分布式電源接入對電力系統穩定運行產生的影響研究

張志強 李鑫

摘要：在我國社會經濟快速發展的背景下，電力系統的生產管理技術也在不斷進步，而分布式電源接入對電力系統運行的穩定性產生了一定的影響。本文主要闡述了分布式電源的特點，分析了其在能源轉型中的重要性，明確了分布式電源接入帶來的功率波動、電壓波動、諧波擾動等問題，并提出相應的解決方案和措施建議，以供參考。

關鍵詞：分布式電源；電力系統；穩定性

DOI：10.12433/zgkjtz.20232838

隨著能源需求的不斷增長以及環境污染問題日益突顯，分布式電源作為一種可持續發展能源形式變得越來越重要。與傳統集中式發電方式相比，分布式電源具有分散性、靈活性和可再生等優勢，在推動能源轉型和提高供電質量方面發揮著重要作用。但由于接入方式與傳統發電方式存在差異，分布式電源接入也帶來了新的問題和挑戰。目前，許多地區已開始大規模引入分布式電源，并將其納入電力系統進行管理。因此，有必要對分布式電源接入帶來的穩定性問題進行深入研究和分析。

一、分布式電源分類

（一）風力發電

風力發電是一種利用風能轉化為電能的分布式電源形式，技術原理是通過風力機轉動葉片產生的動能驅動發電機，進而將機械能轉化為電能。具體來講，主要特點包括：首先，風力發電不會產生二氧化碳等有害氣體，不會造成空氣污染和溫室效應，屬于可再生清潔能源。同時，風力發電依賴于風力資源，具有可再生性、持續性和廣泛性。其次，風力發電系統可以根據需求進行靈活擴展，安裝多個風力渦輪機組成一個大型的分布式發電網絡。由于分布式風力發電系統通常是模塊化設計，多個渦輪機共同工作，在并聯狀態下，即使某些渦輪機出現故障或影響，整個系統可以繼續保持運行。最后，受天氣條件、地形等因素的影響，風速存在較大的變化，導致風力發電存在功率波動較大的特點。與其他分布式能源相比，風力發電依賴風速。結合儲能技術，可以儲存多余的電力，確保在低風速或無風時正常使用。

（二）太陽能光伏發電

太陽能光伏發電是利用太陽光輻射直接轉換成電能的分布式電源形式，主要通過光伏組件中的光敏材料吸收光子并釋放相應數量的電子，從而產生直流電壓。太陽能光伏發電的特點主要表現為：首先，太陽能光伏發電不排放有害氣體，不產生污染，對環境友好。其次，利用太陽輻射能，太陽是取之不竭的能源，只要有日照，就可以持續發電。再次，太陽能光伏發電依賴充足的日照條件，同時季節、云量等天氣因素也會影響光伏系統的發電效果。另外，光伏發電系統可以根據需求進行靈活的擴展和布置，且我國很多地區都有著豐富的光伏資源，意味著該技術可以廣泛應用于人們的生產生活中。安裝容量小的光伏系統可以滿足單個建筑或家庭的需求，多個系統可以組成一個大型的分布式發電網絡。值得一提的是，隨著現代儲能技術的不斷發展，結合儲能技術，可以儲存多余的電力，滿足陰天或夜間使用。

二、DG接入的拓撲結構

DG可以通過并聯或串聯方式與電力系統接入，其中，并聯連接指將多個DG設備以平行方式與電網相連；串聯連接是將多個DG設備串行連接，使其形成一個共同輸出。這兩種連接方式在實際應用中各具特點，需要考慮容錯能力、調度靈活性以及系統韌性等因素。當多個DG并聯接入電網時，需要通過協調控制器，實現各個DG之間的能量平衡和功率控制。協調控制器通常采用循環控制策略，監測各個DG輸出功率情況，并根據設定值進行動態調整。同時，集群控制需要解決協議設計、通信策略、功率調度等問題，以實現整體性能的最優化。

在DG接入的拓撲結構中，微網的重要性不言而喻。微網是一種基于DG設備形成的小型電力系統，可以獨立運行或與主電網互連。拓撲結構需要考慮如何高效地切換微網內部和外部供電模式，并確保能夠滿足用戶需求、使用可再生能源等。

在電網保護方面，傳統的過流保護、過載保護等仍適用于部分場景，但由于DG具有額外的功能特性（如逆變器模式），需要考慮新型保護技術。例如，要對DG的電流、電壓等參數進行實時監測和快速響應，避免發生故障。需要注意的是，DG接入可能導致功率質量問題，例如，電壓波動、諧波污染等。對此，可以引入先進的控制算法和濾波器減少電網中的諧波含量，并確保供電參數符合標準要求。另外，當多個DG設備同時提供供電服務時，要優化路由選擇算法，確定最佳供電路徑。路由選擇需要考慮供電負荷、電網拓撲結構、DG設備容量等多方面因素。并且拓撲結構要考慮DG接入引起的保護問題，包括過流保護、過載保護等。此外，還要采取安全措施防止惡意攻擊和未經授權操作給系統造成的威脅。

