分布式電源應用若干問(wèn)題解答

　　引言

　　近年來(lái)，對分布式電源應用與消納的關(guān)注越來(lái)越高，分布式電源對配電網(wǎng)的影響，分析鼠籠異步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機的短路電流特性，研究光伏發(fā)電系統的動(dòng)態(tài)仿真模型，論述光伏發(fā)電系統的并網(wǎng)逆變器結構及其控制策略，研究光伏逆變器附加電能質(zhì)量控制的方法，以及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)調控制方式，而對于不依賴(lài)通信手段的消納方式的研究尚顯不足。此外，在太陽(yáng)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(yáng)能熱水器進(jìn)行對比分析，探索在現有技術(shù)水平下如何更好地利用太陽(yáng)能達到節能減排的目的。

　　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(huì )對繼電保護、配電自動(dòng)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(lèi)，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(guò)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(guò)其額定容量的1.5倍。

　　饋線(xiàn)發(fā)生相間短路故障時(shí)，來(lái)自主網(wǎng)的短路電流、同母線(xiàn)其他饋線(xiàn)上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線(xiàn)上分布式電源提供的短路電流都將流向故障點(diǎn)。為了維持10kV母線(xiàn)電壓穩定，配電網(wǎng)的系統短路容量一般都遠遠大于饋線(xiàn)上分布式電源的容量，因此來(lái)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(shí)現主網(wǎng)側繼電保護配合，而分布式電源側則需要通過(guò)反孤島措施（如低電壓脫網(wǎng)）與故障區域解除聯(lián)系。

　　1.2、對配電自動(dòng)化故障處理的影響

　　饋線(xiàn)發(fā)生相間短路故障時(shí)，來(lái)自主網(wǎng)的短路電流、同母線(xiàn)其他饋線(xiàn)上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線(xiàn)上故障上游分布式電源提供的短路電流都將流向故障區域的上游入點(diǎn)，而故障區域的下游出點(diǎn)也會(huì )流過(guò)饋線(xiàn)上故障下游分布式電源提供的短路電流。一般認為若流過(guò)故障區域的下游出點(diǎn)的短路電流接近流過(guò)故障區域的上游入點(diǎn)的短路電流，則會(huì )破壞配電自動(dòng)化故障定位策略。但是，正如上節所述，來(lái)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(xiàn)其他饋線(xiàn)上分布式電源提供的短路電流還會(huì )助增流過(guò)故障區域的上游入點(diǎn)的短路電流，也即流過(guò)故障區域的上游入點(diǎn)的短路電流會(huì )遠遠大于流過(guò)故障區域的下游出點(diǎn)的短路電流，很容易設置一個(gè)定值將它們區分開(kāi)來(lái)，因此一般不會(huì )對傳統配電自動(dòng)化系統的故障定位產(chǎn)生影響，換言之，已經(jīng)建成的配電自動(dòng)化系統并不需要因分布式電源大規模接入而推倒重來(lái)。

　　1.3、對電壓質(zhì)量的影響

　　分布式電源的接入對饋線(xiàn)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(fēng)電等），由于其波動(dòng)性還會(huì )產(chǎn)生電壓波動(dòng)，并且對其接入點(diǎn)的電壓抬升作用和電壓波動(dòng)作用最大。對于接入多臺分布式電源的饋線(xiàn)，其沿線(xiàn)電壓分布就如同在各個(gè)分布式電源處分別由一個(gè)小棍頂著(zhù)一般，在各個(gè)分布式電源的接入點(diǎn)形成一個(gè)個(gè)電壓極值點(diǎn)，見(jiàn)圖1。圖中，S為該饋線(xiàn)的變電站出線(xiàn)斷路器，A、B和C為分段開(kāi)關(guān)，DG為分布式電源，曲線(xiàn)縱軸U代表沿線(xiàn)電壓。

