是太陽能、風能和水能，大力開發太陽能、風能資源是發展低碳經濟、永續發展的惟一選擇。太陽能、風能資源的特性決定了其最適合分散利用的特點，地球上任何有太陽照射和一定風力的地方，只要環境條件許可都可以建立光伏發電站或風力發電站。隨著分布式電源技術的進步和成本降低，每個電力用戶甚至家庭都可以建立一定規模的分布式發電站（Distributed Generation，簡稱DG），除滿足自身的用電需要外，還可以向電網輸送多余電量。這樣，在電力系統中將分布著數量眾多的微小型終端用戶的 DG組成的微網（microgrid）發電系統，微網發電系統可看成是電力系統中的一個可控功率單元，在某個局部區域內直接將微網發電系統、電網和終端用戶聯系在一起，以優化和提高能源利用效率。電力系統能夠容納這些微網發電系統，并能保證整個電力系統的安全可靠運行，是推動利用可再生能源發展的重要途徑，也是智能電網發展的目標。

4.1 終端用戶新能源接入的特點

（1）DG與主電網并聯運行時，各電站相互獨立，用戶可以自行控制；并網點分布在配電網的末端，并網逆變器通常采用 PWM電壓控制方式，可以維持系統電壓恒定。幾乎不存在大規模風電、光伏發電并網存在的問題，對電力系統的影響很小。由于其容量小，分布性大，不會對電力系統造成明顯的電流沖擊，所以安全可靠性比較高。

（2）由DG和蓄電池組成分布式電源，當接入配電網時，當地負荷同時從配電網獲取功率，能減小電網擾動，保證電能質量。配電網供電中斷時，DG能平滑地過渡到孤島運行，隨后再重新接入配電網。

（3）操作簡單，具有儲能單元，起停快，便于實現自動化，在微網發電系統內可對局部區域的電能質量實現實時監控，除工業用途外，非常適合向農村、牧區、山區，中、小城市或商業區的居民供電。

（4）無需建配電站，可降低附加的輸配電成本，并減少DG接入點配電網中的傳輸功率，增加輸配電網的輸電裕度，減輕輸配電網過負荷壓力，提高末端電壓和系統對電壓的調節性能，減少線路損耗，末端電壓的提高量與DG接入點的位置和總容量的大小有關。

（5）中國已制定《可再生能源中長期發展規劃》及配套細則，發展可再生能源已成為一項基本國策，將實行可再生能源發電全額保障性收購制度，支持智能電網、邊遠地區離網發電及各種新技術研發。在包括財政政策、補貼政策、稅收政策、利率政策等各種政策支持和間接調控手段下，將促使可再生能源市場機制不斷完善，必定會吸引和鼓勵社會團體、社區和個人投資綠色能源的積極性。

4.2 終端用戶新能源接入技術

目前，微小型風力發電和光伏發電系統大致可分為離網蓄電、并網發電及兩者混合系統三類。混合系統兼顧了離網蓄電和并網發電系統的優點，有較強的適應性，用戶可根據電網峰谷電價來調整自身的發電策略。并網控制的目標是控制逆變器輸出穩定的高質量正弦波，且與電網接入點電壓、頻率和相位同步，以達到穩定并網的目的。系統中的逆變器或變頻器技術目前已達到相當高的水準，并都采用了SPWM控制技術。最大功率跟蹤控制是風力發電和光伏發電系統的關鍵技術之一，小型發電系統一般采用被動式最大功率跟蹤控制系統，控制方式簡單實用。

（1）光伏發電的接入和并網方式

光伏發電系統主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、逆變器、濾波器和系統控制器等組成。核心部件是光伏陣列、逆變器和系統控制器。并網方式可以將光伏陣列組件輸出與逆變器連接，經隔離變壓器接入電網，或者將逆變器直接與電網連接。或者將光伏陣列輸出經高頻逆變后，通過變壓器隔離，再經過變頻器與電網相連。由于設有隔離變壓器，直流分量不會流入接入電網，諧波含量低。無隔離變壓器并網方式是將光伏輸出通過DC/DC升壓電路、逆變器和濾波器，直接與電力系統相連，這種方式會向電網注入一定的諧波含量。儲能型蓄電池可起功率和能量調節的作用。

