分布式電源接入崇明電網(wǎng)的分析與建議

周捷錦，王 輝，楊東升，龔雷杰

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市崇明電力公司，上海 202150）

0 引言

2011年3月11日，日本發(fā)生大地震和海嘯引發(fā)的福島核危機(jī)，觸動(dòng)了全世界人民的心弦。這次事件進(jìn)一步激發(fā)了反對(duì)“核能發(fā)電”的呼聲，在強(qiáng)大的輿論和政治壓力下，各國(guó)很快做出了響應(yīng)。德國(guó)決定暫緩延長(zhǎng)現(xiàn)有核電站的使用期限、重新審查全國(guó)的17個(gè)核反應(yīng)堆、將17座核反應(yīng)堆中的7座停止運(yùn)行3個(gè)月［1］；意大利將重啟核能發(fā)電的計(jì)劃再次凍結(jié)；美國(guó)作為全球擁有最多核電站的國(guó)家，也在深思核能的去留問(wèn)題；中國(guó)和俄羅斯等更多的國(guó)家則相繼發(fā)出了“謹(jǐn)慎發(fā)展核能”的信號(hào)，在加強(qiáng)核能發(fā)電安全性的同時(shí)，正在探尋安全、環(huán)保、無(wú)污染的核能發(fā)電替代品。

出于對(duì)核電安全隱患的擔(dān)憂，以及受福島第一核電站事故影響，對(duì)清潔型可再生能源的需求有了進(jìn)一步提升，風(fēng)能、太陽(yáng)能和沼氣能等可再生能源備受矚目。然而，風(fēng)能和太陽(yáng)能等分布式可再生電源，因發(fā)電容量小、地理位置分布不均、容易受氣候等條件的限制，造成發(fā)電量不穩(wěn)定且難于調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)于待并電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、備用容量，以及維持穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)調(diào)控及保護(hù)裝置的要求相當(dāng)高，諸多問(wèn)題還一時(shí)無(wú)法解決。如2011年2月24日，甘肅酒泉風(fēng)電基地發(fā)生了一起因低電壓穿越引發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)大面積停電事故［2］，事故的起因是橋西第一風(fēng)電場(chǎng)的一根35kV電纜的電纜頭三相短路，引起低電壓，導(dǎo)致近600臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，損失電量達(dá)84萬(wàn)kW。

如今，各類分布式節(jié)能環(huán)保型電源呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，并網(wǎng)容量不斷加大，而且日趨多元化，如何在充分利用這些能源的同時(shí)，了解和規(guī)避分布式電源帶給我們的一些不良影響，成了當(dāng)下要義。

1 崇明電網(wǎng)的特點(diǎn)及新能源的接入

1.1 崇明電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及負(fù)荷特點(diǎn)

崇明島三面臨江、一面臨海，東西長(zhǎng)約80km，南北寬約13～18km，全島面積為1 267km2，人口約68萬(wàn)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主。

目前，崇明電網(wǎng)由1個(gè)自備發(fā)電廠（崇明發(fā)電廠）、2座220kV變電站、6座110kV變電站以及若干35kV變電站構(gòu)成，供電范圍為整個(gè)崇明島。除崇明發(fā)電廠1臺(tái)5萬(wàn)kW機(jī)組以外，所需用電經(jīng)2條220kV電纜線路從上海電網(wǎng)送入，經(jīng)2條220kV架空線路從江蘇海門(mén)電網(wǎng)送入，經(jīng)1條110kV線路從江蘇南通電網(wǎng)送入（正常運(yùn)行時(shí)為備用方式，或供新海地區(qū)部分終端負(fù)荷）。由于崇明以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，故用電量需求不大，負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢，如圖1和圖2所示。

圖1 崇明電網(wǎng)2003—2010年售電量

圖2 崇明電網(wǎng)2003—2010年最高負(fù)荷

由圖1和圖2可知，2010年崇明電網(wǎng)最高負(fù)荷為326MW，較2009年上升11.3%；最高售電量為13.34億kWh，較2009年上升16%。