　　圖1 一條含分布式電源饋線(xiàn)沿線(xiàn)的電壓分布

　　考慮到饋線(xiàn)的單位長(cháng)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(dòng)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(dòng)，而并非其對繼電保護、配電自動(dòng)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(chēng)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)調控制，而僅僅根據分布式電源本地采集到的接入點(diǎn)實(shí)時(shí)電壓信息，對其輸出的無(wú)功功率或有功功率進(jìn)行本地調節，以滿(mǎn)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(chēng)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(jìn)行協(xié)調控制，以滿(mǎn)足電壓約束條件，這種消納方式，稱(chēng)為協(xié)調控制消納方式。

　　在實(shí)際應用中，應優(yōu)先采用自由消納方式，在其不能全面滿(mǎn)足要求時(shí)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問(wèn)題，實(shí)在不得已才采用協(xié)調控制消納方式，因為協(xié)調控制消納方式依賴(lài)通信通道，使配電網(wǎng)變得比較脆弱。

　　由于協(xié)調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(jìn)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劃（如根據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(chē)”，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(shí)滿(mǎn)足3個(gè)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(dòng)值不越限，以及無(wú)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)單純由負載引起的最大電壓下偏差值不越限），這3條曲線(xiàn)共同圍成的陰影部分區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(jiàn)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(xiàn)遞增分布、分布式光伏電源容量沿饋線(xiàn)均勻分布的饋線(xiàn)，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中陰影區域所示。圖中，PPV表示分布式電源的容量。由圖可見(jiàn)，即使不對分布式電源進(jìn)行控制，饋線(xiàn)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(xiàn)沿線(xiàn)電壓在各個(gè)分布式電源的接入點(diǎn)形成一個(gè)個(gè)電壓極值點(diǎn)，因此只要采取本地控制策略，使這些極值點(diǎn)的電壓滿(mǎn)足電壓約束，則一般可使整條饋線(xiàn)的電壓滿(mǎn)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。

　　由于調節無(wú)功功率對電壓幅值的調節效果比較明顯，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以調節分布式電源的無(wú)功功率為優(yōu)先，在無(wú)功功率調節到剩余容量極限還不能解決電壓偏差問(wèn)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(jìn)行調節。

　　本地控制策略可以采用模糊控制方法，在電壓越限時(shí)，根據實(shí)時(shí)電壓信息進(jìn)行反復調節，直至滿(mǎn)足電壓約束要求為止（注意，只要滿(mǎn)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(jìn)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需要發(fā)出感性無(wú)功功率或容性無(wú)功功率、并且可以連續調節無(wú)功功率輸出的特點(diǎn)，實(shí)現配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制，解決低電壓和過(guò)電壓?jiǎn)?wèn)題，由于是利用變流器的剩余容量提供所需的無(wú)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(yáng)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?chē)乐剡^(guò)剩。

　　太陽(yáng)能熱水器早已在我國廣泛應用，對于1臺太陽(yáng)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%的轉換效率，則一天可節省電能約1.3度。而一臺太陽(yáng)能熱水器的可利用面積大約為1m2，按照現在的技術(shù)水平裝設100W容量的光伏電池，每天的利用小時(shí)數按照3h計算，一天才能發(fā)出300Wh，即0.3kWh（0.3度電）電能。

　　可見(jiàn)，在對太陽(yáng)能的利用方面，太陽(yáng)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(yáng)能熱水器后的節能效果是會(huì )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(hù)擁有的樓頂面積非常有限，安裝光伏發(fā)電設施遠不如安裝太陽(yáng)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(yáng)能熱水器可以等效為一個(gè)虛擬太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)，對于節能減排可以發(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(xué)校、寫(xiě)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(jià)值。

　　4、結語(yǔ)

　　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(dòng)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(dòng)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(chē)”，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(mǎn)足要求時(shí)宜采用本地控制消納方式；實(shí)在不得已才采用協(xié)調控制消納方式，因為其依賴(lài)通信通道會(huì )使配電網(wǎng)變得比較脆弱。

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