智能電網(wǎng)：分布式電源接入對電網(wǎng)的影響分析

摘要：針對分布式電源應用趨勢越來(lái)越明顯但在接入系統方面卻缺乏相應技術(shù)分析與論證的問(wèn)題，重點(diǎn)研究了各類(lèi)分布式電源接入后對電網(wǎng)運行的影響結果。首先，從運行模式和接口方式對分布式電源進(jìn)行分析，以便于分類(lèi)研究不同的影響結果;其次，分析分布式電源接入電網(wǎng)的方式，構建配電網(wǎng)典型模型，以作為分布式電源接入影響性分析的基礎;最后通過(guò)接入后模型的理論計算，研究分布式電源接入電網(wǎng)對穩態(tài)特性和電能質(zhì)量、保護等方面帶來(lái)的影響，從而為配電網(wǎng)規劃技術(shù)原則的修改提供理論基礎。

長(cháng)期以來(lái)，能源結構的不合理性以及能源利用效率的持續偏低帶來(lái)了許多環(huán)境和社會(huì )問(wèn)題。隨著(zhù)電力政策的放開(kāi)，分布式電源DG(distributedgeneration)作為一種新興的發(fā)電模式逐步被廣泛關(guān)注。IEEE定義的DG是小容量的、可以在電力系統任意位置并網(wǎng)的發(fā)電機，容量范圍小于10MW，并網(wǎng)電壓等級通常連接到配電系統所屬的各個(gè)電壓等級。作為集中式發(fā)電的有益補充，DG的接入位置主要在配電網(wǎng)用戶(hù)附近，這樣不僅可以減少電力傳輸時(shí)功率的損耗以及由配網(wǎng)升級帶來(lái)的費用，而且也為用戶(hù)帶來(lái)了較低的費用、較高的可靠性、較好的電能質(zhì)量、較高的能源利用率和獨立性。網(wǎng)輻射狀結構變?yōu)槎嚯娫唇Y構，潮流的大小和方向都將發(fā)生改變，下級電網(wǎng)有可能會(huì )向上級電網(wǎng)送電，配電網(wǎng)本身的電壓分布也將有所變化;同時(shí)，還會(huì )增大并網(wǎng)點(diǎn)附近的短路電流水平。

DG的接入也將對并網(wǎng)點(diǎn)附近用戶(hù)的供電可靠性有所提升，但由于DG本身故障的概率性和出力的隨機性，也將在一定程度上降低系統的供電可靠性。顯然，DG接入對可靠性的影響結果尚待分析。此外，DG的并網(wǎng)和控制需要使用大量的電力電子器件，器件頻繁的開(kāi)通和關(guān)斷易產(chǎn)生相應的諧波分量，以及由于短路電流的變化，原有的電網(wǎng)過(guò)電流保護也會(huì )受到影響。這些均將對配電網(wǎng)的管理產(chǎn)生一定的影響。

本文基于典型中壓配網(wǎng)模型的構建，從逆功率約束、電壓提升、短路電流提高等方面研究配電網(wǎng)中DG的接入容量與位置問(wèn)題，并進(jìn)一步分析DG接入對電網(wǎng)可靠性及諧波、保護的影響。

1DG接入配電網(wǎng)模式介紹

由于DG的不同接入模式將對DG的接入容量產(chǎn)生較大影響，因此本文首先介紹DG的幾種主要接入模式。

(1)低壓分散接入模式：是一種基于用戶(hù)的接入模式，主要是將小容量DG接入中壓配電變壓器低壓側。

(2)中壓分散接入模式：是指將容量中等的DG接入中壓配電線(xiàn)路支線(xiàn)的方式。

(3)專(zhuān)線(xiàn)接入模式：DG容量較大時(shí)，為避免對用戶(hù)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，宜考慮以專(zhuān)線(xiàn)形式接入高壓變電站的中、低壓側母線(xiàn)。受容量所限，采用此模式的DG所接入的電壓等級通常也為中壓。無(wú)論DG采用何種方式接入配電網(wǎng)，都應當滿(mǎn)足的重要原則是不能向上一電壓等級送電，這主要是原本用來(lái)降壓的中壓配電變壓器在升壓過(guò)程中不僅允許通過(guò)容量有所下降，而且傳輸功率的損耗也將大幅提升。因此，低壓接入的DG的最大出力必須限制在配變最小負荷之內，故可將低壓接入的DG與配變原來(lái)負荷整體等效為一個(gè)負荷，此負荷與其他用戶(hù)負荷均具有類(lèi)似的波動(dòng)性和不確定性，對配電網(wǎng)運行無(wú)特殊影響。因而，本文將重點(diǎn)探討DG在中壓分散接入和專(zhuān)線(xiàn)接入兩種模式下對配電網(wǎng)的運行影響，并研究DG的接入容量限制。