1.2 分布式電源的裝機(jī)容量及并網(wǎng)方式

分布式電源是分布式發(fā)電和分布式能源的統(tǒng)稱，是一種分散的、非集中式的發(fā)電方式。分布式供能系統(tǒng)（DES）是一種新興的能源生產(chǎn)方式，是對(duì)大電廠、大電網(wǎng)供電方式的一種補(bǔ)充，與傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)和傳輸系統(tǒng)相比，節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)更加明顯［3］。但是，風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源站，由于發(fā)電容量小，在地理位置上分布不均勻，并且容易受氣候等條件的限制，使得發(fā)電量不穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)能力較弱，為此，要求并入的電網(wǎng)網(wǎng)架要堅(jiān)強(qiáng)和備用充足，以便支撐其穩(wěn)定運(yùn)行。

分布式電源具有接近終端用戶、單個(gè)容量小、以孤立方式或配電網(wǎng)方式運(yùn)行在380V，10kV或低于66kV的配電電壓等級(jí)上，采用天然氣、沼氣、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、小風(fēng)電或小水電等潔凈或可再生能源。

目前，崇明電網(wǎng)內(nèi)的分布式能源，以風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電為主，主要集中在崇明島的東部及中北部地區(qū)，其中包括前哨風(fēng)電場(chǎng)、前衛(wèi)光電場(chǎng)、即將投運(yùn)的前衛(wèi)風(fēng)電場(chǎng)和北沿風(fēng)電場(chǎng)，以及規(guī)劃中的豎河生物質(zhì)能發(fā)電站等。入網(wǎng)方式主要以10kV、35kV并網(wǎng)為主，發(fā)電容量及并網(wǎng)方式如表1所示。

表1 崇明電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量及并網(wǎng)方式

1.3 分布式電源的容量與負(fù)荷配比

目前，上海市政府將崇明島的功能定位為宜居生態(tài)島，崇明的農(nóng)用負(fù)荷將低于工業(yè)負(fù)荷，電網(wǎng)的負(fù)荷增長(zhǎng)率不會(huì)太高，而在發(fā)電方面將催生更多的如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等清潔型電源，將有更多的分布式電源并入崇明電網(wǎng)。

從2011年1月份至9月份崇明電網(wǎng)的風(fēng)電容量分別占全島最高負(fù)荷和最低負(fù)荷百分比統(tǒng)計(jì)來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電容量在總?cè)萘可弦颜枷喈?dāng)比例，若達(dá)到預(yù)期裝機(jī)容量127.5MW，則相當(dāng)于崇明負(fù)荷（按300MW計(jì)）的42.5%，如圖3和圖4所示。

圖3 崇明電網(wǎng)2011年1—9月份風(fēng)電容量占全島最低負(fù)荷比例

圖4 崇明電網(wǎng)2011年1—9月份風(fēng)電容量占全島最高負(fù)荷比例

2 分布式電源接入崇明電網(wǎng)的分析

分布式電源的小巧、隨機(jī)和清潔等特性，使其在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益、供電質(zhì)量等方面對(duì)崇明電網(wǎng)來(lái)說(shuō)有利也有弊。崇明電網(wǎng)自備發(fā)電容量小，大量電力需由外網(wǎng)供入，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，包括規(guī)劃中的秸稈發(fā)電項(xiàng)目，發(fā)電容量比較小，在地理位置上的分布不均勻，并且容易受氣候等條件的限制，故發(fā)電量不太穩(wěn)定。因此，要對(duì)分布式電源給崇明電網(wǎng)帶來(lái)的諸多影響加以分析和引起關(guān)注。

2.1 分布式電源帶來(lái)的效益

清潔無(wú)污染、節(jié)能、環(huán)保，所有這些分布式新能源的特點(diǎn)，響應(yīng)著全球?qū)τ凇暗吞肌钡暮魡荆瑤?lái)了良好的社會(huì)效益。當(dāng)然，分布式電源應(yīng)用較多的是太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電，更多的是一次性投資。由于投資小、見(jiàn)效快，同時(shí)可減少、延緩對(duì)大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電系統(tǒng)的投資，降低投資風(fēng)險(xiǎn)，從而具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