小型光伏發電系統一般通過實時檢測光伏陣列的輸出功率，預測當前工作狀況下光伏陣列可能的最大功率輸出，然后根據功率平衡原則使光伏陣列達到最大功率輸出，實現最大功率跟蹤。主動式自動跟蹤系統采用步進跟蹤方式，包括水平單軸、傾緯度角斜單軸和雙軸跟蹤，前兩者只有一個旋轉自由度，雙軸跟蹤具有兩個旋轉自由度。通過計算得出太陽直射方位，以控制光伏陣列朝向，使其有最大功率輸出。

（2）風力發電的接入和并網方式

目前，已有各種類型的風力發電機結構、發電方式和并網控制方式，如風力發電機有異步發電機、同步發電機和雙饋式感應發電機三類，驅動方式有齒輪箱驅動和直驅式兩類，運行方式有定轉速和變轉速兩種，變轉速風力發電機組的部分或全部容量采用變頻器并網運行。全部容量采用變頻器的直驅式風力發電機組采用永磁同步發電機，能夠在較寬的轉速范圍內運行，具有轉矩密度高的優點，發展前景看好。現代風力發電機都有偏航系統和液壓系統等，以提高運行性能，偏航系統可以隨時跟風，使風輪總是垂直于主風向。液壓系統用于調節葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等。

小型風力發電系統主要由小型風力發電機（直驅式永磁同步發電機或異步發電機）、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、變頻器、濾波器和系統控制器等組成。核心部件是風力發電機、變頻器和系統控制器。并網方式可以將變頻器輸出經隔離變壓器接入電網，或者將變頻器輸出直接與電網連接。特點與光伏發電系統相同。

小型風力發電系統可以預先在控制器中預設風速-最大功率曲線表，由風速傳感器實時檢測風速，并測量整流器輸出側直流電壓，然后根據功率平衡原則，用查表法查找對應的最大功率，使變頻器達到最大功率輸出，實現最大功率跟蹤。

（3）風力發電和光伏發電系統的控制器

風力發電和光伏發電系統的系統控制器是整個系統的神經中樞。兩者除數據采集的參數有區別外，系統控制器的結構是相同的，目前都可以采用可編程序控制器（PLC）和人機界面組成，本文采用西門子S7-1200系列PLC和精簡系列面板，利用PLC的編程組態軟件，可以實現功能強大的控制作用。PLC與人機界面使用以太網（PROFINET）連接，并與上位計算機的通信。人機界面用于顯示系統的測量參數及控制狀態，還可用于對發電系統的手動控制。上位機可以顯示發電系統的運行狀態，并設定控制參數。通過以太網接口，可以將發電系統接入互聯網，實現網絡化遠程監控。系統結構如圖1所示。

圖1 統控制器及系統結構

5 結論

本文通過相關文獻和初步設計對新能源發電技術進行了研究，得到如下結論：目前國內電網接納能力是大規模發展新能源發電的重要基礎和環境，這有賴于堅強智能電網的發展，大力發展微網發電系統是改變能源結構邁向低碳經濟社會模式的必由之路，這有賴于微網技術的發展和市場的有序發展和培育，也是建設堅強智能電網的目標。未來的能源市場是由生產商、投資商和消費者共同參與博弈的市場。目前，微小型風力發電和光伏發電技術已能滿足并網技術的要求，隨著微網和物聯網技術的發展，將實現網絡化控制。大中型風電場、光伏發電場主要存在有功功率調整和動態無功功率調整控制功能方面的缺陷，這有待于進一步研究。

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