智能電網(wǎng)：分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)的影響分析

摘要：針對(duì)分布式電源應(yīng)用趨勢(shì)越來越明顯但在接入系統(tǒng)方面卻缺乏相應(yīng)技術(shù)分析與論證的問題，重點(diǎn)研究了各類分布式電源接入后對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響結(jié)果。首先，從運(yùn)行模式和接口方式對(duì)分布式電源進(jìn)行分析，以便于分類研究不同的影響結(jié)果;其次，分析分布式電源接入電網(wǎng)的方式，構(gòu)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(chǔ);最后通過接入后模型的理論計(jì)算，研究分布式電源接入電網(wǎng)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性和電能質(zhì)量、保護(hù)等方面帶來的影響，從而為配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)原則的修改提供理論基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期以來，能源結(jié)構(gòu)的不合理性以及能源利用效率的持續(xù)偏低帶來了許多環(huán)境和社會(huì)問題。隨著電力政策的放開，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(tǒng)任意位置并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，容量范圍小于10MW，并網(wǎng)電壓等級(jí)通常連接到配電系統(tǒng)所屬的各個(gè)電壓等級(jí)。作為集中式發(fā)電的有益補(bǔ)充，DG的接入位置主要在配電網(wǎng)用戶附近，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(jí)帶來的費(fèi)用，而且也為用戶帶來了較低的費(fèi)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(dú)立性。網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流的大小和方向都將發(fā)生改變，下級(jí)電網(wǎng)有可能會(huì)向上級(jí)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(duì)并網(wǎng)點(diǎn)附近用戶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(jī)性，也將在一定程度上降低系統(tǒng)的供電可靠性。顯然，DG接入對(duì)可靠性的影響結(jié)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，器件頻繁的開通和關(guān)斷易產(chǎn)生相應(yīng)的諧波分量，以及由于短路電流的變化，原有的電網(wǎng)過電流保護(hù)也會(huì)受到影響。這些均將對(duì)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(gòu)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題，并進(jìn)一步分析DG接入對(duì)電網(wǎng)可靠性及諧波、保護(hù)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(duì)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(cè)。

(2)中壓分散接入模式：是指將容量中等的DG接入中壓配電線路支線的方式。

(3)專線接入模式：DG容量較大時(shí)，為避免對(duì)用戶電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，宜考慮以專線形式接入高壓變電站的中、低壓側(cè)母線。受容量所限，采用此模式的DG所接入的電壓等級(jí)通常也為中壓。無論DG采用何種方式接入配電網(wǎng)，都應(yīng)當(dāng)滿足的重要原則是不能向上一電壓等級(jí)送電，這主要是原本用來降壓的中壓配電變壓器在升壓過程中不僅允許通過容量有所下降，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(fù)荷之內(nèi)，故可將低壓接入的DG與配變?cè)瓉碡?fù)荷整體等效為一個(gè)負(fù)荷，此負(fù)荷與其他用戶負(fù)荷均具有類似的波動(dòng)性和不確定性，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行無特殊影響。因而，本文將重點(diǎn)探討DG在中壓分散接入和專線接入兩種模式下對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行影響，并研究DG的接入容量限制。

2DG接入的逆功率限制

對(duì)于中壓分散接入模式，考慮負(fù)荷峰谷差因素，需要在DG出力為額定功率且饋線負(fù)荷為其谷值時(shí)依然能夠滿足不出現(xiàn)逆潮流的限制，否則將影響其他饋線的DG接入。因此，接入DG的最大出力應(yīng)小于饋線負(fù)荷的谷值。根據(jù)調(diào)研，“負(fù)荷谷值/負(fù)荷峰值”的比值約為0.4～0.6。因此，DG總?cè)萘坎粦?yīng)超過饋線最大負(fù)荷的40%～60%。實(shí)際運(yùn)行中的最嚴(yán)重情況是DG出力最大而饋線負(fù)荷最小，此時(shí)DG出力與饋線負(fù)荷相同。

對(duì)于專線接入模式，國家電網(wǎng)在《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中指出：“分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%”。顯然這也是基于逆功率限制的考慮。因此，在分析專線接入問題時(shí)，分布式電源容量最大不超過主變壓器所帶負(fù)荷的25%。

3DG接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響分析

3.1典型配電網(wǎng)模型

為計(jì)算DG接入對(duì)配電網(wǎng)潮流(電壓水平)與短路的影響，本文針對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)建立了典型模型，如圖1所示。該線路電壓等級(jí)為10kV，共14個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其中，0號(hào)節(jié)點(diǎn)是變壓器低壓側(cè)母線。線路參數(shù)采用YJY22-3×300電纜，總長(zhǎng)度2km，每段線路等長(zhǎng)。線路總負(fù)荷按照50%負(fù)載率來考慮，約為3.64MW，且各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷均分總負(fù)荷。

3.2DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

為實(shí)現(xiàn)DG接入電網(wǎng)的潮流計(jì)算，根據(jù)DG的運(yùn)行和控制方式，可將DG分別看作PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、PI節(jié)點(diǎn)和PQ(V)節(jié)點(diǎn)。其中長(zhǎng)期運(yùn)行在額定工況附近、波動(dòng)性不大的DG可看作PQ節(jié)點(diǎn)，如同步電機(jī)接入電網(wǎng)的DG，當(dāng)其勵(lì)磁控制方式為功率因數(shù)控制時(shí)，則可看作PQ節(jié)點(diǎn);將能維持節(jié)點(diǎn)電壓幅值的DG節(jié)點(diǎn)看作PV節(jié)點(diǎn)，如用同步電機(jī)接入電網(wǎng)，當(dāng)其勵(lì)磁控制方式為電壓控制時(shí)可看作PV節(jié)點(diǎn);儲(chǔ)能系統(tǒng)可看作PI節(jié)點(diǎn);對(duì)于直接并網(wǎng)的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可看成是PQ(V)節(jié)點(diǎn)[1]。