在供電指標(biāo)方面的良好作用同樣凸顯，如減少傳輸損耗，就近向用戶設(shè)備供電，避免輸電網(wǎng)長(zhǎng)距離送電的電能傳輸損耗；緩解受電口子上大電量輸送的壓力；電網(wǎng)大面積停電時(shí)，可以維持就近部分或重要用戶的應(yīng)急供電，避免大面積停電帶來(lái)的社會(huì)不安定和造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重?fù)p失；分布式電源接入輻射型供電線路末端的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)上，該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)所需電量一部分來(lái)自接入的分布式電源，另一部分來(lái)自線路，則線路通過(guò)的有功和無(wú)功，較之未接入分布式電源時(shí)要相應(yīng)減少，增加了線路的負(fù)載能力。

2.2 分布式電源帶來(lái)的問(wèn)題

1）難于預(yù)測(cè)和控制 分布式電源的分散、隨機(jī)變動(dòng)等特性，意味著其輸出是隨機(jī)變動(dòng)的，而且這種變動(dòng)受天氣等自然因素的影響較大，很難進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，倘若按預(yù)期裝機(jī)容量為127.5 MW計(jì)算，相當(dāng)于崇明電網(wǎng)負(fù)荷42.5%的風(fēng)電裝置容量，在沒(méi)有其他有效維穩(wěn)措施的前提下，系統(tǒng)只能留出足夠的備用容量以防萬(wàn)一。

投切的隨機(jī)性以及出力的不穩(wěn)定性，給電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定帶來(lái)了一定的困難，不能合理安排最佳電網(wǎng)運(yùn)行方式，給優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)帶來(lái)困難，使得負(fù)荷預(yù)測(cè)、負(fù)荷平衡、電壓調(diào)整等工作遇到難題，同時(shí)也給規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行帶來(lái)較大的不確定性［4］。

2）電能質(zhì)量 在電壓穩(wěn)定方面，一定容量的分布式電源接入后，負(fù)荷潮流不再是單方向流動(dòng)，而是雙向均可流動(dòng)。分布式電源接入配電線路后，電壓的分布將發(fā)生變化，負(fù)荷潮流變化較大，使得饋線上的電壓幅值發(fā)生變化，造成電壓調(diào)整和維持困難，甚至可能發(fā)生電壓超標(biāo)。

在供電可靠性方面，大部分分布式電源并非完全脫離大系統(tǒng)，其電源的啟動(dòng)需要系統(tǒng)交流電的供給，若大系統(tǒng)停電，則無(wú)法保證啟動(dòng)，供電可靠性也就無(wú)法保證。電壓的不穩(wěn)定，如區(qū)外故障帶來(lái)的電壓穿越，很有可能會(huì)引起類似“2·24”風(fēng)電事故，事故擴(kuò)大也將釀成大面積停電。此外，如果安裝地點(diǎn)、容量和連接方式選擇不恰當(dāng)，則可能不利于電網(wǎng)的可靠性。

3）保護(hù)配置 將小容量風(fēng)力發(fā)電設(shè)備接入電網(wǎng)，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)配置時(shí)基本上不考慮風(fēng)電機(jī)提供短路電流的問(wèn)題，但是如果沒(méi)有方向保護(hù)，則過(guò)電流保護(hù)定值不好設(shè)置，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流可能小于小電源提供的正常電流。因此，必要時(shí)過(guò)流保護(hù)還得配置方向保護(hù)。

如前哨風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)2條35kV的線路并入前哨變電站35kV母線，如圖5所示。

圖5 風(fēng)電接入35kV配電系統(tǒng)

