分布式电源接入电网相关问题研究

2017-07-18王波陈蓓蓓殷勤

电力需求侧管理 2017年4期

关键词：孤岛电能分布式

王波，陈蓓蓓，殷勤

（国网江苏省电力公司苏州供电公司，江苏苏州215000）

分布式电源接入电网相关问题研究

王波，陈蓓蓓，殷勤

（国网江苏省电力公司苏州供电公司，江苏苏州215000）

开发利用新能源是环境治理和生态保护的客观要求，也是满足人类社会可持续发展需要的选择。伴随着国际上“低碳经济”理念的提出，我国也顺应客观形势，提出了“节能减排”的发展规划和目标。分布式发电作为一种依托于新能源发展起来的发电模式，以其灵活、环保和高效的特性，受到了人们越来越多的关注和重视。近年来，国务院各部委为鼓励分布式电源建设制订了多项政策，明确了要积极开拓分布式发电应用市场、加快产业结构调整和科技进步、规范产业发展秩序、加强并网管理和服务、完善支持政策等措施。

各级政府也大力推动光伏等分布式电源发展。截止2015年8月，苏州地区已建成分布式发电项目257个，装机容量177.77 MW，装机容量占全省的比例达16.2%。分布式电源，特别是分布式光伏，已经成为苏州地区发电资源的重要组成部分。但由于分布式发电资源分散、项目容量小、发电类型多样、发电出力具有波动性和间歇性等特点，分布式发电技术的使用将会对配电网的规划、运行、检修、电能质量、继电保护和电能计量产生影响。本文首先对分布式电源，尤其是分布式光伏发电做了简要介绍，然后指出分布式电源接入配电网带来的相关问题和解决方案，最后介绍了含多种分布式电源的微电网，作为解决分布式电源接入相关问题的一种途径。

1 分布式电源

分布式电源是指在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户侧自发自用为主、多余电量上网，且以配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施，包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等。客户侧分布式电源的并网点在客户侧配电网内部，通过客户与电网的公共连接点接入公共电网。分布式电源所发电量的消纳模式一般为“自发自用、余电上网”、“全部自用”和“全部上网”3种。由于光伏发电具有转换效率高、储量丰富、建造和拆除方便等特点，分布式光伏发电已经成为苏州地区分布式电源的主要形式。图1为客户侧分布式光伏发电接入电网示意图。

图1 客户侧分布式光伏发电接入电网示意图

分布式光伏发电采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式。它倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏发电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，主要建在厂房屋顶或企业厂区闲置地面。

由于光伏发电功率受光照强度、环境温度等因素的直接影响，具有天然的波动性，光伏电源在同一天的不同时段和一年的不同季节和天气情况下发电功率和发电量有明显波动。图2为苏州某非自然人光伏项目2015年各月发电量。可以看到，该分布式光伏项目在2月份的发电量为6万kWh，光照充足的5月份其发电量超过了16万kWh。

图2 苏州某非自然人光伏项目2015年各月发电量

2 分布电源接入对配电网产生的影响及应对措施

分布式电源接入配电网后，使传统的单电源辐射状网络变成了一个多源网络。配网潮流的大小和方向有可能发生显著改变，且由于其发电功率的不可控波动，将对配电网的规划、运行、检修、电能质量、继电保护和电能计量产生影响。

2.1 对电网规划的影响

负荷预测是电网规划设计的基础，能否准确地预测负荷是电网规划的前提条件。分布式电源接入电网，加大了其所在区域的负荷预测难度，改变了既有的负荷增长模式。

将分布式电源发展纳入电网规划，通过统计各个台区分布式电源渗透率，分析区域分布式电源接入情况，预测分布式电源发展，在制定电网规划时充分考虑分布式电源的发电消纳问题。在配电网电源规划时，需考虑接纳光伏电站的发展要求。例如在小水电丰富、太阳辐照强的地区可以大力发展光伏。而主要以火电为主的配电网，发展光伏电站时需配储能设备或燃气发电机，协调各类电源比例。

2.2 对电网运行的影响

以分布式光伏发电为例。由于分布式光伏发电功率的不确定性，大规模分布式光伏发电迫使电网短期负荷预测准确性降低，增加了传统发电和运行计划的难度，断面交换功率的控制难度加大。加之光伏发电调峰能力极差，且随着光伏穿透功率的增加系统内的峰谷差将成倍增加。分布式的光伏发电系统接入公共电网，电源点分散，单点规模小，显著增加了电源协调控制的困难，常规的无功调度及电压控制策略难以适应，将可能在电网调峰、安全备用、电压稳定和频率安全稳定等方面带来影响。

为了解决这个问题，一方面，可以开展光伏发电功率预测，研究光伏与其他电源的统一规划和协调控制技术，以及提高光伏电站自身功率可控性的智能控制技术。另一方面，可为光伏电站配备一定比例的储能装置，既可弥补光伏发电功率预测的误差，又可平滑功率输出。在遵循光伏等新能源优先调度的前提下，实现全网电源的自动发电控制，既确保电网的频率稳定、电压稳定，又尽最大可能多接纳光伏发电。

2.3 对电网检修的影响

若公共电网由于故障解列停电，而分布式电源没有相应的检测手段，依然向电网供电，就会造成与孤岛地区相连的用户供电质量受影响。非计划孤岛也会威胁电力维修人员安全。孤岛电网与主网非同步重合闸造成操作过电压，单相分布式发电系统会造成系统三相负荷欠相供电。

