分布式可再生能源接入對配電網(wǎng)的影響分析

分布式可再生能源在全球范圍內(nèi)引起人們越來越多的關(guān)注。為了滿足我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保的需要，基于現(xiàn)有電源和電網(wǎng)的條件，大力推進(jìn)分布式可再生能源的發(fā)展將成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。針對分布式可再生能源具有的污染少、損耗低、可靠性高、能源利用率高等技術(shù)特點(diǎn)，分別從網(wǎng)絡(luò)損耗和線路潮流、運(yùn)行可靠性、電能質(zhì)量、配電網(wǎng)規(guī)劃四個(gè)方面闡述了其對配電網(wǎng)帶來的影響。

當(dāng)前，電力系統(tǒng)朝著大電網(wǎng)、高電壓、交直流互聯(lián)的方向發(fā)展。[1]隨著分布式可再生能源大量分散接入配電網(wǎng)后，單向輻射式的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植济芗⑴c用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，因此電網(wǎng)潮流將不再自變電站母線單向送出，而是隨著時(shí)間出現(xiàn)雙向流動(dòng)的特征，從而改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式，并由此產(chǎn)生諸多新的研究對象和領(lǐng)域。[2，3]必須針對含有分布式電源(簡稱DG)的電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行方式、繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定性、對調(diào)度控制中心的影響等一系列問題進(jìn)行深入的研究。

為了促進(jìn)電力生產(chǎn)的節(jié)能減排，目前DG多數(shù)采用可再生能源，諸如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等等，而各種可再生能源發(fā)電的連續(xù)性、可預(yù)測性和可控性都比較差，為電網(wǎng)運(yùn)行帶來諸多不利的影響[3]，通常涉及到網(wǎng)絡(luò)功率損耗、配電線路潮流、配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性、電能質(zhì)量乃至配網(wǎng)規(guī)劃各個(gè)領(lǐng)域。

一、對網(wǎng)絡(luò)損耗和線路潮流的影響

隨著DG在配電網(wǎng)中的接入，配電網(wǎng)的功率損耗不僅與負(fù)荷水平有關(guān)，同時(shí)還受到與系統(tǒng)相連的DG的位置分布、出力大小以及配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等的影響。[4，5]隨著DG的大量接入導(dǎo)致電網(wǎng)中各線路的潮流時(shí)空變化特性復(fù)雜，這將引起配電網(wǎng)有功網(wǎng)損產(chǎn)生許多變化：

(1)系統(tǒng)中DG的出力只能部分滿足其相鄰節(jié)點(diǎn)處的有功負(fù)荷，那么將使配電網(wǎng)中所有線路的損耗減小。

(2)系統(tǒng)中DG的出力可以滿足部分相鄰節(jié)點(diǎn)處的有功負(fù)荷，但DG總出力仍然小于系統(tǒng)的總有功負(fù)荷，那么DG的接入可能導(dǎo)致配電網(wǎng)局部有功損耗增加，但配電網(wǎng)總有功損耗將減小。

(3)當(dāng)配電網(wǎng)中的總負(fù)荷量低于DG的輸出總量時(shí)，配電網(wǎng)的損耗將大幅度增加。

由此可見，隨著DG的廣泛接入，配電網(wǎng)的損耗可增大亦可減小，這與DG接入的地理位置、用電負(fù)荷的大小乃至網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。

二、對配網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響

隨著分布式可再生能源接入配電網(wǎng)，電力系統(tǒng)的安全和可靠性可能往好的方面發(fā)展，也可能趨于惡化，這需視具體情況而定。

若將DG以備用電源的角色接入配電網(wǎng)，那么在一定程度上可以減輕電網(wǎng)過負(fù)荷的程度，從而有效提高電網(wǎng)的輸電裕度。如果DG的布置合理以及電壓調(diào)節(jié)有效得力，DG將對支撐系統(tǒng)電壓穩(wěn)定起到顯著作用，使系統(tǒng)電壓更穩(wěn)定可控;若DG還具備低電壓穿越能力，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)仍能不間斷運(yùn)行，并且加大力度向電網(wǎng)輸送無功，電壓驟降得到有效遏制，顯著提升系統(tǒng)對電壓的調(diào)節(jié)支撐性能。