前哨變電站35kV母線處的系統(tǒng)短路容量很小，假設(shè)35kV母線發(fā)生線末故障，參見(jiàn)圖5所示故障處，則流經(jīng)保護(hù)處的故障電流很小，考慮一定靈敏度后所得的定值很小［5］，可能低于正常運(yùn)行時(shí)前哨風(fēng)電站所提供的負(fù)荷電流，此時(shí)如果該保護(hù)無(wú)方向元件加以限制，很可能導(dǎo)致正常情況下的誤動(dòng)作。如果在前哨變電站35kV母線側(cè)加裝方向保護(hù)，那么電流從前哨變電站流入風(fēng)電站時(shí)方向保護(hù)才開(kāi)放，反之則閉鎖方向保護(hù)。

4）自動(dòng)設(shè)備配置 在線路發(fā)生故障時(shí)，如電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)而分布式電源側(cè)未跳開(kāi)繼續(xù)供電，會(huì)影響故障電弧的熄滅，重合閘（尤其是重合時(shí)間非常短的重合閘）無(wú)法成功。如在重合時(shí)小電源仍未解列，則可能造成非同期合閘，引起的沖擊電流使重合閘失敗，同時(shí)也給分布式電源的發(fā)電設(shè)備帶來(lái)傷害［6］。

另外，對(duì)于自切裝置的備用電源投入判據(jù)方面也存在一定困難。電力系統(tǒng)供電中斷時(shí)，本該自切動(dòng)作，使備用電源投入，保證可靠供電。自切的前提是自切裝置判出失去系統(tǒng)供電的母線沒(méi)有電壓，倘若此時(shí)分布式電源繼續(xù)給該母線供電，那么自切將無(wú)法進(jìn)行失電判斷，影響了自切裝置動(dòng)作的正確性。

2.3 安全接入分布式電源的建議

面對(duì)分布式電源在崇明電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用，除了加強(qiáng)相關(guān)工作人員的技術(shù)力量，合理安排運(yùn)行方式，使得負(fù)荷分配更趨合理，規(guī)劃設(shè)計(jì)更具前瞻和科學(xué)，在考慮負(fù)荷供需發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，還得尋求設(shè)備技術(shù)方面的改進(jìn)。比如，在繼電保護(hù)方面，將原放射型電網(wǎng)應(yīng)用較多的過(guò)電流保護(hù)，加裝方向保護(hù)，或干脆改成阻抗保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)、電壓保護(hù)、突變電流保護(hù)、防電壓穿越保護(hù)等。此外，還應(yīng)統(tǒng)一制定并執(zhí)行相關(guān)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)家電網(wǎng)公司2010年8月2日發(fā)布的Q／GDW480—2010國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（2010年版）。

智能電網(wǎng)允許大量分布式電源入網(wǎng)，可以通過(guò)智能電網(wǎng)，使得分布式電源與分布式儲(chǔ)能裝置并網(wǎng)后，在負(fù)荷低谷時(shí)從電網(wǎng)上獲取電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)送電，真正起到削峰填谷的作用，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)各種能源的有效整合［7］。在智能電網(wǎng)中，如果主網(wǎng)出現(xiàn)故障，具備獨(dú)立運(yùn)行條件的配電網(wǎng)自動(dòng)解列，處于解列的配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，則更小的安全孤島自動(dòng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，層層剝離，最大可能地保證供電可靠性。智能電網(wǎng)中的智能調(diào)度及智能信息化，為提高電網(wǎng)調(diào)度的智能化水平奠定了基礎(chǔ)，在潮流實(shí)時(shí)變化時(shí)可以自動(dòng)采取措施進(jìn)行電壓等調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行［8］。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式電源在崇明電網(wǎng)中的推廣與應(yīng)用，其利大于弊。對(duì)于并網(wǎng)后出現(xiàn)的問(wèn)題和存在的困難，應(yīng)該引起高度重視、進(jìn)行認(rèn)真分析并加以解決。隨著我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的深入研究和推廣應(yīng)用，分布式電源在崇明電網(wǎng)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

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