在該類技術進一步發展的背景下，智能配電網技術被認為是重要趨勢。該技術主要將DG接入的拓撲結構與智能配電網相結合，實現有源配電網的監測、控制和管理。通過使用先進的傳感器、遠程通信和信息處理技術，可以實現對DG接入的實時監測、故障檢測和優化資源分配等功能。

三、分布式電源對于電力系統穩定運行的影響分析

（一）電壓分布受到的影響

電壓分布是電力系統中的重要指標之一，而分布式電源的接入會對電壓分布產生影響。首先，由于長距離輸電線路、低傳輸能力設備或不合理的配網，分布式電源的接入可能導致系統中某些節點的電壓超過額定范圍。高電壓會損害設備，增加系統故障率。對此，第一，調整系統配置和拓撲結構，優化供電路徑以減少輸電損耗；第二，加強分布式發電設備與配網之間的協調和通信，通過實時監測和信息反饋動態調整，穩定系統的輸入和輸出；第三，在關鍵節點安裝適當的有功功率調節裝置（如無功補償裝置等）控制節點處的電壓水平。

其次，分布式電源也可能導致某些節點的電壓過低。這一般是因為線路阻抗增加、分布式發電容量過大或分布式發電機組控制不當等原因引起的。低電壓會影響用戶設備的正常使用，可能導致設備損壞和能源浪費。當出現問題時，第一，應加強配網規劃和設計，優化輸電線路的容量和質量，提高輸電效率；第二，采用先進的變壓器技術，在關鍵節點增加自動電壓調節器穩定電壓水平；第三，強化分布式發電設備的管理和控制，確保連接到系統中時能適應負荷變化，并設置合理的功率。

（二）電能質量受到的影響

分布式電源的接入可能會對電能質量產生一定影響，存在非線性負載，例如，逆變器等，會將諧波引入到電力系統中，導致電網諧波擴散、電壓畸變和設備故障。這些問題可能降低用電設備的性能并損害設備壽命。對此，應設計和使用濾波器抑制諧波，符合相關的國家標準。同時，優化分布式發電設備的工作方式和控制策略，減少諧波注入。通過合理規劃分布式發電裝置與網絡之間的連接方式，采用恰當的保護裝置限制諧波擴散。

除此之外，分布式電源接入可能導致電力系統中出現不平衡現象，例如，不平衡負荷、不平衡故障等，進而引發三相電壓偏移、功率因數下降以及瞬態過程中電網振蕩等問題。對此，可采取以下措施：第一，加強配電網的規劃和設計，優化負載分布和連接方式，減少不平衡情況；第二，安裝合適的無功補償設備，改善功率因數和減輕不平衡負荷；第三，采取科學的故障保護策略和系統監測手段，及時檢測并解決潛在的不平衡問題。

總的來說，電能質量對電力安全及用戶體驗的影響較大，要想應對分布式電源對電力系統電能質量帶來的影響，應通過合理設計濾波器、優化工作方式與控制策略、加強配電網規劃以及安裝無功補償設備等手段提高電能質量。

（三）諧波污染

諧波污染是指電力系統中存在的非整數倍頻諧波導致的電壓和電流畸變現象，而分布式電源接入可能會引起諧波污染問題。分布式電源中存在非線性負載，如逆變器等，會向電網注入含有高次諧波成分的電流，導致系統中諧波水平升高，影響正常運行，并損害設備。在解決該問題時，首先要制定適當的電網諧波限制標準，確保分布式電源接入的諧波水平在允許范圍內，通過國家或地區的電網規范和標準完成。其次，安裝合適的諧波濾波器抑制分布式電源產生的諧波，濾波器可以根據實際情況選擇合適的類型和配置，例如，被動濾波器、主動濾波器或混合濾波器。對于采用逆變器技術的分布式電源，通過控制逆變器輸出減少諧波污染。最后，加強分布式發電設備與配網之間的協調和通信，配合實時監測和信息反饋動態調整并穩定諧波水平。值得一提的是，對于大規模分布式發電系統，可以采用集中式支路串聯濾波器或無功補償裝置減少諧波污染。

諧振問題是諧波污染的重要表現之一，這是因為當分布式電源接入后，由于系統參數改變，可能導致與原有設備或網絡間頻率相近的諧振現象產生。這種傳輸線上的諧振可能引發電壓不穩定，甚至設備損壞。對此，要強化電力系統的諧振分析和預測能力，在系統設計和規劃階段考慮諧振問題，并采取相應的預防措施。在關鍵節點安裝合適的補償設備，例如，配置諧振抑制裝置或線路消抖器，以此降低潛在諧振風險。

