電力能源轉換與儲存技術(1)分布式電源接入對配電網的影響

蔣心澤,董曉文,包海龍

(上海市電力公司技術與發展中心,上海 200025)

1 引言

分布式電源一般指小型、向當地負荷供電、可直接連到配電網上的電源裝置。分布式電源通常包含分布式發電(DG)裝置和分布式儲能(DES)裝置,容量一般小于50MW。分布式發電可分為基于化石能源的分布式發電技術和基于可再生能源的分布式發電技術以及混合的分布式發電技術。以燃氣三聯供為代表的分布式電源與大電網結合運行,可以彌補大電網供電的不足,因此受到了各國特別是發達國家的重視,各國政府紛紛制定扶持政策,加快了分布式電源的應用。

我國分布式發電起步較晚,但政府重視分布式發電的發展,鼓勵燃氣三聯供分布式電源的發展,取得不少成果。分布式電源并網運行,可以彌補大電網在安全穩定性上的不足,含分布式電源的微電網可在大電網停電時維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來的嚴重后果,一旦發生災害,分布式電源可維持部分重要負荷的供電、減少災害損失。分布式電源啟停方便調峰性能好有利于平衡負荷,在負荷低谷時從電網獲取電能、在負荷高峰時向電網送電,起到對負荷削峰填谷的作用提高電網運行效率,因此發展分布式發電可以延緩大型常規發電廠與輸配電項目的新建,減少電力裝備的投資或者降低投資的風險。

分布式電源投資小、見效快,采用就近向用電設備供電的方法可以避免輸電網長距離送電的電能傳輸損耗,特別是用于大電網不易達到的偏遠地區的供電。以風力發電和光伏發電為代表的可再生能源發電設備也是一種分布式電源。2003年以來,我國政府加強了推進節能減排力度,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進可再生能源利用與提高能效技術發展的政策,提出了2020年應用可再生能源占消費總能源的比例達15%的目標。大規模可再生能源發電必須通過并網運行才能更有效的利用,但是大部分的可再生能源資源都有隨機性,給并網運行帶來很大困難。要大規模發展新能源發電,必須提高電網對分布式電源的接納能力;滿足分布式電源并網的需要,這也是智能電網提出并獲得迅速發展的根本原因。隨著我國可再生能源發電的發展,分布式電源的并網運行的問題也越來越突出。

2 對配電網運行管理的影響

分布式電源的大量接入改變了傳統配電網功率單向流動的狀況,一方面會增加配電網調度與運行管理的復雜性,風力發電、太陽能光伏發電等輸出的電能具有很大的隨機性,而用戶自備分布式電源一般是根據用戶自身需要安排機組的投切;這一切給合理地安排配電網運行方式、確定最優網絡運行結構帶來困難。另一方面,分布式電源的接入給配電網的施工與檢修維護帶來了影響,由于難以對眾多的分布式電源進行控制,停電檢修計劃安排的難度增加,配電網施工安全風險加大。分布式電源的大量接入,給配電網帶來的技術問題具體體現在很多方面。

(1)電壓調整問題 配電線路中接入分布式電源,將引起電壓分布的變化。由于配電網調度人員難以掌握分布式電源的投入、退出時間以及發出的有功功率與無功功率的變化,使配電線路的電壓調整控制十分困難。

(2)繼電保護問題 分布式電源的并網會改變配電網原來故障時短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對繼電保護系統帶來影響。這種影響首先是引起保護拒動,在相鄰線路發生短路故障時,分布式電源提供的反向短路電流可能使保護誤動作,如圖1所示。

圖1 分布式電源對保護動作的影響

如果一個分布式電源接在線路的M處,當線路末端k處發生短路故障時,它向故障點送出短路電流并抬高M處的電壓,因此使母線處保護R檢測到的短路電流減少,從而降低保護動作的靈敏,嚴重時會引起保護拒動。分布式電源的并網還會引起配電網保護誤動,在相鄰線路發生短路故障時,分布式電源提供的反向短路電流可能使保護誤動作。

分布式電源的并網會影響重合閘的成功率,在線路發生故障時,如果在主系統側斷路器跳開時分布式電源繼續給線路供電,會影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功;如果在重合閘時,分布式電源仍然沒有解列,則會造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發電設備帶來危害。分布式電源的并網還會影響影響備用電源自投,如果在主系統供電中斷時,分布式電源繼續給失去系統供電的母線供電,則由于母線電壓繼續存在,會影響備用電源自投裝置的正確動作。

(3)對短路電流水平的影響 直接并網的發電機都會增加配電網的短路電流水平,因此提高了對配電網斷路器遮斷容量的要求。

(4)對配電網供電質量的影響 風力發電、太陽能光伏發電輸出的電能具有間歇性會引起電壓波動,通過逆變器并網的分布式電源也會向電網注入諧波電流,導致電壓波形出現畸變。

