智能配電網(wǎng)中分布式電源并網(wǎng)的思考

王 淼 董仲星 劉宗歧

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

智能電網(wǎng)的提出為新能源和可再生能源的發(fā)展提供了一個(gè)良好的機(jī)遇。分布式發(fā)電是當(dāng)今世界能源發(fā)展問題的結(jié)果，是充分開發(fā)利用多種可再生能源的理想途徑。鼓勵(lì)和支持分布式發(fā)電、可再生能源的利用是智能配電網(wǎng)的特色[1]。

1 分布式發(fā)電技術(shù)

近年來，包括光伏、風(fēng)電等可再生能源新型發(fā)電技術(shù)發(fā)展較為迅速，分布式發(fā)電日漸成為滿足負(fù)荷增長(zhǎng)需求、減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑[2]，并在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 分布式電源優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)

分布式電源得到廣泛應(yīng)用，主要是源于能源形勢(shì)需求、電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)以及其自身的特性。

1）供電可靠性高，各分布式電站相互獨(dú)立，可以自行控制，可以在大停電時(shí)維持全部或者部分重要用戶或地區(qū)供電，減少大規(guī)模停電事故。

2）集中式與分布式發(fā)電的結(jié)合，可以有效節(jié)省投資，提高能效，充分發(fā)揮兩種發(fā)電方式的優(yōu)勢(shì)，從而提高電力系統(tǒng)的靈活性、可靠性與安全性。

3）分布式發(fā)電直接接在負(fù)荷側(cè)，可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)的不足，在意外災(zāi)害發(fā)生時(shí)繼續(xù)供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補(bǔ)充。

4）啟停方便快速，調(diào)峰性能好，操作簡(jiǎn)單，由于參與運(yùn)行的系統(tǒng)少，便于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。

5）可對(duì)區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，適宜大電網(wǎng)不易實(shí)現(xiàn)供電的農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，同時(shí)能夠較大程度上減小環(huán)保壓力。

6）分布式發(fā)電無需建配電站，輸配電損耗很低，輸配電成本也隨之降低。

7）土建和安裝成本低，延緩對(duì)大規(guī)模常規(guī)電廠和輸系統(tǒng)投資，減低投資風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 分布式電源與智能配電網(wǎng)

智能配電網(wǎng)的主要特征之一即是支持分布式電源大量接入。這是智能配電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征[1]。智能配電網(wǎng)中強(qiáng)調(diào)的分布式電源不再硬性的限制其接入點(diǎn)和容量，倡導(dǎo)并且有利于可再生能源的足額上網(wǎng)，積極接入分布式電源并發(fā)揮其作用。同時(shí)通過系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化和保護(hù)控制的自適應(yīng)[3]，支持分布式電源的即插即用，從而實(shí)現(xiàn)各種能源優(yōu)化調(diào)度。

2 分布式電源并網(wǎng)帶來的技術(shù)問題

2.1 算例分析

本文利用前推回代法，對(duì)計(jì)及分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算，從理論上驗(yàn)證分布式電源并網(wǎng)對(duì)原配電系統(tǒng)帶來的影響。為仿真結(jié)果清晰，假設(shè)不同饋線上的負(fù)荷的功率大小一定，配網(wǎng)中的負(fù)荷總量大于分布式電源的容量，收斂精度ε =10-4，算例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，算例數(shù)據(jù)如附表1所示。

圖1 20節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

分布式電源種類的多樣性決定了其模型的多樣性，本文采用文獻(xiàn)[4-6]中的模型。根據(jù)接入配網(wǎng)的方式，將分布式電源的模型基本上分為 3種：P、Q恒定模型，P、V恒定模型和P恒定、Q=f(V)模型。在以下本文的仿真結(jié)果中，由于P、Q恒定模型與所設(shè)定的P恒定、Q=f(V)模型相似、運(yùn)行程序相似，仿真結(jié)果相似，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將P、Q恒定模型視為P恒定、Q=f(V)模型的一種特殊情況，可將其歸于其中。

1）接入P恒定、Q = f (V)型DG后與未接入的節(jié)點(diǎn)電壓比較

假設(shè)在算例在11節(jié)點(diǎn)處接入P恒定、Q = f (V)型的DG，設(shè)

所得各節(jié)點(diǎn)電壓與未接入分布式電源的節(jié)點(diǎn)電壓比較結(jié)果如圖2所示。可以看出，P恒定、Q=f (V)型DGs接入系統(tǒng)同樣可使系統(tǒng)電壓提高。

圖2 接入P恒定、Q=f (V)型DG與未接入的節(jié)點(diǎn)電壓比較

2）接入P、V恒定型DG后與未接入的節(jié)點(diǎn)電壓比較

假設(shè)在算例節(jié)點(diǎn)8處接入P、V恒定型的DG，所得各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓與未接入分布式電源節(jié)點(diǎn)電壓的比較結(jié)果如圖3所示。

