分布式電源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)發(fā)展方向影響的研究分析

世界性的能源危機(jī)也催生了電力行業(yè)對(duì)新能源的需求，隨著用戶環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，并對(duì)電力供應(yīng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，基于新能源開發(fā)利用的分布式發(fā)電技術(shù)成為了電力工業(yè)一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。分布式發(fā)電和大電網(wǎng)的結(jié)合，將成為未來電力系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

一、引言

以集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)為主要特征的電力系統(tǒng)是目前世界上電力生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。這種集中式的大系統(tǒng)負(fù)擔(dān)著世界上絕大部分用戶的電能需求，但是其自身的一些弊端也日益呈現(xiàn)：?

①技術(shù)復(fù)雜，安全穩(wěn)定性不足。偶然的故障可能引起大范圍的停電以及整個(gè)電網(wǎng)的崩潰;②隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)，這種集中式的電網(wǎng)不能在高峰負(fù)荷時(shí)期靈活跟蹤滿足負(fù)荷需求;③環(huán)境問題日益暴露。

近年來，世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)日益呈現(xiàn)，隨著燃煤、核電的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本的不斷增加，以及用戶對(duì)電力供應(yīng)可靠性的要求不斷提高，基于新能源開發(fā)利用的分布式發(fā)電技術(shù)以其可以降低環(huán)境污染，降低用戶終端費(fèi)用，同時(shí)兼具高效性和靈活性等優(yōu)勢(shì)，越來越受到重視，在可持續(xù)發(fā)展中的具有光明的發(fā)展前景。

自20世紀(jì)80年代末開始，世界電力工業(yè)正經(jīng)歷著由集中式供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式發(fā)展的趨勢(shì)。依據(jù)西方國家的經(jīng)驗(yàn)，大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，分布式發(fā)電技術(shù)作為大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充，是節(jié)省投資，降低能耗，提高系統(tǒng)安全性和靈活性的重要方法，并將成為未來發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、分布式發(fā)電技術(shù)及特點(diǎn)

1、分布式發(fā)電技術(shù)的定義

目前，對(duì)分布式發(fā)電并沒有統(tǒng)一的定義。一般認(rèn)為，分布式發(fā)電DG(DistributeGeneration)指滿足用戶特定的需要、支持現(xiàn)有的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行或者同時(shí)滿足這兩方面要求，在用戶現(xiàn)場(chǎng)或靠近用戶現(xiàn)場(chǎng)配置的功率為小型，與環(huán)境兼容的發(fā)電機(jī)組。從廣義來說，分布式發(fā)電可以指任何安裝的用戶附近的發(fā)電設(shè)施，包括冷熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)及各種蓄能技術(shù)，而不論這些發(fā)電形式的規(guī)模大小和一次能源的使用類型。

2、分布式發(fā)電技術(shù)分類

按照分布式發(fā)電使用的能源是否再生，可以將分布式發(fā)電分為兩大類。一類是基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)，主要包括：風(fēng)能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、生物質(zhì)能等發(fā)電形式;另一類是使用不可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電，主要有：內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)等發(fā)電形式。

目前幾種主要的分布式發(fā)電形式及特點(diǎn)：??

(1)風(fēng)能發(fā)電：將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)能蘊(yùn)藏量巨大，可再生，分布廣，具有明顯的環(huán)保效益。且發(fā)電成本低，規(guī)模效益比較顯著。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。風(fēng)力發(fā)電形式有并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種。其中并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的主要形式，是近年來風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)或無電網(wǎng)的地區(qū)提供電能。?

(2)太陽能發(fā)電：目前應(yīng)用較多的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。其原理是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。目前太陽能光伏發(fā)電的成本太高，但是光能是取之不盡用之不竭的清潔能源，而且不受地域限制，發(fā)電裝置安全可靠，規(guī)模靈活，其發(fā)展前景仍然被廣泛看好。?

(3)生物質(zhì)發(fā)電：生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)，例如：秸稈、垃圾、沼氣、農(nóng)林廢棄物等，直接燃燒將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式。它是一種可再生能源發(fā)電，其發(fā)電成本低，容易控制，環(huán)保綜合利用效果好。但電能轉(zhuǎn)換的效率低，生物質(zhì)燃料的獲取、存儲(chǔ)和穩(wěn)定的供給較困難。生物質(zhì)發(fā)電的容量和規(guī)模受到限制。?

