分布式電源接入配電網(wǎng)方案選擇研究

分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶來大量的分布式電源接入配電網(wǎng)工程，選擇合適的接入方案是保證分布式電源可靠并網(wǎng)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵。通過對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架現(xiàn)狀、分布式發(fā)電密度、當(dāng)?shù)刎?fù)荷情況等的綜合分析，提出分布式電源接入配電網(wǎng)方案選擇的一般原則和方法，并針對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景做出具體案例，為設(shè)計(jì)人員選擇和制定分布式電源接入方案提供了有益參考。

0 引言

近年來由于資源與環(huán)境帶來的問題愈加突出，可再生能源技術(shù)得到了更多的關(guān)注與研究。根據(jù)國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃，將以“推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系”為目標(biāo)。同時(shí)政策導(dǎo)向與資金扶持進(jìn)一步促進(jìn)了分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)的興起，大量分布式電源接入系統(tǒng)工程正在不同程度地開展。在項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，接入方案的選擇與制定對(duì)分布式電源和配電網(wǎng)的安全運(yùn)行影響重大。分布式電源接入必將對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不同程度的影響，如何適應(yīng)分布式發(fā)電的特性，降低其不利影響，充分發(fā)揮其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求是當(dāng)前研究的一大焦點(diǎn)。

我國(guó)幅員遼闊，自然與經(jīng)濟(jì)狀況地區(qū)差異大，因此配電網(wǎng)的技術(shù)水平也存在較大差別，對(duì)分布式電源接入的適應(yīng)性不同;同時(shí)不同地區(qū)分布式發(fā)電(新能源)規(guī)劃建設(shè)的規(guī)模和形式不同，設(shè)計(jì)中所面對(duì)的場(chǎng)景多變，給方案選擇帶來諸多影響因素。

為此國(guó)家電網(wǎng)公司開展了相關(guān)專題研究并發(fā)布了分布式電源接入工程的典型設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)接入系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)。但是在典型設(shè)計(jì)應(yīng)用中存在諸多理解和把握的差異性，導(dǎo)致了方案選擇的困難。為了更好地實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的方案選擇進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究，確定針對(duì)不同場(chǎng)景接入方案制定的原則和方法，以指導(dǎo)分布式電源接入方案的合理選擇，保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行和分布式發(fā)電的充分消納。

1 分布式發(fā)電消納的影響因素

研究分布式發(fā)電接入方式的目的在于促進(jìn)其安全消納，接入方案選擇也需要從分析影響分布式發(fā)電消納的因素入手。

1.1配電網(wǎng)現(xiàn)狀

由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面因素，配電網(wǎng)發(fā)展具有不平衡性，不同地區(qū)、城鄉(xiāng)之間均存在較大差異?，F(xiàn)在基于配電網(wǎng)現(xiàn)狀來分析影響分布式發(fā)電消納的因素，主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性等因素。

1.1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與參數(shù)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與參數(shù)體現(xiàn)了配電網(wǎng)當(dāng)前的供電能力，也直接影響分布式發(fā)電功率上送。在城市地區(qū)或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，負(fù)荷需求大，網(wǎng)架相對(duì)堅(jiān)強(qiáng)，表現(xiàn)為中壓(10kV或20kV)配電站布點(diǎn)密集，配電臺(tái)區(qū)供電半徑短，線路線徑較大;同時(shí)網(wǎng)架成環(huán)，分段較多，具有轉(zhuǎn)供電能力，部分地區(qū)采用雙環(huán)網(wǎng)配置，運(yùn)行方式更加靈活。上述條件使變壓器出口到用戶端的電壓損失較小，在負(fù)荷的峰谷時(shí)段均滿足電壓要求;當(dāng)分布式電源接入后，即使部分時(shí)段功率返送也能夠保證電壓不越限、線路及變壓器等不過載，為分布式發(fā)電消納提供充分條件。

而在鄉(xiāng)鎮(zhèn)或偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，由于負(fù)荷密度小，在規(guī)劃建設(shè)時(shí)即以相對(duì)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)配置網(wǎng)架設(shè)備，一般情況下配電站布點(diǎn)稀疏，配電臺(tái)區(qū)供電半徑較大，線路線徑較小;同時(shí)網(wǎng)架以輻射狀為主，分段較少，不具有轉(zhuǎn)供電能力，運(yùn)行方式單一。上述條件使變壓器出口到用戶端的電壓損失變化較大，在負(fù)荷高峰時(shí)段即存在低電壓的風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)分布式電源接入后，部分時(shí)段功率返送易導(dǎo)致末端電壓抬升越限，甚至使線路及變壓器滿載或過載，產(chǎn)生運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，極大地限制了分布式發(fā)電的接入容量。