總而言之，為了應對分布式電源對電力系統諧波污染帶來的影響，需要通過安裝濾波器、強化協調和通信、加強諧振分析等手段減少諧波注入和降低諧振風險。

（四）繼電保護器受到的影響

繼電保護器在電力系統中起著重要作用，對檢測和隔離故障具有關鍵作用，但分布式電源接入可能會對繼電保護器產生影響。例如，在故障檢測方面，分布式電源的接入可能改變系統的工作狀態和故障特征，導致傳統繼電保護器無法準確地檢測和判斷故障，造成誤動或失靈，并延長故障恢復時間。針對該問題的處置，可以針對分布式電源接入引起的故障特征變化，優化繼電保護方案并調整保護參數，也可以引入智能保護設備和算法，利用高級通信和數據處理技術提高繼電保護器的檢測精度和魯棒性。此外，還要及時反饋信息，確保迅速有效地識別、定位和切除故障。

分布式電源接入產生的諧波電流會引起繼電保護器的誤動，導致非正常斷開或相關誤操作，造成系統穩定性降低，甚至造成設備損壞。針對該問題，在設計繼電保護方案時，應充分考慮諧波環境，并使用具有良好諧波適應能力的繼電保護裝置。同時，進行詳盡的諧波分析和仿真研究，在設計中加入合適的濾波措施，減少諧波信號對繼電保護器觸發信號的干擾。在高諧波水平的電力系統運行場景中，采用數字式繼電保護器，并結合軟件濾波技術提高魯棒性。

除此之外，技術性能下降也是繼電保護器容易出現的問題，尤其在存在較高諧波水平下，繼電保護器可能無法準確測量和計算正常工作所需參數，影響保護功能，無法有效檢測故障并采取適當的保護措施。為此，在繼電保護器設計和選擇時，考慮其對諧波環境的適應能力，選擇具有高抗干擾能力的設備。同時，進行準確的諧波分析和測量，確保繼電保護器所需參數的準確性，并根據測量結果進行相應的校正和調整。此外，還要優化電網結構，減少諧波，降低對繼電保護器技術性能的影響。

（五）電力系統線路損耗受到的影響

分布式電源的接入可能會對電力系統線路損耗產生影響，這是因為分布式電源的接入增加了電力系統中的供電路徑，增加了額外線路損耗。這是由于分布式發電設備與主要負載之間需要一定距離輸送能量，而輸電線路具有固定的傳輸損耗。為此，需要合理規劃和優化配網結構，減少供電路徑長度和線路阻抗，降低額外線路損耗，優化輸電線路材料和設計參數，提高傳輸效率并減少送電過程中的能量損耗。同時，在相關領域內大力推廣使用更高效、低阻抗的變壓器和導線等設備。

除了供電方面的損耗，內部損耗也值得引起足夠重視。分布式發電設備所連接到網絡上會引入自身內部功率轉換過程中產生的損耗。這些內部損耗可能不僅包括逆變器轉換過程中產生的熱損耗，還有其他組件或元件引起的能量消耗。為有效規避該問題，要選擇高效的分布式發電設備，例如，高轉換效率的逆變器和組件，以減少內部功耗。實時監測和管理分布式電源系統的運行狀況，及時發現并解決內部故障或低效問題。此外，在電力系統運行和更新優化的過程中，合理設計和裝配相關設備，避免不必要的連接線路或元件。

四、結語

綜上所述，在節能降耗、技術升級成為電力生產管理領域備受關注的重點的背景下，分布式電源接入電力系統成為大勢所趨。受到應用環境、技術差異等因素的影響，分布式電源接入對電力系統的穩定性及安全性會產生一定程度的影響。為此，應針對電壓分布、電能質量、諧波污染、繼電保護、線路損耗等方面，采取合理的方式，通過電力設計、技術優化，結合對系統的全面監測，有效保證電力系統的運行穩定性，助力社會穩定發展。

參考文獻：

[1]吳琛，劉晨曦，黃偉，等.提升新能源電力系統穩定性的

構網型變流器選址定容方法[J].電力系統自動化，2023，

47（12）：130-136.

[2]李鵬，董鑫劍，孟慶偉，等.基于Fisher Score特征選擇

的電力系統暫態穩定評估方法[J].電力自動化設備，2023，

43（07）：117-123.

[3]李寶琴，吳俊勇，李櫨蘇，等.基于主動遷移學習的電力

系統暫態穩定自適應評估[J].電力系統自動化，2023，47

（04）：121-132.

[4]邵非凡，徐敬友，程波，等.分布式光伏電源接入智能電網的最大允許接入峰值容量估算分析[J].集成電路應用，2023，40（03）：372-373.