(4)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電：以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)。其發(fā)電效率較高?且體積小、質(zhì)量輕、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。?

(5)燃料電池發(fā)電：燃料電池是一種在恒溫狀態(tài)下,直接將存儲(chǔ)在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其優(yōu)點(diǎn)是：效率高、能快速跟蹤負(fù)荷的變化、清潔無污染、占地少。

除水力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電以外，多數(shù)基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)都有一些共同的特點(diǎn)，能量密度低，且具有隨機(jī)性，穩(wěn)定性差，此外，風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電還受天氣的影響。而使用化石燃料的分布式發(fā)電技術(shù)性能則比較穩(wěn)定，易于控制。

3、分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，世界范圍內(nèi)對(duì)分布式發(fā)電的研究和應(yīng)用均取得了突破性的進(jìn)展，分布式發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比重越來越大。

美國是最早發(fā)展分布式發(fā)電的國家之一，自二十世紀(jì)七十年代開始開發(fā)以來?美國已有6000多座分布式能源站?美國分布式發(fā)電的市場(chǎng)已達(dá)10多億美元，全球大多數(shù)商用分布式發(fā)電設(shè)備是由美國提供的。據(jù)美國分布式電力聯(lián)盟(DPCA)的研究估計(jì)，未來20年中分布式能源將占未來新增發(fā)電容量的20%，總量為幾十GW。美國的電力研究院(EPRI)估計(jì)，2010年分布式能源的市場(chǎng)可達(dá)2.5-5GW/年，美國能源部也制訂了相應(yīng)的發(fā)展目標(biāo)。日本因?yàn)槟茉促Y源不足，較早的采用了分布式能源系統(tǒng)，研制了各種先進(jìn)的分布式發(fā)電產(chǎn)品，如各種用于發(fā)電的燃料電池等，并大量生產(chǎn)太陽能光伏電池，2004年全世界太陽能電池組件產(chǎn)量為1200MW，其中日本生產(chǎn)的為610MW，占50%。歐盟各國特別注意采用以可再生能源為主體的分布式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，如德國、荷蘭等利用安置在屋頂?shù)奶柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)?開發(fā)零排放的供電系統(tǒng)，英國大量采用天然氣作為發(fā)電的燃料，丹麥?zhǔn)抢蒙镔|(zhì)能較好的國家。

我國國家發(fā)改委發(fā)布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提到,到2020年我國要力爭(zhēng)建成水電3TW，風(fēng)電30GW，生物質(zhì)發(fā)電30GW，太陽能發(fā)電118GW，使可再生能源消費(fèi)量達(dá)到能源消費(fèi)總量的15%左右。這給基于新能源發(fā)電的分布式發(fā)電的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。

三、分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

一般而言，分布式電源是直接接入配電系統(tǒng)，380V或10kV配電系統(tǒng)，并網(wǎng)運(yùn)行或采取獨(dú)立運(yùn)行的方式。分布式發(fā)電的接入對(duì)配電網(wǎng)的供電經(jīng)濟(jì)性和節(jié)點(diǎn)電壓、潮流、短路電流、網(wǎng)絡(luò)供電可靠性等都會(huì)帶來影響?由此也對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)提出了新要求。

1、對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)規(guī)劃期間網(wǎng)絡(luò)中空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基本狀況確定最優(yōu)的系統(tǒng)建設(shè)方案?在滿足負(fù)荷增長(zhǎng)和安全可靠供電的前提下?使配電系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用最小。但分布式發(fā)電的接入，使得配電網(wǎng)規(guī)劃突破了傳統(tǒng)的方式，對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃造成了深遠(yuǎn)的影。主要表現(xiàn)為：??