1)中壓分散接入模式

根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，作為電源的DG，接入位置在線路末端且出力與線路負(fù)荷相等的情況下對(duì)電壓抬升作用最為明顯。將上述條件均帶入電壓降落計(jì)算公式ΔU=(PR+QX)/U，可以得出DG接入配電線路對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的最大提升不足1%，因此，電壓?jiǎn)栴}不構(gòu)成限制DG接入的因素。

2)專線接入模式

受接入點(diǎn)的影響，此接入模式只影響變壓器電壓，不對(duì)饋線電壓產(chǎn)生影響。根據(jù)逆功率限制結(jié)果，專線接入模式下DG容量最大不超過變壓器所帶負(fù)荷的25%，即使變壓器負(fù)荷處于低谷、DG為峰值出力的最嚴(yán)重情況下，DG對(duì)電壓降落的影響依舊在1%以內(nèi)，若同時(shí)考慮變壓器分接頭的調(diào)節(jié)作用，則可忽略專線接入DG對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。

3.3DG接入對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響

為實(shí)現(xiàn)DG接入電網(wǎng)的短路計(jì)算分析，可按照并網(wǎng)接口的不同將DG分為旋轉(zhuǎn)型和逆變型兩種類型。其中旋轉(zhuǎn)型又可以分為采用同步電機(jī)并網(wǎng)和異步電機(jī)并網(wǎng)兩類。由于以同步電機(jī)作為接口的DG短路電流注入能力最大[2]，為考慮最嚴(yán)重情況，本文將針對(duì)采用同步電機(jī)接口方式的DG進(jìn)行分析。在DG的同步電機(jī)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(jì)算出采用專線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，見表1。

根據(jù)現(xiàn)有配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)原則，中壓短路電流限制為16kA，特殊地區(qū)允許到達(dá)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;在專線接入條件下，DG最大能提供的短路電流則將達(dá)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(duì)短路電流影響較小;若DG采用專線接入，則各地區(qū)應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際短路電流水平來制定相應(yīng)的DG接入容量限制，或者在DG接入時(shí)應(yīng)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(duì)DG接入容量的影響均很有限。綜合上述研究結(jié)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(fù)荷40%。以配電變壓器的容量為400kVA計(jì)，若其負(fù)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最大負(fù)荷的40%。以YJY22-3×300為例，若采用單環(huán)網(wǎng)接線，則建議采用中壓分散接入模式的DG容量小于1.5MVA。

(3)采用專線接入模式的DG，建議其容量要小于所接入主變壓器最大負(fù)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專線接入更高等級(jí)的變電站中低壓側(cè)母線。

4DG的接入對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響

在線路發(fā)生故障時(shí)，DG可以為停電的用戶供電，尤其是對(duì)于那些非常重要的負(fù)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(píng)估需要考慮新出現(xiàn)的影響因素，如孤島的出現(xiàn)和DG輸出功率的隨機(jī)性等。其中，DG對(duì)供電可靠性的影響與DG孤島運(yùn)行緊密相關(guān)，孤島運(yùn)行是指當(dāng)連接主電網(wǎng)和DG的任一開關(guān)跳閘，與主網(wǎng)解列后，DG繼續(xù)給部分負(fù)荷獨(dú)立供電，形成孤島運(yùn)行狀態(tài)。在當(dāng)前條件下，這種孤島運(yùn)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(yùn)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)電和太陽能發(fā)電，它們的出力很不穩(wěn)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(duì)其他運(yùn)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(shè)備的動(dòng)作將會(huì)對(duì)饋線的諧波水平具有一定影響。DG越接近系統(tǒng)母線，對(duì)系統(tǒng)的諧波分布影響越小[4]。同時(shí)，由于DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響在1%以內(nèi)，因此對(duì)電壓波動(dòng)的影響也很小。當(dāng)相對(duì)于采用逆變器接口的DG，采用同步機(jī)接口的DG對(duì)功率調(diào)制信號(hào)的響應(yīng)速度上較慢，減少電壓暫降持續(xù)時(shí)間的能力也較弱[5]。

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

(3)故障定位：對(duì)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)可通過任意兩個(gè)相鄰遙測(cè)點(diǎn)的電流大小來判斷故障點(diǎn)，即兩點(diǎn)均有或無短路電流，則故障點(diǎn)不在兩點(diǎn)之間，否則故障點(diǎn)在兩點(diǎn)之間;若線路中引入DG，則線路中的某些區(qū)段變?yōu)殡p端電源供電，上述故障處理方法將不再適用，因此需要通過兩個(gè)相鄰遙測(cè)點(diǎn)的電流方向來判斷故障點(diǎn)的位置。

6結(jié)語

本文首先介紹了DG分類方式和接入電網(wǎng)模式，在此基礎(chǔ)上，以典型中壓配網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，定量計(jì)算了DG接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性的影響，提出了DG接入的容量與模式建議。通過分析可知，DG接入后對(duì)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(duì)DG接入在電能質(zhì)量、保護(hù)的影響進(jìn)行了分析，為配電網(wǎng)相應(yīng)管理工作提供了技術(shù)借鑒。

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