为了防止非计划孤岛的发生，就需要运用更好的孤岛检测方法，优化孤岛现象检测排除方法。现有的孤岛现象检测方法可以分为3大类：被动检测方法、主动检测方法和故障信号监测方法。被动式方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测，但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，该方法将失去孤岛效应检测能力。主动式孤岛检测方法通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动，但电网正常工作时难以检测微小扰动。故障信号监测方法一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路，该方法检测精度高，但是控制较复杂且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反孤岛策略都采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合。

2.4 对电能质量的影响

分布式光伏接入的重要影响是造成馈线上的电压分布改变，其影响的大小与接入容量、接入位置密切相关。光伏发电一般通过逆变器接入电网，这类电力电子器件的频繁开通和关断，容易产生谐波污染。

为防治谐波污染，就需要在项目规划阶段配置相应的电能质量监测和治理装置。光伏电站应该在并网点装设满足IEC 61000—4—30《电磁兼容第4—30部分试验和测量技术—电能质量》标准要求的A类电能质量在线监测装置。公共连接点的谐波电压应满足GB∕T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定。

2.5 对继电保护的影响

我国的配电网大多为单电源放射状结构，多采用速断、限时速断保护形式，不具备方向性。这种保护方式在配电网中接入分布式电源后，其注入功率会使继电保护范围缩小，不能可靠地保护整体线路，甚至在其他并联分支故障时，引起安装分布式电源的继电保护误动作。

将距离保护用于分布式电源接入的配电网可以解决三段式电流保护的灵敏度下降问题。而且，距离保护的继电器本身具备方向特性，可以避免由于分布式接入，反方向电流造成的误动。

2.6 对电能计量的影响

光伏发电系统接入电网，改变了原来电网到负荷的那一刻的功率潮流分布，传统的单向电能计量方式已不再适用。因此需将原有的电能计量模式由单向改为双向计量模式。此外，一方面分布式光伏发电站并网计量点的选取与配置对并网发电和计量服务也有一定的要求；另一方面，由于分布式光伏发电系统的发电成本仍然较高，如何在计量系统中合理地反映电价差别，也需重新考虑。

3 含多种分布式电源和储能的微电网

分布式电源利用了风、光、水等可再生自然能源，且发电过程不会产生大量的有害物质，其发电成本低，对环境的污染小。同时，分布式发电规模小，安装方便灵活，一般接入配网，可以提高对用户供电的可靠性。但由于分布式电源大多通过变流器并网，单个分布式电源接入系统成本较高。同时，由于风机和光伏发电等间歇型电源的功率会受到风速和光照强度变化的影响而出现波动，其输出功率波动会给配电网带来不利影响。根据标准IEEE1547的规定，当分布式电源所接入的大电网发生故障时，分布式电源必须退出运行。这就限制了可再生能源的利用，不利于分布式能源效能的充分发挥。为了解决分布式发电接入电网时遇到的问题，并充分发挥可再生能源对于提高用户供电可靠性和多样性、作为传统电网有益补充的重要作用，微电网的概念于本世纪初被国内外学者纷纷提出。图3为典型的微电网结构图。

图3 典型的微电网结构图

微电网是指由小规模的分布式电源、能量转换装置、储能装置与负荷组成的小型电力系统。在特定的控制策略的作用下，微电网可以运行于并网与孤岛2种状态，并在这2种运行状态之间实现平滑切换。对于配电网，微电网是一个可调度的电源或负荷，能及时响应配电网的功率控制指令；对于负荷，微电网是一个可定制的电源，可以实现用户对于供电的高可靠性和多样化需求。在并网运行时，可以作为大电网的有益补充；孤岛运行时，可以保证对于重要负荷的连续供电。微电网的研究与发展，对电力系统和用户都有着重要意义。

微电网能够解决间歇型微电源的并网问题。风机、光伏等间歇型分布式电源的功率随着风速、光照等条件变化，它们的发出功率也出现较大波动，给配电网消纳带来问题。微电网通过引入储能与控制系统的作用，与间歇型微电源形成互补，可以消除间歇型微电源引起的功率波动，解决配电网对于间歇型能源的消纳问题。微电网并网运行时，也可以为其所接入的配电网提供备用。通过对微电网的合理调度，可以让微电网发挥系统备用的作用，通过调动分布式电源、储能及可调度负荷来进行辅助调峰，优化电网运行的经济性。微电网的接入，还能提高大电网的抗灾变能力。在传统的电网结构下，大电网出现灾变性事故后是很难保障对于重要负荷的持续供电的，也不能对应急电源提供可靠供电。而微电网可以在大电网出现灾变性事故时由并网转入孤岛运行，实现对于重要负荷的连续供电，提高大电网的抗灾变能力。微电网的发展也有利于为偏远山村和孤岛地区供电。对于一些大电网供电难以覆盖到的偏远山村和孤立海岛，可以利用当地自然资源和条件，建立长期孤岛运行的微电网，形成一个自治的发供电系统，解决当地用电问题。此外，微电网中的分布式电源大多都是风能、太阳能等可再生能源，对于环境的污染小，可再生能源广泛接入微电网，对于减少环境污染也有重要作用。