(1)分布式電源的接入會(huì)影響系統(tǒng)的負(fù)荷增長(zhǎng)模式，使原有的配電系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)和規(guī)劃面臨著更大的不確定性。

(2)配電網(wǎng)本身節(jié)點(diǎn)數(shù)非常多，系統(tǒng)增加的大量分布式發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，使得在所有可能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)布置方案更加困難。

(3)對(duì)含多種類型分布式發(fā)電混合聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)，根據(jù)各類型能源分布特征建立模型，在配電網(wǎng)中確定合理的電源結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)有效利用各種類型電源成為待解決的問題。

此外，國家能源政策和規(guī)劃也將直接影響配電網(wǎng)規(guī)劃決策過程?！禣ptimalDistributedGenerationAllocationinMVDistributionNetworks》介紹了一種可在中壓配電網(wǎng)中接入分布式電源的最優(yōu)安裝地點(diǎn)算法。此算法以饋線容量極限、饋線電壓形態(tài)以及三相短路電流等約束?以網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建和網(wǎng)損費(fèi)用最少為目標(biāo)函數(shù)?采用基因算法對(duì)分布式發(fā)電設(shè)備的安裝位置和容量大小尋求最優(yōu)。

《MVNetworkPlanningUnderUncertaintiesonDistributedGenerationPenetration》在《OptimalDistributedGenerationAllocationinMVDistributionNetworks》基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中分布式發(fā)電存在的各種不確定性因素，采用啟發(fā)式最優(yōu)算法。應(yīng)用決策原理，從而提出了一套新的配電網(wǎng)規(guī)劃算法。

2、對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)網(wǎng)損計(jì)算總是與負(fù)荷有關(guān)。含分布式電源的配電網(wǎng)網(wǎng)損計(jì)算不僅和負(fù)荷有關(guān)，同時(shí)還與分布式電源的容量和具體位置以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電系統(tǒng)由原有的單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橛脩艋ヂ?lián)和多電源的弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)的潮流分布將發(fā)生根本性的變化，其不再是單方向地從變電站母線流向各個(gè)負(fù)荷，而是大小和方向都無法預(yù)測(cè)。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致配電網(wǎng)的網(wǎng)損發(fā)生變化。

《LossAllocationinDistributionNetworkswithEmbeddedGeneration》對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損進(jìn)行了定量分析?；诒壤窒碓恚酶櫵惴?，確定放射狀配電網(wǎng)絡(luò)各組成部分的有功和無功，以此來確定對(duì)網(wǎng)損起決定作用的電流值。

3、對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

分布式發(fā)電接入配電系統(tǒng)后，對(duì)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)可能引起原有的繼電保護(hù)裝置靈敏度降低或拒動(dòng)。分布式發(fā)電產(chǎn)生的故障電流可能會(huì)減小流過饋線繼電器的電流，使速斷保護(hù)無法啟動(dòng)，從而導(dǎo)致故障不能及時(shí)切除。

(2)可能導(dǎo)致配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)誤動(dòng)作。相鄰饋線的故障可能會(huì)導(dǎo)致分布式電源所在的線路保護(hù)誤動(dòng)作。

(3)改變了配電網(wǎng)的故障水平。分布式電源數(shù)量和種類的不同會(huì)提高或降低配電網(wǎng)的故障水平。大容量的分布式電源將導(dǎo)致故障電流產(chǎn)生大幅度的變化。

(4)非同期合閘下會(huì)擴(kuò)大事故停電范圍。若故障跳閘后，分布式電源沒有停止運(yùn)行或從電網(wǎng)中切除，造成的非同期重合閘將會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，擴(kuò)大事故停電范圍。

《EffectsofDistributedGenerationonProtectiveDeviceCoordinationinDistributionSystem》指出，含分布式電源的配電網(wǎng)中，分布式電源的具體位置和容量大小將密切影響保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)和控制方法。

4、對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響主要有以下兩個(gè)方面：

(1)對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，有功和無功負(fù)荷隨時(shí)間的變化會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)。沿線路末端方向，電壓波動(dòng)越大。若負(fù)荷都集中在配電系統(tǒng)的末端附近，電壓的波動(dòng)將更嚴(yán)重。分布式電源接入配電網(wǎng)后，主要以下面兩種方式對(duì)系統(tǒng)電壓造成影響：?