2DG接入的逆功率限制

對于中壓分散接入模式，考慮負荷峰谷差因素，需要在DG出力為額定功率且饋線(xiàn)負荷為其谷值時(shí)依然能夠滿(mǎn)足不出現逆潮流的限制，否則將影響其他饋線(xiàn)的DG接入。因此，接入DG的最大出力應小于饋線(xiàn)負荷的谷值。根據調研，“負荷谷值/負荷峰值”的比值約為0.4～0.6。因此，DG總容量不應超過(guò)饋線(xiàn)最大負荷的40%～60%。實(shí)際運行中的最嚴重情況是DG出力最大而饋線(xiàn)負荷最小，此時(shí)DG出力與饋線(xiàn)負荷相同。

對于專(zhuān)線(xiàn)接入模式，國家電網(wǎng)在《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規定》中指出：“分布式電源總容量原則上不宜超過(guò)上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%”。顯然這也是基于逆功率限制的考慮。因此，在分析專(zhuān)線(xiàn)接入問(wèn)題時(shí)，分布式電源容量最大不超過(guò)主變壓器所帶負荷的25%。

3DG接入對電網(wǎng)穩態(tài)運行的影響分析

3.1典型配電網(wǎng)模型

為計算DG接入對配電網(wǎng)潮流(電壓水平)與短路的影響，本文針對配電網(wǎng)的運行特點(diǎn)建立了典型模型，如圖1所示。該線(xiàn)路電壓等級為10kV，共14個(gè)負荷節點(diǎn)，其中，0號節點(diǎn)是變壓器低壓側母線(xiàn)。線(xiàn)路參數采用YJY22-3×300電纜，總長(cháng)度2km，每段線(xiàn)路等長(cháng)。線(xiàn)路總負荷按照50%負載率來(lái)考慮，約為3.64MW，且各節點(diǎn)負荷均分總負荷。

3.2DG接入對配電網(wǎng)電壓的影響

為實(shí)現DG接入電網(wǎng)的潮流計算，根據DG的運行和控制方式，可將DG分別看作PQ節點(diǎn)、PV節點(diǎn)、PI節點(diǎn)和PQ(V)節點(diǎn)。其中長(cháng)期運行在額定工況附近、波動(dòng)性不大的DG可看作PQ節點(diǎn)，如同步電機接入電網(wǎng)的DG，當其勵磁控制方式為功率因數控制時(shí)，則可看作PQ節點(diǎn);將能維持節點(diǎn)電壓幅值的DG節點(diǎn)看作PV節點(diǎn)，如用同步電機接入電網(wǎng)，當其勵磁控制方式為電壓控制時(shí)可看作PV節點(diǎn);儲能系統可看作PI節點(diǎn);對于直接并網(wǎng)的異步風(fēng)力發(fā)電機組，可看成是PQ(V)節點(diǎn)[1]。

1)中壓分散接入模式

根據電力系統運行特性，作為電源的DG，接入位置在線(xiàn)路末端且出力與線(xiàn)路負荷相等的情況下對電壓抬升作用最為明顯。將上述條件均帶入電壓降落計算公式ΔU=(PR+QX)/U，可以得出DG接入配電線(xiàn)路對節點(diǎn)電壓的最大提升不足1%，因此，電壓?jiǎn)?wèn)題不構成限制DG接入的因素。

2)專(zhuān)線(xiàn)接入模式

受接入點(diǎn)的影響，此接入模式只影響變壓器電壓，不對饋線(xiàn)電壓產(chǎn)生影響。根據逆功率限制結果，專(zhuān)線(xiàn)接入模式下DG容量最大不超過(guò)變壓器所帶負荷的25%，即使變壓器負荷處于低谷、DG為峰值出力的最嚴重情況下，DG對電壓降落的影響依舊在1%以?xún)?，若同時(shí)考慮變壓器分接頭的調節作用，則可忽略專(zhuān)線(xiàn)接入DG對配電網(wǎng)電壓的影響。

3.3DG接入對配電網(wǎng)短路電流的影響

為實(shí)現DG接入電網(wǎng)的短路計算分析，可按照并網(wǎng)接口的不同將DG分為旋轉型和逆變型兩種類(lèi)型。其中旋轉型又可以分為采用同步電機并網(wǎng)和異步電機并網(wǎng)兩類(lèi)。由于以同步電機作為接口的DG短路電流注入能力最大[2]，為考慮最嚴重情況，本文將針對采用同步電機接口方式的DG進(jìn)行分析。在DG的同步電機接口的出口短路情況下，單位DG容量可提供的短路電流約為0.3kA/MW。

本文計算出采用專(zhuān)線(xiàn)接入模式和分散接入模式時(shí)不同容量DG所提供的最大短路電流，見(jiàn)表1。

根據現有配電網(wǎng)規劃技術(shù)原則，中壓短路電流限制為16kA，特殊地區允許到達20kA。從表中可以看出，在中壓分散接入條件下，DG最大能提供的短路電流為0.545kA，占中壓短路電流限值的比例為3%左右;在專(zhuān)線(xiàn)接入條件下，DG最大能提供的短路電流則將達到3kA以上，約占中壓短路電流限值的比例為15%以上。因此，若DG采用中壓分散接入，則對短路電流影響較小;若DG采用專(zhuān)線(xiàn)接入，則各地區應結合自身的實(shí)際短路電流水平來(lái)制定相應的DG接入容量限制，或者在DG接入時(shí)應用故障限流器等短路電流限制措施。