圖3 接入PV恒定型DG與未接入的節(jié)點(diǎn)電壓比較

根據(jù)圖示可以看出，接入點(diǎn)8節(jié)點(diǎn)的電壓有明顯提高，進(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓提高，系統(tǒng)整體的電壓水平提高。

此外，對(duì)比圖2，P、V型分布式電源對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓影響更大，因P、V型分布式電源電壓幅值恒定，相當(dāng)于由該節(jié)點(diǎn)向系統(tǒng)注入無功功率，進(jìn)而使得節(jié)點(diǎn)電壓提高幅度較大。

3）不同節(jié)點(diǎn)接入P恒定、Q =f (V)型DG后節(jié)點(diǎn)電壓比較

假設(shè)在算例 8節(jié)點(diǎn)處和 18節(jié)點(diǎn)處分別接入 P恒定、Q=f (V)型的DG，兩種情況下各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓比較結(jié)果如圖4所示。

可以看出，18節(jié)點(diǎn)距離電源側(cè)較遠(yuǎn)，接入DG后節(jié)點(diǎn)電壓與8節(jié)點(diǎn)接入的結(jié)果相比有明顯提高，特別是在接入節(jié)點(diǎn)18附近。可見，分布式電源接入位置不同，對(duì)系統(tǒng)影響效果不同。分布式電源的接入點(diǎn)距離電源側(cè)越近，對(duì)各系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓升高的影響越小。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)接入P恒定、Q=f (V)型DG后電壓比較

2.2 影響分析

我國(guó)傳統(tǒng)的中低壓配電網(wǎng)絡(luò)大多采用單側(cè)電源輻射式供電模式，現(xiàn)在配電網(wǎng)中直接接入分布式電源，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于中低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和供電模式發(fā)生了變化，單電源放射式改為多電源供電，所以配網(wǎng)中潮流分布、短路電流等必將發(fā)生變化，從而為電力系統(tǒng)帶來更多的技術(shù)問題。

1）電能質(zhì)量與電壓調(diào)整

結(jié)合以上算例結(jié)果，配電網(wǎng)中分布式電源的并入，電壓水平、分布會(huì)發(fā)生變化。分布式發(fā)電多由用戶控制，可能頻繁啟停，調(diào)度人員難以掌控其時(shí)間，線路潮流變化頻繁，電壓可能頻繁出現(xiàn)波動(dòng)，電壓調(diào)整難度加大，電能質(zhì)量受到影響，且系統(tǒng)中原有的調(diào)壓方案可能不再符合要求。此外，電壓變化還必將引起無功功率分布變化等問題。

2）繼電保護(hù)

分布式電源的并入改變了配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以及配網(wǎng)中的潮流和短路電流的分布，繼電器的保護(hù)區(qū)域縮小[7]，從而繼電保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性和靈敏性都將會(huì)受到影響，特別是對(duì)三段式電流保護(hù)。例如保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，瞬時(shí)速斷保護(hù)失去選擇性或者誤動(dòng)，重合閘不成功等。

3）故障處理

當(dāng)配網(wǎng)中出現(xiàn)孤島后以及重合閘過程中，分布式電源不能做出迅速反應(yīng)，可能對(duì)設(shè)備、工作人員的安全產(chǎn)生損害。

4）諧波問題

應(yīng)用逆變器接入的分布式電源就會(huì)有諧波問題，切換過程中會(huì)出現(xiàn)某些頻率諧振問題。

5）調(diào)度與管理

分布式電源接入，配電網(wǎng)調(diào)度、操作、信息采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控等過程將更加復(fù)雜，引入和處理大量的配網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)和配合。

此外，大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)后變壓器接地、與需求側(cè)管理配合、鐵磁諧振等問題也是不容忽視的。

3 智能配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃

智能配電網(wǎng)的新特征使得智能配電網(wǎng)的發(fā)展和規(guī)劃也存在一些特殊性。智能配電網(wǎng)區(qū)別于的傳統(tǒng)配電網(wǎng)的一大特性就是大規(guī)模分布式電源的接入和優(yōu)化利用。

分布式電源的接入，為已經(jīng)相對(duì)成熟的配網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)規(guī)劃本身就具有離散性、非線性，且集投資、網(wǎng)架建設(shè)、損耗以及用戶停電損失等多目標(biāo)組合的的優(yōu)化規(guī)劃問題。分布式電源條件的加入，并不僅僅是目標(biāo)函數(shù)限制條件增加的問題，就前文分析的影響，都應(yīng)該在規(guī)劃過程中得以體現(xiàn)。

3.1 規(guī)劃方法

文獻(xiàn)[9]從保障重要負(fù)荷供電角度出發(fā)，引入“負(fù)荷島”的概念，根據(jù)對(duì)島內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)以及分布式電源的容量，進(jìn)行母線與島、島與島之間的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。這種方法的關(guān)鍵在于負(fù)荷島的劃分以及模型的建立。但是其計(jì)及因素相對(duì)較少，主要是提出了負(fù)荷區(qū)分和電源規(guī)劃的一種思路。

