分布式發(fā)電并網(wǎng)不利影響及解決方案

羅安伍, 黃瑞先

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,南寧 530004;2.南寧化工集團(tuán)公司,南寧 530023)

1 分布式發(fā)電及其并網(wǎng)

20世紀(jì)80年代末,美國(guó)、歐洲等國(guó)紛紛開(kāi)始采用分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG),全球電力工業(yè)出現(xiàn)由傳統(tǒng)的集中供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式過(guò)渡的趨勢(shì)。2004年,美國(guó)分布式發(fā)電總?cè)萘繛?7 GW,約占美國(guó)國(guó)內(nèi)總發(fā)電量的7%,達(dá)世界平均水平;歐洲分布式電源(Distributed Generation Resources,DGRs)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平;丹麥、荷蘭、芬蘭DGRs的發(fā)電總量分別占國(guó)內(nèi)總發(fā)電量的 52%、38%和36%。

分布式發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保、投資較少、占地小、建設(shè)周期短等特點(diǎn),對(duì)于高峰期電力負(fù)荷比集中供電更經(jīng)濟(jì)、安全有效,故分布式發(fā)電可作為我國(guó)集中供電的有益補(bǔ)充。分布式發(fā)電可作為備用電源為高峰負(fù)荷提供電力,提高供電可靠性;可為邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶、商業(yè)區(qū)和居民供電,降低電力傳輸損耗;可作為本地電源節(jié)省輸變配電的建設(shè)成本和投資,有利于改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)電力能源可持續(xù)發(fā)展。分布式發(fā)電的應(yīng)用與環(huán)保節(jié)能、技術(shù)發(fā)展和電力市場(chǎng)的放開(kāi)等都有關(guān)系,其并網(wǎng)應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析、控制及保護(hù)等有深遠(yuǎn)的影響,進(jìn)一步發(fā)展可能引發(fā)電力市場(chǎng)電價(jià)、用戶側(cè)管理等方面的變革[1]。

分布式電源發(fā)出的電能無(wú)法直接供給交流負(fù)荷,須經(jīng)一定的接口并網(wǎng)。分布式發(fā)電并網(wǎng)接口方式分電力電子逆變器接口和常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)接口兩類,前者在體積、重量、變換效率、可靠性、電性能等方面均優(yōu)于后者,目前主要裝置是并網(wǎng)逆變器。逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是關(guān)鍵,關(guān)系到逆變器的效率和成本。逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)普遍存在如下問(wèn)題:模塊集成帶來(lái)的寄生參數(shù)問(wèn)題;高頻化帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗引起的效率降低問(wèn)題;傳統(tǒng)的逆變器采用工頻變壓器,具有成本高、體積大、逆變效率難以提高等缺點(diǎn)。變壓器及輸出濾波器決定了逆變器的體積和重量。此外,加強(qiáng)對(duì)逆變器的控制、提高輸出電壓波形質(zhì)量和輸出功率等也是考慮的重點(diǎn)。

未來(lái)并網(wǎng)逆變器的研究還需朝減小體積、降低成本、全面提高轉(zhuǎn)換效率、增強(qiáng)承受輸入直流電壓波動(dòng)的能力、不斷提高輸出電能質(zhì)量、確保逆變器的可靠并網(wǎng)運(yùn)行等方面努力。

2 分布式發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響

近年來(lái),分布式電源快速發(fā)展,應(yīng)用越來(lái)越多,在帶來(lái)巨大節(jié)能效果的同時(shí),也出現(xiàn)了許多不良的現(xiàn)象,其中最突出的是分布式電源并網(wǎng)所引起的相關(guān)問(wèn)題。主要問(wèn)題如下。

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化

眾多分布電源的接入將使配電系統(tǒng)發(fā)生根本性的變化:從一個(gè)輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),有點(diǎn)類似Internet。配電系統(tǒng)的控制和管理將變得更加復(fù)雜。分布式發(fā)電的引入會(huì)使傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、運(yùn)行(如無(wú)功補(bǔ)償、電壓控制等)、諧波治理方式徹底改變;現(xiàn)在的配電網(wǎng)自動(dòng)化和需求側(cè)管理(Demand Side Managemet,DSM)的內(nèi)容也需要重新加以考慮;分布式電源之間的控制和調(diào)度必須加以協(xié)調(diào),與分布式發(fā)電有關(guān)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范也需要妥善制定。

(2)配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置整定問(wèn)題

分布式電源的引入,配電網(wǎng)潮流的不確定性增加,會(huì)造成配電網(wǎng)電壓控制困難,引起電壓閃變,導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生短路電流,對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)置和動(dòng)作值的整定增加了一定難度,需要解決好可靠性問(wèn)題,特別是繼電保護(hù)的配合問(wèn)題。分布式電源一般通過(guò)10 kV饋線接入配電系統(tǒng),而這一級(jí)別的配電系統(tǒng),一般采用3段式電流保護(hù)(瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù))。DG是DGRs的接入可能導(dǎo)致保護(hù)裝置的靈敏度降低,甚至拒動(dòng),還可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作,以及相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)裝置誤動(dòng)作,失去選擇性。

隨著大量的DG裝置參與電網(wǎng)供電,在新的電力市場(chǎng)環(huán)境下,電價(jià)將決定各個(gè)發(fā)電廠的投切。當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)高時(shí),用戶側(cè)分布式電源將投入發(fā)電;當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)較低時(shí),DG裝置的用戶將從電網(wǎng)購(gòu)入電能。因此,在DG頻繁投切和線路潮流方向頻繁改變的情況下,如何對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行整定和協(xié)調(diào),是一個(gè)非常重要的研究課題[2]。