1.1.2負(fù)荷分布與特性

負(fù)荷特性與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及負(fù)荷類型相關(guān)，城市商業(yè)辦公區(qū)及高密度住宅區(qū)負(fù)荷需求較大，分布式電源接入后易就地消納，返送幾率小，而且分布式電源接入有助于緩解設(shè)備重載和電壓損失。工業(yè)園區(qū)負(fù)荷密度同樣較大，而且時(shí)變特性穩(wěn)定，當(dāng)分布式電源容量較小或發(fā)電特性易于預(yù)測(cè)時(shí)，較易分析判斷極端運(yùn)行狀態(tài)并針對(duì)存在問題做出應(yīng)對(duì)措施。而鄉(xiāng)鎮(zhèn)或偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷分散，以居民負(fù)荷為主，分布式電源接入用戶后部分時(shí)段電力剩余，功率返送產(chǎn)生的電壓升高容易使末端電壓超過限制，危害用電設(shè)備安全，同時(shí)易導(dǎo)致線路、變壓器等過載。

1.2分布式電源接入情況

分布式電源的發(fā)展速度、類型等因素同樣影響著配電網(wǎng)對(duì)其消納能力，必須考慮這一因素以進(jìn)行方案的選擇。

1.2.1接入規(guī)模與密度

在不同地區(qū)，分布式發(fā)電的開發(fā)水平和條件存在明顯差異，使其發(fā)電規(guī)模和密度也不盡相同，需要具體分析。城市地區(qū)土地資源緊張，環(huán)境影響壓力大，目前以發(fā)展建筑光伏、小型風(fēng)電和小容量天然氣多聯(lián)供為主，規(guī)模和密度相對(duì)較小。鄉(xiāng)鎮(zhèn)或偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)空閑土地豐富，適合開發(fā)中小型光伏電站(幾十千瓦至幾兆瓦)、小型風(fēng)電場(chǎng)(兆瓦級(jí))、中小型資源綜合利用發(fā)電廠(兆瓦級(jí))及戶用光伏發(fā)電(幾千瓦)等。同時(shí)受國(guó)家和地區(qū)政策影響，部分地區(qū)分布式電源具有較大開發(fā)規(guī)模，平均密度較大，如“光伏扶貧”工程。

1.2.2分布式電源類型

從目前分布式發(fā)電的發(fā)展形勢(shì)來看，裝機(jī)主要以光伏發(fā)電為主，占所有分布式發(fā)電的65%以上，資源綜合利用占比約30%，其他類型僅為5%左右。光伏發(fā)電在大時(shí)間尺度上有較強(qiáng)的規(guī)律性而在短時(shí)具有隨機(jī)性，隨著發(fā)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)能夠?qū)ζ浒l(fā)電進(jìn)行預(yù)判。資源綜合利用發(fā)電采用同步發(fā)電機(jī)形式并網(wǎng)，控制方式和手段均比較完備，而且發(fā)電資源可以存儲(chǔ)，因此調(diào)度性好，可以適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，為安全消納創(chuàng)造條件。因此在接入設(shè)計(jì)中需要著重考慮發(fā)電具有隨機(jī)特性的電源，分析存在的極端運(yùn)行方式。

1.3配電網(wǎng)智能化水平及規(guī)劃發(fā)展情況

隨著配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備水平的發(fā)展，微電網(wǎng)技術(shù)、直流配電技術(shù)、主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)等不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、潮流控制、能量管理器等設(shè)備設(shè)施逐步推廣應(yīng)用，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和運(yùn)營(yíng)方式等方面正全面提高配電網(wǎng)對(duì)多元化負(fù)荷和分布式電源的接納能力。

隨著配電網(wǎng)建設(shè)改造投資力度的加大，其薄弱環(huán)節(jié)正在逐步完善，在一次網(wǎng)架、設(shè)備設(shè)施、調(diào)度控制等方面逐漸獲得提升。這為分布式電源接入提供了先決條件，對(duì)分布式發(fā)電開發(fā)和接入的中長(zhǎng)期規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值，也是配電網(wǎng)與分布式發(fā)電協(xié)調(diào)發(fā)展的主要表現(xiàn)形式。