3.4DG接入容量與模式的建議

通過(guò)以上分析可知，各種接入模式下影響DG接入容量的主要因素還是逆功率限制，而電壓與短路對DG接入容量的影響均很有限。綜合上述研究結果，可以得出DG接入容量與模式的建議如下。

(1)采用低壓接入模式的DG，建議其容量小于所接入中壓配電變壓器最大負荷40%。以配電變壓器的容量為400kVA計，若其負載率為50%，則建議采用低壓接入模式的DG容量小于80kVA。

(2)采用中壓分散接入模式的DG，建議其容量要小于所接入中壓饋線(xiàn)最大負荷的40%。以YJY22-3×300為例，若采用單環(huán)網(wǎng)接線(xiàn)，則建議采用中壓分散接入模式的DG容量小于1.5MVA。

(3)采用專(zhuān)線(xiàn)接入模式的DG，建議其容量要小于所接入主變壓器最大負荷的25%。其中，若考慮容載比為2.0，則容量為20MVA和31.5MVA的35kV主變所能接入的最大DG容量分別為2.5MVA和3.9MVA，而2.5(3.9)～10MVA的DG只能采用35kV專(zhuān)線(xiàn)接入更高等級的變電站中低壓側母線(xiàn)。

4DG的接入對電網(wǎng)可靠性的影響

在線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，DG可以為停電的用戶(hù)供電，尤其是對于那些非常重要的負荷，年平均斷電時(shí)間將可大大減少。但另一方面，在DG并網(wǎng)條件下，配電網(wǎng)可靠性的評估需要考慮新出現的影響因素，如孤島的出現和DG輸出功率的隨機性等。其中，DG對供電可靠性的影響與DG孤島運行緊密相關(guān)，孤島運行是指當連接主電網(wǎng)和DG的任一開(kāi)關(guān)跳閘，與主網(wǎng)解列后，DG繼續給部分負荷獨立供電，形成孤島運行狀態(tài)。在當前條件下，這種孤島運行將影響檢修人員的安全性，因此是不允許的[3]，但若能提高運行管理水平，則可確保供電可靠性的有效提升。另外，DG受環(huán)境、氣候影響很大，特別是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，它們的出力很不穩定。這兩種因素都從一定程度上影響可靠性的提升效果。

5DG對其他運行方面的影響

(1)諧波與電壓波動(dòng)：采用逆變器接口形式的DG，由于電力電子設備的動(dòng)作將會(huì )對饋線(xiàn)的諧波水平具有一定影響。DG越接近系統母線(xiàn)，對系統的諧波分布影響越小[4]。同時(shí)，由于DG接入對配電網(wǎng)電壓的影響在1%以?xún)?，因此對電壓波?dòng)的影響也很小。當相對于采用逆變器接口的DG，采用同步機接口的DG對功率調制信號的響應速度上較慢，減少電壓暫降持續時(shí)間的能力也較弱[5]。

(2)保護：DG的接入將會(huì )增加配電線(xiàn)路的短路電流，進(jìn)而影響上下游保護的故障判別能力?；谏鲜龇治隹芍?，采用分散接入的DG對短路電流的增量可控制在0.545kA以下，對保護的整定值影響很小;而采用專(zhuān)線(xiàn)接入的DG將對保護的整定值有很大影響。

(3)故障定位：對于基于FTU的故障定位隔離技術(shù)，若未引入DG，發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)任意兩個(gè)相鄰遙測點(diǎn)的電流大小來(lái)判斷故障點(diǎn)，即兩點(diǎn)均有或無(wú)短路電流，則故障點(diǎn)不在兩點(diǎn)之間，否則故障點(diǎn)在兩點(diǎn)之間;若線(xiàn)路中引入DG，則線(xiàn)路中的某些區段變?yōu)殡p端電源供電，上述故障處理方法將不再適用，因此需要通過(guò)兩個(gè)相鄰遙測點(diǎn)的電流方向來(lái)判斷故障點(diǎn)的位置。

6結語(yǔ)

本文首先介紹了DG分類(lèi)方式和接入電網(wǎng)模式，在此基礎上，以典型中壓配網(wǎng)模型為基礎，定量計算了DG接入對配電網(wǎng)穩態(tài)特性的影響，提出了DG接入的容量與模式建議。通過(guò)分析可知，DG接入后對配電網(wǎng)的電壓與短路等方面的影響均較小，影響DG接入的主要因素為電網(wǎng)的逆功率限制。同時(shí)本文也對DG接入在電能質(zhì)量、保護的影響進(jìn)行了分析，為配電網(wǎng)相應管理工作提供了技術(shù)借鑒。

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