(3)引入大量諧波,電能質(zhì)量下降

分布式電源并網(wǎng)時(shí),由于大量電力電子器件應(yīng)用于分布式電源,所以不可避免地給系統(tǒng)帶來(lái)大量諧波,諧波的幅度和階次受到發(fā)電方式以及轉(zhuǎn)換器工作模式的影響。同時(shí)對(duì)電壓的穩(wěn)定性和電壓的波形都產(chǎn)生不同程度的影響。為了盡可能取得最大效益,在安全穩(wěn)定的前提下盡可能多地接入DG,一臺(tái)DG通常是一種變換器-逆變器單元,可看做一種向配電饋線注入諧波的非線性負(fù)荷,如果DG貢獻(xiàn)的諧波電流足夠大,公共電網(wǎng)的電壓或電流畸變超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),電網(wǎng)公司會(huì)限制其準(zhǔn)入功率[3-4],DG的應(yīng)有效益就不能發(fā)揮,通過(guò)發(fā)展輸配電技術(shù)來(lái)解決大量DG的接入問(wèn)題將是一個(gè)重要的研究方向。

(4)影響配電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性

分布式電源并網(wǎng)時(shí),會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響,其影響程度的大小依賴于不同類型的分布式電源。對(duì)于采用異步發(fā)電機(jī)接口的DG,并網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性具有負(fù)面影響,并網(wǎng)位置離系統(tǒng)最薄弱支路越遠(yuǎn),負(fù)面影響就越小;對(duì)于采用無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的同步發(fā)電機(jī)接口的DG和采用具有功率控制單元的變換器作為接口的DG,并網(wǎng)時(shí)則能改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性,并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)最薄弱支路,則改善系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的程度越顯著。

(5)其他問(wèn)題

分布式發(fā)電還有一些問(wèn)題如占地問(wèn)題、效率問(wèn)題和表計(jì)問(wèn)題。占地問(wèn)題,如果分布式發(fā)電都建設(shè)在城市里面,那么城市就很擁擠。表計(jì)問(wèn)題,因?yàn)槟茉词请p向流動(dòng),如果屋頂裝了太陽(yáng)能,那么白天家里沒(méi)有人不用電,電能就往配電網(wǎng)注入。因此這個(gè)情況電表要全部記錄下來(lái)。現(xiàn)在國(guó)外已采用表計(jì)雙向測(cè)量。如果我們也采用這種方法,那么大量表計(jì)要全部換掉。效率問(wèn)題,分布式發(fā)電的效率可以達(dá)到80%多,但是有時(shí)候只能達(dá)到60%多。還有環(huán)保問(wèn)題和防火安全問(wèn)題。

3 分布式發(fā)電并網(wǎng)不利影響的解決方案

分布式發(fā)電的拉入給電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷預(yù)測(cè)帶來(lái)了很多不確定性問(wèn)題,對(duì)電能質(zhì)量、運(yùn)行可靠性帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。分布式發(fā)電首先要解決的是并網(wǎng)接口問(wèn)題。當(dāng)前的并網(wǎng)接口是以電力電子方式為主的逆變器系統(tǒng)。它首先把波動(dòng)的電能進(jìn)行儲(chǔ)存(大多數(shù)為電容)、整流,然后以脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)逆變方式接入系統(tǒng)。電力電子方式的頻繁接入給系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染,同時(shí)高頻PWM方式工作的整流逆變系統(tǒng)不能適應(yīng)大功率場(chǎng)合使用,也易造成高頻諧波污染問(wèn)題和可靠性問(wèn)題[5-8]。為解決這個(gè)問(wèn)題,可在系統(tǒng)和逆變器之間加入具有相間電磁耦合的變壓器或電抗器。以三相電抗器為例,如圖1和圖2所示。

顯然由圖1可得等效電路的電壓方程如下:

圖1 三相互耦合電抗器

圖2 三相互耦合等效原理圖

一般來(lái)說(shuō),靜止型的電磁感應(yīng)裝置各繞組間的自感和互感是恒定的常數(shù)。計(jì)算繞組的自感和相間的互感,則可以得出繞組的磁鏈方程如下:

將式(2)代入式(1),由于繞組自感和互感為常數(shù),則得

由式(3)和圖1,圖2,可得系統(tǒng)側(cè)電壓分為逆變輸出電壓、自感電勢(shì)、相間電磁耦合電勢(shì)3部分,即

式中,L為一相自感,M為相間互感,eaa,eab,eac分別代表A相自感電勢(shì)、B相對(duì)A的互感電勢(shì)、C相對(duì)A的互感電勢(shì),其他相符號(hào)依次類推。由此可見(jiàn),系統(tǒng)側(cè)電壓不僅僅與逆變輸出電壓和電路的自感相關(guān),還與相間互感存在關(guān)聯(lián)。由于互感的作用,使PWM波得到更好的緩沖,從而以極限電磁速度在相間進(jìn)行畸變功率的傳遞,抑制高頻諧波的污染。

這是解決分布式發(fā)電接入時(shí)產(chǎn)生諧波污染的一種新思路,可以把它進(jìn)一步推廣到變壓器型式。它充分利用主電路元件良好的電氣特性,對(duì)諧波抑制具有快速的動(dòng)態(tài)電磁響應(yīng)特性。

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