隨著DG廣泛接入配電網(wǎng)，也有可能使系統(tǒng)的安全可靠性降低：

(1)若是DG不具備低電壓穿越能力，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)該DG將被電網(wǎng)自動(dòng)切除，而當(dāng)其所連接的線路故障重合后，DG非但沒有起到電壓支撐的作用，反而會引起電壓的跌落。如果電網(wǎng)無法及時(shí)切除DG，造成的非同期重合可能會引起保護(hù)誤動(dòng)作乃至設(shè)備受損，最后線路無法及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行，用戶的停電時(shí)間反而增加了。

(2)若DG與配電網(wǎng)的繼電保護(hù)不能很好配合的話，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，系統(tǒng)的可靠性隨之顯著降低。

(3)安裝地點(diǎn)、容量和連接方式不適當(dāng)?shù)腄G也可能導(dǎo)致配電網(wǎng)的安全可靠性降低。

(4)對于經(jīng)典放射狀配電網(wǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨著DG的接入而發(fā)生了變化，同時(shí)短路電流和持續(xù)時(shí)間也受到了影響，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置因?yàn)槭前丛芯W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)而發(fā)生誤動(dòng)作，最終妨礙了自動(dòng)重合閘和備自投裝置的準(zhǔn)確動(dòng)作。

此外，當(dāng)電力系統(tǒng)受到來自外部的干擾時(shí)，含大量DG的系統(tǒng)和某些類型DG技術(shù)以及電力電子設(shè)備將使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差逐步增大，振蕩持續(xù)時(shí)間隨之延長，較大程度上影響了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，也給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了潛在威脅。

三、對電能質(zhì)量的影響

DG廣泛接入配電網(wǎng)后不可避免地給配電網(wǎng)帶來各種擾動(dòng)，包括穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩大類，由此造成了系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，涉及到四個(gè)方面。

1.穩(wěn)態(tài)電壓

(1)電壓升高。當(dāng)無DG接入時(shí)，用戶側(cè)電壓通常低于系統(tǒng)側(cè)電壓，但當(dāng)DG單元在負(fù)荷側(cè)或用戶附近接入時(shí)，潮流反向現(xiàn)象將可能出現(xiàn)，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致用戶側(cè)電壓高于變電站母線電壓。

(2)電壓降低。當(dāng)調(diào)壓裝置(比如有載調(diào)壓變壓器或電壓調(diào)節(jié)器)的下游接入DG單元，DG的存在有效減輕了壓降補(bǔ)償裝置所測量到的負(fù)荷，維持饋線末端電壓達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際設(shè)定值普遍高于進(jìn)行電壓補(bǔ)償時(shí)所設(shè)的目標(biāo)電壓值，因此接入DG后饋線上的電壓低于未接時(shí)的電壓。

2.電壓波動(dòng)

(1)若DG與當(dāng)?shù)刎?fù)荷同趨勢運(yùn)行，即DG的出力隨著該負(fù)荷的增加(或減小)而相應(yīng)的增加(或減小)，減少了對上級電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸電電力的負(fù)荷需求，則此時(shí)配電網(wǎng)中電壓的波動(dòng)受到DG接入的抑制。

(2)若DG與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷逆趨勢運(yùn)行，如利用自然資源(太陽能、風(fēng)能、潮汐能等)發(fā)電的DG，由于其輸出量相當(dāng)程度上取決于所屬自然資源的特有屬性(如太陽光輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、海水的勢能等)，實(shí)現(xiàn)有效的控制將非常困難，則協(xié)調(diào)此類DG系統(tǒng)與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行將很困難。如此一來系統(tǒng)電壓的波動(dòng)極可能加劇，展現(xiàn)反調(diào)峰特性。3.電壓閃變

規(guī)模較大的DG啟?；蛘叱隽Υ蠓▌?dòng);DG與作為反饋環(huán)節(jié)的電壓控制系統(tǒng)相互作用。

針對以上情況，應(yīng)盡量減少DG系統(tǒng)的啟動(dòng)次數(shù)，并經(jīng)由逆變器將DG接入配電系統(tǒng)，從而盡量控制DG出力的變化。

4.高次諧波

由于DG系統(tǒng)中采用了一些電力電子設(shè)備，再加上DG本身就是一個(gè)諧波源，導(dǎo)致DG接入配電網(wǎng)會產(chǎn)生大量高次諧波。以風(fēng)電并網(wǎng)為例，無論發(fā)電機(jī)組的品牌與規(guī)格，發(fā)電機(jī)只是一小部分諧波電流的來源，其最大來源是構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組的電力電子元件。正常情況下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其安裝的濾波裝置狀況，同時(shí)諧波干擾在一定程度上也受電網(wǎng)短路容量的影響。

