分布式電源與配電網(wǎng)的恩怨糾葛

分布式電源接入配電網(wǎng)后對繼電保護、配電自動化故障處理和電壓質(zhì)量均產(chǎn)生了不同程度的影響，為了更好利用清潔能源，提高配電網(wǎng)對分布式電源消納能力的關(guān)鍵是分布式電源接入后有效調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電壓偏差。對分布式屋頂光伏發(fā)電和家庭太陽能熱水器進行了對比分析，指出當前技術(shù)水平下，太陽能熱水器可以等效為一個虛擬發(fā)電廠，對于節(jié)能減排具有更加積極的作用。

0.引言

近年來，對分布式電源應用與消納的關(guān)注越來越高，文獻[1-2]論述了分布式電源對配電網(wǎng)的影響，文獻[3]分析了鼠籠異步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機的短路電流特性，文獻[4-6]研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，文獻[7]論述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及其控制策略，文獻[8]研究了光伏逆變器附加電能質(zhì)量控制的方法，文獻[9]和[10]研究了變流器型分布式電源和電機型分布式電源的短路電流特性和對配電網(wǎng)故障處理的影響。

上述成果大大提高了對分布式電源接入配電網(wǎng)的影響的認識水平，但是對于提高配電網(wǎng)對分布式電源的消納能力的研究，大都集中在借助通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制方式，而對于不依賴通信手段的消納方式的研究尚顯不足。此外，在太陽能利用方面，有必要將分布式屋頂光伏發(fā)電與已經(jīng)廣泛應用的家庭太陽能熱水器進行對比分析，探索在現(xiàn)有技術(shù)水平下如何更好地利用太陽能達到節(jié)能減排的目的。

1.分布式電源接入配電網(wǎng)的影響

一般認為分布式電源接入配電網(wǎng)后，會對繼電保護、配電自動化故障處理和電壓質(zhì)量等方面產(chǎn)生影響。

1.1對繼電保護的影響

分布式電源可分為電機并網(wǎng)型和逆變器并網(wǎng)型兩類，電機并網(wǎng)型分布式電源所能提供的短路電流一般不超過其額定容量的10倍，逆變器并網(wǎng)型分布式電源所能提供的短路電流一般不超過其額定容量的1.5倍。

饋線發(fā)生相間短路故障時，來自主網(wǎng)的短路電流、同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線上分布式電源提供的短路電流都將流向故障點。為了維持10kV母線電壓穩(wěn)定，配電網(wǎng)的系統(tǒng)短路容量一般都遠遠大于饋線上分布式電源的容量，因此來自主網(wǎng)的短路電流一般遠遠大于分布式電源提供的短路電流，容易實現(xiàn)主網(wǎng)側(cè)繼電保護配合[10]，而分布式電源側(cè)則需要通過反孤島措施(如低電壓脫網(wǎng))與故障區(qū)域解除聯(lián)系。

1.2對配電自動化故障處理的影響

饋線發(fā)生相間短路故障時，來自主網(wǎng)的短路電流、同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線上故障上游分布式電源提供的短路電流都將流向故障區(qū)域的上游入點，而故障區(qū)域的下游出點也會流過饋線上故障下游分布式電源提供的短路電流。一般認為若流過故障區(qū)域的下游出點的短路電流接近流過故障區(qū)域的上游入點的短路電流，則會破壞配電自動化故障定位策略。但是，正如上節(jié)所述，來自主網(wǎng)的短路電流一般遠遠大于分布式電源提供的短路電流，而且同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流還會助增流過故障區(qū)域的上游入點的短路電流，也即流過故障區(qū)域的上游入點的短路電流會遠遠大于流過故障區(qū)域的下游出點的短路電流，很容易設(shè)置一個定值將它們區(qū)分開來，因此一般不會對傳統(tǒng)配電自動化系統(tǒng)的故障定位產(chǎn)生影響，換言之，已經(jīng)建成的配電自動化系統(tǒng)并不需要因分布式電源大規(guī)模接入而推倒重來[11]。

1.3對電壓質(zhì)量的影響

分布式電源的接入對饋線的電壓具有抬升作用，而且對于出力受自然因素影響的分布式電源(如光伏、風電等)，由于其波動性還會產(chǎn)生電壓波動，并且對其接入點的電壓抬升作用和電壓波動作用最大。對于接入多臺分布式電源的饋線，其沿線電壓分布就如同在各個分布式電源處分別由一個小棍頂著一般，在各個分布式電源的接入點形成一個個電壓極值點，見圖1。圖中，S為該饋線的變電站出線斷路器，A、B和C為分段開關(guān)，DG為分布式電源，曲線縱軸U代表沿線電壓。

