配网分布式电源并网对电网潮流的影响研究

配网分布式电源并网对电网潮流的影响研究
发布者：管理员发布时间：11-12-08 阅读量：125
世界性的能源危机也催生了电力行业对新能源的需求，随着用户环保意识的增强，并对电力供应可靠性和经济性提出了更高的要求，基于新能源开发利用的分布式发电技术成为了电力工业一个新的研究热点。分布式发电和大电网的结合，将成为未来电力系统发展的主要趋势。本文简要介绍了几种典型的分布式发电技术的特点，分析了分布式电源接入配电网所产生的影响，并提出了一些相应的措施与对策。
一、引言
以集中发电、远距离输电和大电网互联为主要特征的电力系统是目前世界上电力生产、输送和分配的主要方式。这种集中式的大系统负担着世界上绝大部分用户的电能需求，但是其自身的一些弊端也日益呈现：①技术复杂，安全稳定性不足。偶然的故障可能引起大范围的停电以及整个电网的崩溃；②随着负荷的增长，这种集中式的电网不能在高峰负荷时期灵活跟踪满足负荷需求；③环境问题日益暴露。
近年来，世界范围内的能源危机日益呈现，随着燃煤、核电的经济成本和环境成本的不断增加，以及用户对电力供应可靠性的要求不断提高，基于新能源开发利用的分布式发电技术以其可以降低环境污染，降低用户终端费用，同时兼具高效性和灵活性等优势，越来越受到重视，在可持续发展中的具有光明的发展前景。
自20世纪80年代末开始，世界电力工业正经历着由集中式供电模式向集中和分散相结合的供电模式发展的趋势。依据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合，分布式发电技术作为大电网的有益补充，是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的重要方法，并将成为未来发电技术的发展趋势。
本文将简要介绍几种基于新能源的分布式发电技术，分析分布式发电技术可能对配电网带来的影响，并提出一些分布式发电技术有待研究和解决的问题。
二、分布式发电技术及特点
1.分布式发电技术的定义
目前，对分布式发电并没有统一的定义。一般认为，分布式发电DG(Distribute Generation)指满足用户特定的需要、支持现有的配电网经济运行或者同时满足这两方面要求，在用户现场或靠近用户现场配置的功率为小型，与环境兼容的发电机组。从广义来说，分布式发电可以指任何安装的用户附近的发电设施，包括冷热电联产、热电联产及各种蓄能技术，而不论这些发电形式的规模大小和一次能源的使用类型。
2. 分布式发电技术分类
按照分布式发电使用的能源是否再生，可以将分布式发电分为两大类。一类是

基于可再生能源的分布式发电技术，主要包括：风能发电、太阳能光伏发电、生物质发电、地热能、海洋能、生物质能等发电形式；另一类是使用不可再生能源发电的分布式发电，主要有：内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、热电联产等发电形式。
目前几种主要的分布式发电形式及特点：
（1）风能发电
将风能转化为电能的发电技术。风能蕴藏量巨大，可再生，分布广，具有明显的环保效益。且发电成本低，规模效益比较显著。风能发电技术现在已经发展得较为成熟。
风力发电形式有并网型和离网型两种。其中并网型风力发电是大规模开发风电的主要形式，是近年来风电发展的主要趋势。离网型风力发电可以为偏远地区或无电网的地区提供电能。
（2）太阳能发电
目前应用较多的是太阳能光伏发电技术。其原理是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。目前太阳能光伏发电的成本太高，但是光能是取之不尽用之不竭的清洁能源，而且不受地域限制，发电装置安全可靠，规模灵活，其发展前景仍然被广泛看好。
（3）生物质发电
生物质发电是利用生物质，例如：秸秆、垃圾、沼气、农林废弃物等，直接燃烧将生物质能转化为电能的一种发电方式。它是一种可再生能源发电，其发电成本低，容易控制，环保综合利用效果好。但电能转换的效率低，生物质燃料的获取、存储和稳定的供给较困难。生物质发电的容量和规模受到限制。
（4）微型燃气轮机发电
以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机发电技术。其发电效率较高，且体积小、质量轻、污染小、运行维护简单。
（5）燃料电池发电
燃料电池是一种在恒温状态下, 直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的装置。其优点是：效率高、能快速跟踪负荷的变化、清洁无污染、占地少。
除水力发电和生物质发电以外，多数基于可再生能源的分布式发电技术都有一些共同的特点：能量密度低，且具有随机性，稳定性差，此外，风力发电和太阳能光伏发电还受天气的影响。而使用化石燃料的分布式发电技术性能则比较稳定，易于控制。
3.分布式发电技术的发展现状
近年来，世界范围内对分布式发电的研究和应用均取得了突破性的进展，分布式发电在电力生产中所占的比重越来越大。
美国是最早发展分布式发电的国家之一，自二十世纪七十年代开始开发以来，美国已有6000多座分布式能源站，美国分布式发电的市场已达10多亿美元，全球大多数商用分布式发电设备是由美国提供的。据美国分布式电力联盟(DPCA)的研究估计，未来