2 分布式電源接入方案選擇原則和方法

2.1接入方案選擇原則

2.1.1保證當(dāng)前電網(wǎng)安全

分布式電源接入不應(yīng)對(duì)原有配電網(wǎng)的運(yùn)行和用戶正常用電帶來不良影響，因此選擇確定接入方案時(shí)應(yīng)首先以保證當(dāng)前本地區(qū)配電網(wǎng)的運(yùn)行安全為依據(jù)。當(dāng)接入容量或接入點(diǎn)的選擇導(dǎo)致配電設(shè)備過載、用戶端電壓超標(biāo)時(shí)必須調(diào)整接入方案或調(diào)整接入容量。

2.1.2促進(jìn)分布式電源就地消納

鼓勵(lì)分布式發(fā)電的核心目的是充分利用其發(fā)電來滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，以減少大規(guī)模輸變電帶來的電力損耗，同時(shí)大規(guī)模的功率返送對(duì)系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行也將帶來影響，因此分布式電源接入方案選擇的第二原則為就地消納。在方案選擇時(shí)需要盡可能精確地測(cè)算發(fā)電與負(fù)荷的容量及時(shí)間特性，優(yōu)先選擇使發(fā)電能夠在本配電臺(tái)區(qū)或上一級(jí)變電站供電區(qū)域內(nèi)完全消納的方案。這一原則也體現(xiàn)為就近接入和靈活接入，在滿足電網(wǎng)安全和保證消納的基礎(chǔ)上，可以充分利用附近配電網(wǎng)設(shè)施以方便靈活的方式接入，以減少接入投資和建設(shè)改造的工程量。

2.2接入方案選擇方法

選擇確定分布式電源接入配電網(wǎng)方案是一個(gè)統(tǒng)籌分析發(fā)電與電網(wǎng)情況，互相協(xié)調(diào)、不斷適應(yīng)的過程，可以參考以下主要步驟。

1)分析分布式電源發(fā)展規(guī)模與地域分布。如采用集中電站模式(10kV或20kV)接入，則初步確定電站規(guī)模和位置;如采用380V(220V)低壓接入，則根據(jù)發(fā)電分布和配電臺(tái)區(qū)地理劃分情況初步確定各臺(tái)區(qū)包含的分布式電源裝機(jī)容量。當(dāng)不能確定分布式發(fā)電采用何種模式(中壓集中或低壓分散)接入時(shí)可以分別考慮不同方案類型。

2)分析分布式發(fā)電的消納方式和范圍，計(jì)算校核配電網(wǎng)的適應(yīng)性。根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù)荷分布、負(fù)荷特性和發(fā)電容量、發(fā)電特性分析接入臺(tái)區(qū)(變電站)可能產(chǎn)生的最大返送功率;當(dāng)總發(fā)電能夠消納時(shí)還需要計(jì)算各段線路的潮流情況并分析電壓分布;如存在較大返送功率需要定量計(jì)算此時(shí)各線路的最高電壓和設(shè)備荷載情況。

3)根據(jù)實(shí)際存在的問題調(diào)整接入方案。當(dāng)分布式電源接入線路末端使電壓不滿足要求時(shí)可將并網(wǎng)點(diǎn)盡量向上級(jí)配電出口靠近以降低線路電壓抬升;當(dāng)設(shè)備容量不足時(shí)需要調(diào)整當(dāng)前項(xiàng)目接入容量，分階段并網(wǎng)并盡快開展配電網(wǎng)擴(kuò)容改造。

3 典型場(chǎng)景及接入案例

3.1鄉(xiāng)村光伏扶貧接入

在國(guó)家相關(guān)政策的支撐下，光伏扶貧作為提高貧困地區(qū)人民收入的一種重要手段正在積極規(guī)劃并開展實(shí)施，光伏扶貧工程具有接入規(guī)模大、發(fā)電功率密集、地區(qū)配電網(wǎng)相對(duì)薄弱等特點(diǎn)，同時(shí)當(dāng)?shù)刎?fù)荷密度較小，使接入地區(qū)普遍存在功率返送的情況。針對(duì)這些特點(diǎn)并根據(jù)扶貧項(xiàng)目形式推薦采用以下接入方案。

3.1.1戶用光伏分散接入

在光伏扶貧地區(qū)，當(dāng)每戶發(fā)電接入容量為2～3kW，剩余功率能夠通過原有線路返送至配電變壓器且電壓滿足要求時(shí)可以優(yōu)先采用分散接入用戶供電線路的方案，具有較少的投資和改造工程量。由于存在發(fā)電功率返送情況，當(dāng)接入點(diǎn)在戶表下方時(shí)需要將普通戶表改造為雙向記量表，當(dāng)采用接入戶表前端時(shí)可以不改造戶表。典型的地理接線圖見圖1。