圖1 一條含分布式電源饋線沿線的電壓分布

考慮到饋線的單位長度阻抗較大，因此分布式電源的接入對電壓偏差和電壓波動的影響比較明顯，是制約配電網(wǎng)對分布式電源消納能力的關(guān)鍵因素。

2.配電網(wǎng)對分布式電源的消納能力

制約配電網(wǎng)對分布式電源消納能力的關(guān)鍵是分布式電源接入后產(chǎn)生的電壓偏差和電壓波動，而并非其對繼電保護、配電自動化故障處理等的影響。

2.1對分布式電源的3種控制策略

在分布式電源接入容量不是很大的情況下，即使不對其采取任何控制措施，配電網(wǎng)也有比較強的消納能力，這種消納方式，稱為自由消納方式。

在分布式電源接入容量超出自由消納能力的情況下，首先可以考慮在較大容量的分布式電源中駐入本地控制策略，而不必借助通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)控制，而僅僅根據(jù)分布式電源本地采集到的接入點實時電壓信息，對其輸出的無功功率或有功功率進行本地調(diào)節(jié)，以滿足輕載或重載條件下的電壓偏差不致越限的要求，這種消納方式，稱為本地控制消納方式。

在分布式電源接入容量超出本地控制消納能力的情況下，不得已而必須考慮借助通信網(wǎng)絡(luò)，對若干大容量分布式電源甚至可控負荷進行協(xié)調(diào)控制，以滿足電壓約束條件，這種消納方式，稱為協(xié)調(diào)控制消納方式。

在實際應用中，應優(yōu)先采用自由消納方式，在其不能全面滿足要求時宜采用本地控制消納方式，自由消納方式和本地控制消納方式的消納能力很強，應該可以解決絕大多數(shù)問題，實在不得已才采用協(xié)調(diào)控制消納方式，因為協(xié)調(diào)控制消納方式依賴通信通道，使配電網(wǎng)變得比較脆弱。

由于協(xié)調(diào)控制消納方式已有大量文獻報道，本文不再贅述，而僅對自由消納方式和本地控制消納方式進行論述。

2.2自由消納方式下的消納能力

研究分析表明，做好分布式電源接入規(guī)劃(如根據(jù)分布式電源容量的不同恰當選擇接入電壓等)，盡量做到“大馬拉小車”，則即使不對分布式電源采取任何控制措施，配電網(wǎng)也有比較強的消納能力。

在不對分布式電源采取任何控制措施的條件下，分布式電源可接入容量必須同時滿足3個約束條件(即分布式電源接入配電網(wǎng)引起的最大電壓上偏差值與最大電壓波動值不越限，以及無分布式電源接入配電網(wǎng)時單純由負載引起的最大電壓下偏差值不越限)，這3條曲線共同圍成的陰影部分區(qū)域就是不對分布式電源采取任何控制措施的條件下分布式電源的可接入容量范圍[11]，見圖2。圖中，PDG和PL分別表示分布式電源的容量和負荷功率。

圖2分布式電源允許接入的容量范圍

例如，對于一條負荷功率沿饋線遞增分布、分布式光伏電源容量沿饋線均勻分布的饋線，采用YJV-120型電纜，在容載比為75%的情況下，分布式光伏電源的允許接入容量范圍如圖3中陰影區(qū)域所示。圖中，PPV表示分布式電源的容量。由圖可見，即使不對分布式電源進行控制，饋線對其的消納能力也很大。

圖3 分布式光伏電源允許接入的容量范圍

2.3本地控制消納方式

饋線沿線電壓在各個分布式電源的接入點形成一個個電壓極值點，因此只要采取本地控制策略，使這些極值點的電壓滿足電壓約束，則一般可使整條饋線的電壓滿足電壓約束要求，這就是本地控制消納方式具有可行性的理論依據(jù)。