20年中分布式能源将占未来新增发电容量的20%，总量为几十GW。美国的电力研究院(EPRI)估计，2010年分布式能源的市场可达2.5-5GW/年，美国能源部也制订了相应的发展目标。日本因为能源资源不足，较早的采用了分布式能源系统，研制了各种先进的分布式发电产品，如各种用于发电的燃料电池等，并大量生产太阳能光伏电池，2004年全世界太阳能电池组件产量为1200MW，其中日本生产的为610MW，占50%。欧盟各国特别注意采用以可再生能源为主体的分布式发电技术的应用，如德国、荷兰等利用安置在屋顶的太阳能光伏发电系统，开发零排放的供电系统；英国大量采用天然气作为发电的燃料；丹麦是利用生物质能较好的国家。
我国国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》中提到, 到2020年我国要力争建成水电3TW，风电30GW，生物质发电30GW，太阳能发电118GW，使可再生能源消费量达到能源消费总量的15%左右。这给基于新能源发电的分布式发电的发展创造了有利的条件。
三、分布式电源接入对配电网的影响
一般而言，分布式电源是直接接入配电系统（380V或10kV配电系统）并网运行或采取独立运行的方式。分布式发电的接入对配电网的供电经济性和节点电压、潮流、短路电流、网络供电可靠性等都会带来影响，由此也对规划设计提出了新要求。
1. 对配电网规划的影响
传统配电网规划的主要任务是根据规划期间网络中空间负荷预测的结果和现有网络的基本状况确定最优的系统建设方案，在满足负荷增长和安全可靠供电的前提下，使配电系统的建设和运行费用最小。
但分布式发电的接入，使得配电网规划突破了传统的方式，对配电网规划造成了深远的影响。主要表现为：
（1）分布式电源的接入会影响系统的负荷增长模式，使原有的配电系统的负荷预测和规划面临着更大的不确定性。
（2）配电网本身节点数非常多，系统增加的大量分布式发电机节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困难。
（3）对含多种类型分布式发电混合联网供电系统，根据各类型能源分布特征建立模型，在配电网中确定合理的电源结构，协调有效利用各种类型电源成为待解决的问题。
此外，国家能源政策和规划也将直接影响配电网规划决策过程。
《Optimal Distributed Generation Allocation in MV Distribution Networks》介绍了一种可在中压配电网中接入分布式电源的最优安装地点算法。此算法以馈线容量极限、馈线电压形态以及三相短路电流等约束，以网络扩建和网损费用最少为目标函数，采用基因算法对分布式发电设备的安装位置和容量大小寻求最优。

《MV Network Planning Under Uncertainties on Distributed Generation Penetration》在《Optimal Distributed Generation Allocation in MV Distribution Networks》基础上，对系统运行中分布式发电存在的各种不确定性因素，采用启发式最优算法。应用决策原理，从而提出了一套新的配电网规划算法。
2. 对配电网网损的影响
传统的配电网网损计算总是与负荷有关。含分布式电源的配电网网损计算不仅和负荷有关，同时还与分布式电源的容量和具体位置以及网络的拓扑结构紧密相关。
分布式电源接入配电网后，配电系统由原有的单电源辐射式网络将变为用户互联和多电源的弱环网络。配电网的潮流分布将发生根本性的变化，其不再是单方向地从变电站母线流向各个负荷，而是大小和方向都无法预测。这一现象的出现将直接导致配电网的网损发生变化。
《Loss Allocation in Distribution Networks with Embedded Generation》对配电网网损进行了定量分析。基于比例分享原理，用跟踪算法，确定放射状配电网络各组成部分的有功和无功，以此来确定对网损起决定作用的电流值。
3. 对配电网继电保护的影响
分布式发电接入配电系统后，对配电系统继电保护的影响主要表现在以下几个方面：
（1）可能引起原有的继电保护装置灵敏度降低或拒动。分布式发电产生的故障电流可能会减小流过馈线继电器的电流，使速断保护无法启动，从而导致故障不能及时切除。
(2）可能导致配电系统的继电保护误动作。相邻馈线的故障可能会导致分布式电源所在的线路保护误动作。
(3）改变了配电网的故障水平。分布式电源数量和种类的不同会提高或降低配电网的故障水平。大容量的分布式电源将导致故障电流产生大幅度的变化。
(4）非同期合闸下会扩大事故停电范围。若故障跳闸后，分布式电源没有停止运行或从电网中切除，造成的非同期重合闸将会导致继电保护装置误动作，扩大事故停电范围。
《Effects of Distributed Generation on Protective Device Coordination in Distribution System》指出，含分布式电源的配电网中，分布式电源的具体位置和容量大小将密切影响保护装置的协调和控制方法。
3. 对配电网电能质量的影响
分布式发电接入配电网，对配电网的电能质量产生的影响主要有以下两个方面：
(1)对配电网电压波动的影响
在传统配电网中，有功和无功负荷随时间的变化会引起系统电压波动。沿线路末端方向，电压波动越大。若负荷都集中在配电系统的末端附近，电压的波动将更严重。分布式电源接入配电网后，主要以下面两种方式对系统电压造成影响：①分布式电源与当地的负荷协调运行，即分布式电源的输出