3 對配電網規劃建設與經營的影響

分布式電源的大量應用,給配電網的規劃建設與經營帶來了新挑戰。由于大量的用戶安裝分布式電源為其提供電能,使得配電網規劃人員難以準確地進行負荷預測,進而影響配電網規劃的合理性。分布式發電并網的經濟問題。由于分布式電源的接入,特別是對于自備分布式電源的用戶,為保證其自備分布式電源停運時仍能正常用電,供電企業需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業的設備投資與運行成本,這些費用理應有一部分由分布式電源業主來分擔。因此,需要完善電價政策,合理地地調整供電企業與分布式電源業主的利益。

4 技術要求和方案選擇

為確保配電網的安全運行和供電質量,分布式電源并網首先要保證配電網電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。其次要求配電設備正常運行電流不超過額定值,動熱穩定電流不超過允許值。再次,短路容量不超過開關、電纜等配電設備的允許值。最后要求電能質量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規定值。

分布式電源并網對配電網的影響與分布式電源的容量以及接入配電網的規模、電壓等級有關。一般情況下,分布式電源容量在250 kVA以內的接入380 V/400 V低壓電網;分布式電源容量在1～8 MVA的接入10kV等級中壓電網;分布式電源容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網。具體接入方式一般是大容量的分布式電源通過聯絡線接到附近變電所的母線上,如圖2(a)所示;對于小型的分布式電源,為減少并網投資,就近并在配電線路上,如圖2(b)所示。

圖2 分布式電源接入配電網的方式

美國電氣電子工程師協會(IEEE)的第21標準化工作組起草的分布式電源并網系列標準中,定義了剛度系數和短路電流貢獻比兩個參數來衡量分布式電源并網對配電網的影響。其中剛度系數指配電網中分布式電源接入點的設計短路電流與分布式電源額定電流的比值;短路電流貢獻比指配電網在分布式電源接入點發生短路時,來自分布式電源的短路電流與來自配電網的短路電流的比值。剛度系數越大、短路電流貢獻比越小,配電網運行電壓與短路電流受分布式電源,并網的影響也越小。一般認為只要剛度系數大于20,分布式電源并網不會對配電網運行帶來實質性影響。

5 分布式電源并網技術的發展

目前的分布式電源并網技術是“有限接入”,對接入容量有嚴格限制,為了充分利用可再生能源,就必須實現“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網概念提出的根本原因之一。隨著分布式電源的大量接入,配電網就由傳統的無源網絡發展成為有源網絡,當前,涉及這方面的技術研究主要有微電網技術與虛擬發電廠技術。

(1)有源網絡 有源網絡(A ctive Netw ork)指的是分布式電源高度滲透、功率雙向流動的配電網絡。所謂“高度滲透”是指接入的分布式電源對配電網的潮流、短路電流產生了實質性的影響,使得傳統配電網的規劃設計、保護控制、運行管理方法不再有效。有源網絡的概念是針對并網技術對分布式電源接入容量做出嚴格限制的配電網而提出的。有源網絡不再單純地為了不影響現有配電網而嚴格限制分布式電源的接入,而是讓分布式電源盡可能地多發電(特別是對可再生能源)、充分地發揮其對配電網的積極作用以及節省電力系統的整體投資。分布式電源的容量客觀上是可以替代一部分配電容量的,從而減少對發、輸、配電系統的投資。因此,考慮分布式電源對配電容量的替代作用,也是有源網絡的一個重要的特征。有源網絡給配電網的保護控制、運行管理提出了新挑戰,它包括電壓控制、繼電保護、短路電流限制、故障定位與隔離、分布式電源調度管理等。

(2)微電網技術 微電網(M icro G rid)簡稱微網,是指由分布式發電裝置和分布式儲能裝置,以及監控、保護裝置匯集而成的并為相應區域供電的小型發配電系統,能夠不依賴大電網而正常運行,實現區域內部供需平衡。一般來說,微網是一個用戶側的電網,它通過一個公共連接點與大電網連接。圖3是美國電力可靠性技術解決方案協會(CERTS)提出的微電網基本結構。

按照常規的做法,分布式電源必須配備孤島保護,在大電網停電時自動與主網斷開。而微網可以在與大電網脫離后獨立運行,由分布式電源維持區域內所有或部分重要負荷的供電,能夠發揮出分布式電源在提高供電可靠性方面的作用。微網僅在公共連接點與大電網連接,避免了多個分布式電源與大電網直接連接。通過合理地設計,可使微網中分布式電源主要用于區域內部負荷的供電,做到不向外輸送或輸送很小的功率,使得大電網可以不考慮其功率輸出的影響。這樣,就較好地解決了分布式電源大量接入與不改變配電網現有保護控制方式之間的矛盾。就微網本身來說,它是一個“有源網絡”,需要解決功率平衡、穩定控制、電壓調整、繼電保護等一系列問題,微網技術將作為智能配電網的重要研究內容。