由于調(diào)節(jié)無功功率對電壓幅值的調(diào)節(jié)效果比較明顯，而且為了充分利用自然資源提供有功功率和保護分布式電源業(yè)主的利益，本地控制宜在保證有功功率的前提下，在剩余容量允許的范圍內(nèi)以調(diào)節(jié)分布式電源的無功功率為優(yōu)先，在無功功率調(diào)節(jié)到剩余容量極限還不能解決電壓偏差問題的情況下(或該分布式電源只能提供有功功率)，再對分布式電源的有功功率進行調(diào)節(jié)。

本地控制策略可以采用模糊控制方法，在電壓越限時，根據(jù)實時電壓信息進行反復調(diào)節(jié)，直至滿足電壓約束要求為止(注意，只要滿足允許的電壓偏差范圍即可，而不可追求接近額定電壓)。

值得一提的是，對分布式電源進行本地控制，不僅可以提高配電網(wǎng)對分布式電源的消納能力，而且可以充分利用分布式電源所具有的可以根據(jù)需要發(fā)出感性無功功率或容性無功功率、并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率輸出的特點，實現(xiàn)配電網(wǎng)無功電壓控制，解決低電壓和過電壓問題，由于是利用變流器的剩余容量提供所需的無功功率，因此一般不影響自然資源的利用和有功功率輸出。

3.太陽能熱水器與城市家庭分布式屋頂光伏比較

光伏發(fā)電并非是完美的“綠色能源”，因為光伏電池的制備既是高污染又是高耗能產(chǎn)業(yè)，在中國產(chǎn)能嚴重過剩。

太陽能熱水器早已在我國廣泛應用，對于1臺太陽能熱水器，按照容量60L、每天將水溫從20℃升高到80℃計算，每天轉(zhuǎn)化的熱能正好對應3600kWs，即1kWh(1度電)的能量，將其折合為電能，并考慮到80%的轉(zhuǎn)換效率，則一天可節(jié)省電能約1.3度。而一臺太陽能熱水器的可利用面積大約為1m2，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平裝設(shè)100W容量的光伏電池，每天的利用小時數(shù)按照3h計算，一天才能發(fā)出300Wh，即0.3kWh(0.3度電)電能。

可見，在對太陽能的利用方面，太陽能熱水器遠比光伏發(fā)電效率高。另外，由于電熱水器是居民家庭的主要負荷之一，采用太陽能熱水器后的節(jié)能效果是會比較明顯的;而且對于城市家庭而言，其居所大多為高層樓宇，每戶擁有的樓頂面積非常有限，安裝光伏發(fā)電設(shè)施遠不如安裝太陽能熱水器，并且在支撐夜間用電的情況下，光伏發(fā)電還需要配套儲能裝置，使其更加不經(jīng)濟[12]。

因此，當前技術(shù)水平下，對于城市家庭而言，太陽能熱水器可以等效為一個虛擬太陽能發(fā)電廠，對于節(jié)能減排可以發(fā)揮出更加積極的作用。當然，在非居民建筑，如工業(yè)企業(yè)、商店、學校、寫字樓等的樓頂或屋面發(fā)展光伏發(fā)電，仍具有一定的可行性和應用價值。

4.結(jié)語

分布式電源接入配電網(wǎng)后對短路電流、繼電保護、配電自動化故障處理、諧波和損耗的影響比較容易應對，對電壓偏差和電壓波動的影響比較明顯，是制約配電網(wǎng)對分布式電源消納能力的關(guān)鍵因素。

消納分布式電源有3種策略，只要能夠做到“大馬拉小車”，自由消納方式也具有很強的消納能力，應優(yōu)先考慮采用;在其不能全面滿足要求時宜采用本地控制消納方式;實在不得已才采用協(xié)調(diào)控制消納方式，因為其依賴通信通道會使配電網(wǎng)變得比較脆弱。

對于城市家庭而言，每戶屋頂面積較小，且太陽能熱水器的效率更高，因此太陽能熱水器比屋頂光伏發(fā)電更合適，它可以等效為一個虛擬太陽能發(fā)電廠，對于節(jié)能減排可以發(fā)揮出更加積極的作用。

作者簡介

劉健，男，博士，教授，博士生導師，陜西電力科學研究院總工程師，百千萬人才工程國家級人選，國務院政府特殊津貼專家，國家電網(wǎng)公司科技領(lǐng)軍人才，IEEESeniorMember，主要研究方向為配電網(wǎng)及其自動化技術(shù)。

魏昊焜，男，博士研究生，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)。

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引文信息

劉健，魏昊焜.分布式電源應用若干問題探討[J].供用電，2015,32(9)：9-12.