量随负荷的变化相应地变化(增加或减小)，此时分布式电源将抑制系统电压的波动；②分布式电源不能与当地的负荷协调运行。分布式发电功率随机变化、分布式发电机的启停均会影响与当地负荷的协调运行，引起电压波动、电压闪变以等电能质量问题。
(2）谐波问题
分布式电源接入配电系统后产生谐波问题的原因有两个方面，一是分布式电源的能量转换具有间歇性和不稳定性，二是分布式电源中采用了整流-逆变技术和大量的电力电子设备，不同类型分布式发电机、不同的分布式发电联网方式可能会造成不同程度的谐波畸变。如变速恒频风电机组，其变流器始终处于工作状态，产生的谐波电流大小与机组输出功率基本呈线性关系，即风速大小有关。
《A PV Dispersed Generator》分析了光伏发电单元（PV）接入配电网是否降低电网的电能质量。作者研究了美国西德克萨斯州的200kW日光场其所处的配电网，通过长时间和大量的监测工作，从监测数据分析得到结论：此日光场入网并没有造成所在的配电网电能质量下降。
《The effect of dispersed generation on Power quality in distribution system》讨论了接入分布式发电的大型配电网的一些重要母线的谐波电压水平，并提出了可以在谐波电压水平较高的母线上安装特殊的滤波器来抑制谐波电压。
4. 对配电网可靠性的影响
大量的分布式发电接入配电网后，其结构发生了根本性的变化，可靠性分析模型和方法也就随之也变得很复杂。
根据分布式电源运行方式的不同，其对配电网的可靠性也将产生不同的影响。
如果分布式电源是作为配电系统的备用电源来使用，则分布式发电的接入可以提高系统的供电可靠性；如果分布式电源是和系统电源并网运行，控制不好则可能降低系统的可靠性，反之则可以提高可靠性。因为并网运行时分布式发电设备本身的可靠性将是影响系统供电可靠性的重要因素，而分布式发电设备由于其自身不稳定、可靠性不高以及运行经验等因素，与传统的配电系统可靠性还有较大的差距，故一般不采取单独的分布式电源供电。
分布式发电引入配电系统后，可能会产生一种新的运行方式——孤岛运行。“孤岛”是指包含分布式电源的配电网与主配电网分离后，仍然继续向所在的独立配电网输电。无意中形成的孤岛，可能会对系统、维修人员等造成危害，而且负荷可能出现的供需不平衡将严重损害电能质量，从而降低配电网的供电可靠性。若事先有应对策略来应付孤岛的出现，利用孤岛最快最大限度地向孤岛内的负荷供电，则可以提高配电网的供电可靠性。2003年北美大停电事故中的孤岛运行则

是分布式发电提高配电网供电可靠性能的典范。
《分布式发电对配电网可靠性的影响》研究采用基于区间计算的配电网可靠性评估分析了参数不确定对配电系统可靠性的影响，通过网络简化等值计算分布式电源接入配电系统可靠性评估的各项区间指标，验证了作为备用电源的分布式电源可以改善配电网可靠性。
《计及分布式电源的配电网供电可靠性》根据配电网中负荷的重要程度，以等值有效最大负荷为目标函数，建立配电网孤岛划分的模型，采用改进的适用于含分布式电源的配电网供电可靠性计算最小路法计算模型。并通过仿真表明，分布式电源合理接入配电网后，可以提高配电网的供电可靠性。