圖1 居民光伏分散接入地理接線圖

這種接入方案具有普遍適用性，同樣可以適用于城市地區(qū)，在多戶光伏發(fā)電小規(guī)模分散接入情況下采用。但是在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意光伏接入的三相平衡性，計(jì)算各相光伏接入容量，盡量保持容量三相均勻分布，保證用戶的電能質(zhì)量。

3.1.2村級(jí)電站集中接入

當(dāng)光伏項(xiàng)目利用空閑土地或采用分散接入不滿足電壓和設(shè)備載流能力要求時(shí)，需要對(duì)發(fā)電進(jìn)行匯集，采取集中接入的方案。根據(jù)發(fā)電規(guī)模、地理分布和附近配電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施(配電站室、線路等)的情況，接入方式可以采用專線接入配電站室和T接于線路。電壓等級(jí)可以根據(jù)規(guī)模選擇10kV(20kV)或380V接入，參考容量為400kW以下380V接入，2MW以上10kV(20kV)接入，是否可行還需要根據(jù)電壓計(jì)算與設(shè)備載流能力綜合判斷。典型的接入方案見圖2和圖3。其中圖2方案為光伏匯集并接入380V綜合配電箱(配電室、箱式變壓器等)，圖3方案為光伏升壓后采用短線路就近接入10kV配電架空線路。

圖2 光伏發(fā)電專線接入380V綜合配電箱

圖3 光伏發(fā)電T接入10kV線路

對(duì)于T接方案，由于T接處未配置開關(guān)設(shè)備，還應(yīng)注意光伏發(fā)電接入后的故障定位與隔離，防止發(fā)電側(cè)短路導(dǎo)致整條線路停電。

3.2城市區(qū)域多分布式電源

城市地區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)架相對(duì)堅(jiān)強(qiáng)，供電半徑短，電壓越限和設(shè)備過載問題很少，因此分布式電源接入方案應(yīng)側(cè)重方便性與靈活性，滿足分布式發(fā)電就近接入、就地消納的原則。當(dāng)多種分布式電源同時(shí)接入時(shí)需要考慮其發(fā)電時(shí)變特性與調(diào)控性，對(duì)于有微電網(wǎng)建設(shè)改造和孤島運(yùn)行要求的用戶要充分考慮能源綜合利用和孤島運(yùn)行方式的可行性。光伏與分布式多聯(lián)供發(fā)電接入用戶配電系統(tǒng)的典型方案見圖4。

圖4 分布式光伏與多聯(lián)供發(fā)電接入用戶配電網(wǎng)

此接入方案設(shè)計(jì)要對(duì)用戶與公共電網(wǎng)之間的開關(guān)設(shè)備配置完善的保護(hù)與自動(dòng)化功能，如發(fā)電條件允許可考慮用戶孤島運(yùn)行方式。

4 結(jié)語

通過對(duì)影響分布式電源接入方式的因素進(jìn)行分析，以保證電網(wǎng)供電安全、電能質(zhì)量和就地消納為原則，提出了分布式電源接入配電網(wǎng)方案選擇及制定的一般方法和步驟。針對(duì)分布式電源接入城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)(村)的典型場(chǎng)景推薦了適應(yīng)分布式發(fā)電發(fā)展模式和配電網(wǎng)現(xiàn)狀的接入方案，為設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐中靈活應(yīng)用典型設(shè)計(jì)提供參考。

隨著配電網(wǎng)及分布式發(fā)電在技術(shù)、設(shè)備方面的進(jìn)步和配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的大力開展，影響分布式電源接入的瓶頸將逐漸被突破，配電網(wǎng)接納分布式電源的能力必將明顯提高，微電網(wǎng)、虛擬發(fā)電廠等將成為分布式電源接入的主要載體。

作者簡(jiǎn)介：

金強(qiáng)，博士，工程師，主要從事配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、繼電保護(hù)、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)技術(shù)研究等工作。

史梓男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、新能源并網(wǎng)技術(shù)、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等工作。

馬唯婧，碩士，工程師，主要從事配電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理評(píng)價(jià)、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)研究等工作。

貢曉旭，碩士，工程師，主要從事配電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、微電網(wǎng)工程研究等工作。

楊露露，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行、配電網(wǎng)管理評(píng)價(jià)、新能源發(fā)電技術(shù)、負(fù)荷分析預(yù)測(cè)等工作。

2016（第十二屆）中國(guó)能源戰(zhàn)略投資論壇將于4月中旬在北京召開，會(huì)議主題“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革環(huán)境下：能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)與退”，
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