①分布式電源與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行，即分布式電源的輸出量隨負(fù)荷的變化相應(yīng)地變化(增加或減小)，此時(shí)分布式電源將抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。

②分布式電源不能與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行。分布式發(fā)電功率隨機(jī)變化、分布式發(fā)電機(jī)的啟停均會(huì)影響與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的協(xié)調(diào)運(yùn)行，引起電壓波動(dòng)、電壓閃變以等電能質(zhì)量問題。

(2)諧波問題

分布式電源接入配電系統(tǒng)后產(chǎn)生諧波問題的原因有兩個(gè)方面：一是分布式電源的能量轉(zhuǎn)換具有間歇性和不穩(wěn)定性，二是分布式電源中采用了整流-逆變技術(shù)和大量的電力電子設(shè)備，不同類型分布式發(fā)電機(jī)、不同的分布式發(fā)電聯(lián)網(wǎng)方式可能會(huì)造成不同程度的諧波畸變。如變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，其變流器始終處于工作狀態(tài)，產(chǎn)生的諧波電流大小與機(jī)組輸出功率基本呈線性關(guān)系，即風(fēng)速大小有關(guān)。

《APVDispersedGenerator》分析了光伏發(fā)電單元，PV?接入配電網(wǎng)是否降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量。作者研究了美國西德克薩斯州的200kW日光場(chǎng)其所處的配電網(wǎng)，通過長(zhǎng)時(shí)間和大量的監(jiān)測(cè)工作，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論，此日光場(chǎng)入網(wǎng)并沒有造成所在的配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。

《TheeffectofdispersedgenerationonPowerqualityindistributionsystem》討論了接入分布式發(fā)電的大型配電網(wǎng)的一些重要母線的諧波電壓水平，并提出了可以在諧波電壓水平較高的母線上安裝特殊的濾波器來抑制諧波電壓。

5、對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響

根據(jù)分布式電源運(yùn)行方式的不同，其對(duì)配電網(wǎng)的可靠性也將產(chǎn)生不同的影響。如果分布式電源是作為配電系統(tǒng)的備用電源來使用，則分布式發(fā)電的接入可以提高系統(tǒng)的供電可靠性，如果分布式電源是和系統(tǒng)電源并網(wǎng)運(yùn)行，控制不好則可能降低系統(tǒng)的可靠性，反之則可以提高可靠性。因?yàn)?strong>并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布式發(fā)電設(shè)備本身的可靠性將是影響系統(tǒng)供電可靠性的重要因素，而分布式發(fā)電設(shè)備由于其自身不穩(wěn)定、可靠性不高以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素，與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)可靠性還有較大的差距，故一般不采取單獨(dú)的分布式電源供電。分布式發(fā)電引入配電系統(tǒng)后，可能會(huì)產(chǎn)生一種新的運(yùn)行方式——孤島運(yùn)行。“孤島”是指包含分布式電源的配電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍然繼續(xù)向所在的獨(dú)立配電網(wǎng)輸電。無意中形成的孤島，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)、維修人員等造成危害，而且負(fù)荷可能出現(xiàn)的供需不平衡將嚴(yán)重?fù)p害電能質(zhì)量，從而降低配電網(wǎng)的供電可靠性。若事先有應(yīng)對(duì)策略來應(yīng)付孤島的出現(xiàn)，利用孤島最快最大限度地向孤島內(nèi)的負(fù)荷供電，則可以提高配電網(wǎng)的供電可靠性。2003年北美大停電事故中的孤島運(yùn)行則是分布式發(fā)電提高配電網(wǎng)供電可靠性能的典范。

《分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響》研究采用基于區(qū)間計(jì)算的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估分析了參數(shù)不確定對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的影響，通過網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化等值計(jì)算分布式電源接入配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的各項(xiàng)區(qū)間指標(biāo)，驗(yàn)證了作為備用電源的分布式電源可以改善配電網(wǎng)可靠性。

《計(jì)及分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性》根據(jù)配電網(wǎng)中負(fù)荷的重要程度，以等值有效最大負(fù)荷為目標(biāo)函數(shù)，建立配電網(wǎng)孤島劃分的模型，采用改進(jìn)的適用于含分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性計(jì)算最小路法計(jì)算模型。并通過仿真表明，分布式電源合理接入配電網(wǎng)后，可以提高配電網(wǎng)的供電可靠性。