圖3 美國CERTS提出的微電網基本結構

(3)虛擬發電廠技術 虛擬發電廠(VPP)技術是將配電網中分散安裝的分布式電源通過技術支撐平臺實現統一調度并將其等效為一個發電區,實現分布式電源大量并網,達到分布式電源的優化利用、降低電網峰值負荷、提高供電可靠性的目的。虛擬發電廠的調度對象主要是可隨時啟動并且功率可調節的分布式電源,如熱電聯產微型燃氣輪機、應急供電柴油發電機組以及各種DES等。對于風能、太陽能發電等可再生能源發電來說,其輸出具有不確定性,且一般需要在具備條件時讓其足額發電,因此不能對其進行有效地調度。實施虛擬發電廠要有配網自動化系統(DAS)作為技術支撐平臺。虛擬發電廠是配網自動化系統的一個高級應用功能。配網自動化系統需要采集、處理分布式電源的實時運行數據,并能夠對其進行調節、控制。除技術問題外,實施虛擬發電廠還涉及電價、政策、法規等一系列問題,目前處于研究探討階段,還缺少成熟的經驗。

6 大規模儲能技術在電網運行中的作用

當今電網發展面臨的問題與挑戰,首先是電網用電峰谷差逐漸增大,調峰矛盾日益突出;其次是不斷擴大的電網規模增大了電網安全穩定運行的風險;再次是電力用戶對電網電能質量的要求不斷提高;最后是可再生能源發展迅猛,其并網運行技術有待完善。面對諸多的挑戰和問題,儲能技術應運而生。儲能技術的發展和應用,將為電網發展方式的轉變奠定重要的技術基礎。儲能系統作為電力系統的平衡器和緩沖器,也是智能電網的重要組成部分,可以解決電力供需不平衡矛盾和提高供電可靠性。

(1)削峰填谷,提高系統效率和設備利用率目前電力系統中負荷峰谷差一般可達到最大發電出力的30%～40%,近年來我國電力系統中的負荷峰谷差還有繼續增大的趨勢,給發電和電力調度造成一定的困難,特別是夏季負荷高峰期電力供應緊張,如果電力系統能夠大規模地儲存電能,即在晚間負荷低谷期將電能儲存起來,白天負荷高峰時釋放出來,就能在一定程度上緩解峰谷差問題避免因為應對峰值用電而增加電廠,延緩新的發電機組和輸電線路建設,提高系統效率和輸配電設備的利用率。

(2)平滑間歇式電源功率波動,促進新能源的集約化開發利用 太陽能、風能等新能源發電具有不同于火電、水電等常規電源的波動性和間歇性,大規模并網運行會對電網的穩定性造成影響,嚴重時會引發大規模惡性事故。在可再生能源裝機容量不斷增加、規模不斷擴大的情況下,增加儲能裝置能夠提供快速的有功支撐,增強電網調頻能力,在電源側配置動態響應特性好、壽命長、可靠性高的大規模儲能裝置,可以有效解決風能、太陽能等間歇式新能源的隨機性和波動性問題,大幅提高電網接納新能源的能力,促進可再生能源的集約化開發和利用。不同的新能源和可再生能源具有不同的特性,儲能系統可以做好各種新能源和常規電源之間的聯調。

(3)增加備用容量,提高系統供電質量 要保證供電可靠性,就要求系統具有足夠的備用容量。在電力系統遇到大的擾動時,例如短路等事故時,儲能裝置可以在瞬時吸收或釋放能量,使系統中的調節裝置有時間進行調整,避免系統失穩并恢復正常運行。而對于電壓暫降和短時中斷等暫態電能質量問題特別敏感的用電負荷,如自動化生產線、大型計算機中心、醫院、重要政府和軍工部門,則需要研究采用以超級電容器、超導、飛輪為代表的功率型儲能技術,快速補償各種電能質量的擾動。儲能系統正是通過對電網進行充放電,來調整頻率偏差、電壓幅值、電壓不平衡率等,以此來改善電能質量。

(4)作為應急電源,保障電網應急電能供應當電網發生供電故障而停電時,儲能系統可以起到大型不間斷電源(UPS)的作用,通過向電網供電以避免突然停電帶來的損失,如圖4所示。

圖4 鈉電池儲能系統在電網故障斷電時對關鍵負荷放電

儲能作為提高智能電網應對新能源發電兼容問題的重要手段,以及實現智能電網能量雙向互動的中樞和紐帶,是智能電網建設中的關鍵技術之一,如圖5所示。

圖5 電力能源存儲技術對電網運行模式的影響

根據能源資源布局和容量規模特點,太陽能、風能、生物質能等新能源一般采用分布式電源方式接入配電網。在大量的分布式發電系統接入配網后,配電網的系統結構和運行特性都將發生很大變化。原有單向電源配電潮流特性將轉變成雙向潮流,一系列包括電壓調整、無功平衡、繼電保護等在內的綜合性問題也將影響著系統的安全運行。如何在配電網中確定合理的電源結構、如何協調和有效地利用各種類型的電源,都成為新能源調度領域迫切需要解決的課題。新能源分布式電源采用大規模儲能技術,將是今后電力系統重要課題之一。