從電力公司角度，文獻(xiàn)[10]以電源接入、線路投資以及電網(wǎng)有功損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了配電網(wǎng)節(jié)能減損的規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[11]考慮了在市場(chǎng)條件，并采用啟發(fā)式方法求解。文獻(xiàn)[12]則提出采用新型免疫遺傳算法，以年費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立了模型，并分析其與遺傳算法相對(duì)比的可行性和優(yōu)越性。這種算法具有良好的全局收斂能力，能夠平衡個(gè)體多樣性，理論上適于含分布式電源的配網(wǎng)規(guī)劃問題分析。

文獻(xiàn)[13]提出了分布式電源的布點(diǎn)規(guī)劃流程以及含分布式電源的配網(wǎng)規(guī)劃流程，同時(shí)也提出了分布式電源的最大配置位置確定的方法。文獻(xiàn)[14]則是在變電站和分布式電源位置確定的條件下，詳細(xì)分析不同分布式電源接入點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)影響，得出結(jié)論是：負(fù)荷和分布式電源容量比較匹配的地區(qū)就近接入。這種方法僅是是位置一定條件下優(yōu)化接入點(diǎn)的位置。

3.2 特殊性

現(xiàn)研究所得的多種規(guī)劃模型和方法，重點(diǎn)考慮的因素不同，目標(biāo)函數(shù)不同，使用條件不同。綜合來說，智能配電網(wǎng)的規(guī)劃的特殊性以及主要面臨的技術(shù)問題集中以下幾個(gè)方面：

1）分布式電源的模型的建立

智能配電網(wǎng)中，分布式電源，加上電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等裝置大量介入，增加了系統(tǒng)的不確定性和靈活性。分布式電源利用可再生能源發(fā)電，且多會(huì)受到氣候因素和自然條件的影響，其輸出也具有波動(dòng)性。

2）分布式電源布點(diǎn)和發(fā)展

前文算例已有體現(xiàn)：分布式電源接入點(diǎn)的不同、分布式電源類型的不同，對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度是不同的。所以在智能配電網(wǎng)規(guī)劃過程中，應(yīng)該深入分析配電網(wǎng)可接受的分布式電源的位置、容量，研究分布式電源的接入模式以及相應(yīng)的規(guī)劃方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的評(píng)估、目標(biāo)網(wǎng)架的發(fā)展速度優(yōu)化等問題。

3）負(fù)荷增長(zhǎng)模式的研究分析

分布式電源受用戶控制，從電網(wǎng)的角度而言，相當(dāng)于這部分電源可以與部分用戶負(fù)荷相抵消，即分布式電源直接影響系統(tǒng)電力負(fù)荷增長(zhǎng)模式，對(duì)于長(zhǎng)期的電網(wǎng)建設(shè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)均存在影響。

4 分布式電源并網(wǎng)控制與保護(hù)

隨著大規(guī)模分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行和研究的發(fā)展，分布式電源并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)原有的保護(hù)裝置的影響更加不可忽視。前文已經(jīng)提出對(duì)系統(tǒng)保護(hù)，特別是電流保護(hù)的影響。此外分布式電源并網(wǎng)需要與電力系統(tǒng)配電網(wǎng)良好配合協(xié)調(diào)，才能保證運(yùn)行。

文獻(xiàn)[15]從理論上歸納 4種分布式電源的保護(hù)策略，分析了直流微網(wǎng)的可行性，從通信角度分析交流微網(wǎng)，給出了接入策略。文獻(xiàn)[16]提出一種新的保護(hù)方案，保留了過電流保護(hù)，將被保護(hù)饋線分區(qū)，接入點(diǎn)以上部分采用方向縱聯(lián)保護(hù)，根據(jù)不同接入位置采用不同過電流保護(hù)形式。文獻(xiàn)[17]提出一種自適應(yīng)保護(hù)新方案，保護(hù)整定值隨分布式電源功率輸出水平、故障電流水平變化，并在仿真分析系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障的情況。

總之，分布式電源并網(wǎng)，分布式電源系統(tǒng)自身應(yīng)該具備控制和保護(hù)設(shè)備，能夠檢測(cè)和保護(hù)分布式電源系統(tǒng)，同時(shí)能夠檢測(cè)和處理并網(wǎng)時(shí)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的故障。如果出現(xiàn)故障，能夠延時(shí)處理與系統(tǒng)解列，以保證和系統(tǒng)運(yùn)行。

5 結(jié)論

分布式能源并網(wǎng)是新時(shí)代能源問題的解決方法，是智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，也是智能配電網(wǎng)技術(shù)研究的重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)清潔能源的接納、輸送和應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活控制和互動(dòng)，是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)性工程，需要有相應(yīng)的政策法規(guī)密切配合，還必須兼顧與新技術(shù)的開發(fā)和結(jié)合，例如電動(dòng)汽車、新型儲(chǔ)能設(shè)備等。對(duì)于大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行的深入理論和實(shí)踐待于進(jìn)一步深入研究。

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