四、對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

隨著DG在配電網(wǎng)中無規(guī)律投入或退出運(yùn)行的情況大量、頻繁地發(fā)生，使得預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷的不確定性逐漸增大，自然配網(wǎng)規(guī)劃人員預(yù)測負(fù)荷的準(zhǔn)確性便大打折扣。為了保證電網(wǎng)的拓?fù)?、參?shù)等能夠適應(yīng)安全和可靠運(yùn)行的要求，DG的大量接入對配電系統(tǒng)規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)。

DG接入給配電網(wǎng)規(guī)劃所帶來的影響主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)大量的DG接入使得配電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測、規(guī)劃和運(yùn)行的不確定性比以往更為突出。用戶大量安裝DG對提高自身以及配電網(wǎng)的供電可靠性起到了積極的作用，但另一方面使得配網(wǎng)規(guī)劃人員預(yù)測負(fù)荷增長的準(zhǔn)確性大打折扣，繼而深刻影響著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?dǎo)線參數(shù)、無功補(bǔ)償?shù)确矫娴囊?guī)劃。

(2)一般來講，配電網(wǎng)規(guī)劃考慮的年限通常為5～20年，在此期間的負(fù)荷增長率通常假定為某一固定值，隨著越來越多的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)容量的不斷增加，就需要適當(dāng)新建變電站來滿足負(fù)荷的需求?？紤]到配電網(wǎng)規(guī)劃問題的動(dòng)態(tài)屬性同其變量的維數(shù)密切相關(guān)，在配電網(wǎng)中不斷增加的DG發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)將使得變量維數(shù)不斷增加，在追求建造成本、維護(hù)成本和電能損耗最小的方案的優(yōu)化規(guī)劃過程中形成“維數(shù)災(zāi)”效應(yīng)，致使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的最優(yōu)化過程更為困難，甚至無法求得可行解。

(3)從保障配電系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，讓DG接受電力系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度已經(jīng)成為廣泛的共識。為此，可以借助FACTS設(shè)備對其進(jìn)行有效的控制和調(diào)節(jié)，使現(xiàn)有的配電系統(tǒng)集成DG/FACTS單元，這不僅需要對現(xiàn)有的配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，還要使之具備由被動(dòng)到主動(dòng)地管理配電系統(tǒng)的能力，尤其是在自動(dòng)電壓控制、DG與配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與保護(hù)、自動(dòng)重合閘和備自投的協(xié)調(diào)控制等方面提出了更高的要求。

(4)DG系統(tǒng)的投運(yùn)將在不同程度上降低配電線路的利用率，那么，電網(wǎng)公司投資線路的成本將難以在預(yù)期時(shí)間內(nèi)收回，導(dǎo)致沉沒成本。在電網(wǎng)公司越來越重視資產(chǎn)全壽命周期管理的今天，如何合理規(guī)劃好配電網(wǎng)絡(luò)、確保電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也成為當(dāng)前的一個(gè)重要任務(wù)。

(5)DG機(jī)組的種類繁多、性能差異很大，而且所依賴的能源形式多樣化，這使得在配電系統(tǒng)中合理地配置電源結(jié)構(gòu)、高效率協(xié)調(diào)利用各類型的DG顯得尤為重要，更是對配電網(wǎng)規(guī)劃人員智慧的考驗(yàn)。

此外，隨著DG的廣泛應(yīng)用，使得將國家能源政策、能源規(guī)劃等與含DG的電網(wǎng)規(guī)劃緊密結(jié)合成為一種必然，配電網(wǎng)規(guī)劃問題趨于復(fù)雜化，并從多維度影響著規(guī)劃。

五、小結(jié)

DG基于污染少、損耗低、可靠性高、能源利用率高等技術(shù)特點(diǎn)在近些年得到了飛速發(fā)展。隨著DG越來越多地接入配電系統(tǒng)，給電網(wǎng)帶來的影響不容忽視。本文分別從網(wǎng)絡(luò)損耗和線路潮流、運(yùn)行可靠性、電能質(zhì)量、配電網(wǎng)規(guī)劃四個(gè)方面詳細(xì)闡述了DG接入給配電網(wǎng)所帶來的影響，希望能夠給相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員提供一些參考。