分布式发电对电网的影响及对策

顾定军

（舟山电力局，浙江 周山 316000）

1 引言

分布式发电（distributed generation—简称DG）是指在用户侧或靠近用户侧配置的小型发电装置，包括小型燃气轮机、内燃机、风力发电、太阳能发电、水力发电、燃料电池等。当前，以环保性、经济性为特色的DG技术正在发达国家蓬勃发展，大电网与DG结合被认为是保护环境、降低损耗、提高供电可靠性和灵活性的电力供应方式，是21世纪电力工业的发展方向[1]。DG技术的广泛应用对电网造成了严重影响，如何应对DG 的接入是国家电网公司在智能电网建设进程中必须要面临的新课题。

由于DG的容量较小，一般就近接入配电网。DG接入系统后将改变配电网的潮流分布、短路电流的流向、大小，从而深刻影响配电网电压调节控制、继电保护配置及正确动作、网络损耗、电能质量及供电可靠性。本文分析了DG的接入对电网造成的各种影响，并提出了消除负面影响的措施。

2 DG对配电网电压调节的影响及对策

2.1 DG对配电网电压调节的影响

传统的配电网是一个放射状结构的无源网络，潮流是单向流动的，为了使配网在不同的负荷下维持相对稳定的电压水平，其电压调整主要依靠上级变电站内变压器有载调压分接开关的切换及无功补偿电容器的投退来实现，VQC装置根据主变负载情况，电压水平等因数来自动调节分接开关位置，一般采用逆调压方式即当主变负荷增大时，调高主变二次侧电压。DG接入后，其注入的有功功率和无功功率改变了无源配网的本质，扰乱了原来的潮流流向，很难用传统的控制策略执行电压调整，其影响超过调压能力时将导致配网部分节点的电压水平超标，DG接入电网后对电压的影响主要通过改变电网阻抗上有功及无功潮流来实现（图1）。

图1 DG接入配网对电压调整的影响示意图

在出线L1末端接有DG，发电机出力增大时，主变的负荷将减小，VQC将其抽头往二次电压低的方向调整，同时母线与并网点间的压降减少，当出力达到出线L1的负荷时，压降为0，而当出力继续增大，并向出线L2上的部分负荷供电时，并网点的电压将高于母线电压，DG周围用户的电压水平可能超上限；而当DG停运时，电压将突然下降，VQC响应速度根本跟不上潮流变化的速度，主变供电范围将出现大范围的电压超低限值，直至VQC动作为止。而对于并入低压电网的 DG，因配网的配变没有有载调压功能，系统根本无法应对这种因潮流突变而导致的电压变化，类似问题将更加突出。文献2通过计算机仿真计算发现，分布于配网的分布式电源对馈线的电压分布改善作用明显，如果位置选择不当，分布式发电的电压支撑会使某些节点的电压超标，如果退出运行，某些节点会遭受低电压的严重电能质量问题。

2.2 对策

（1）研究新的VQC及AVC控制策略，使其参与DG的运行控制，以调整DG本身的出口电压。

（2）在DG接入点安装快速响应的动态无功补偿设备如SVC或SVG。

（3）在正常情况下应多发有功，少发无功，保持高功率因数运行[2]。

（4）根据电网状况选择最佳的DG接入位置。

3 对短路容量的影响及对策

3.1 对短路容量的影响

DG作为一个电源，当系统故障时，会向故障点注入短路电流，大量DG的并网运行将增加电网的短路容量，可能会对电气设备的动热稳定产生不利影响，对于短路容量接近额定遮断容量的断路器而言，其影响甚至是危险的。

3.2 对策

（1）改变配网的运行方式，或在适当地点装设限流电抗器。

（2）在选址阶段，根据电网状况选择合适的DG接入位置。

4 对继电保护的影响及对策

4.1 对继电保护的影响

（1）背景分析

DG并网后将影响电网的结构及短路电流的大小，流向，短路电流的改变使继电保护的灵敏性，选择性降低，给整定计算带来困难，如果现有的保护和自动装置的配置及定值不能适应这种变化，可能造成继电保护装置的不正确动作，造成事故扩大或设备损坏。

10kV配网由上级变电站供电，保护装设在变电站馈线开关处，一般配置不带方向的三段式电流保护，对于非全电缆线路配置三相一次重合闸。DG的接入使配网从传统的单电源网络变成多电源网络，如图2。

图2 DG接入配网对继电保护的影响示意图

（2）使保护误动作

如在馈线的BC段接入DG1，此时馈线被分成两段，其中母线A与DG1接入点之间为双侧电源供电，DG1以下部分为单电源供电。当AB段任一点K1发生短路故障时，保护R2将感受到由DG1流向K1点的反向短路电流，由于R2没有功率方向元件，若DG1容量足够大的话，该故障电流可能超过电流整定值，导致BC段馈线保护误动作，对于R1而言，故障电流仅由系统提供，和未接DG1时一样。当相邻馈线AD上的K3点故障，保护R3感受到的故障电流由系统电源和 DG1共同提供，其值大于未接DG1时的值，保护R3的灵敏度提高了，而保护R1、R2将感受到由DG1提供的反向故障电流，当DG1容量足够大时，该电流可能超过整定值，使保护R1或R2误动作。

（3）使保护灵敏度降低甚至拒动，部分保护灵敏度增加

如图2所示，如果未接入DG1，而在馈线的AB段接入DG2，此时若在靠近线路末端C的K2点发生短路故障，流向K2的短路电流由系统电源和DG2共同提供，大于DG2接入前的单纯由系统提供的短路电流，使保护R2的灵敏度增加了，而保护R1仅感受到从系统侧流过来的短路电流，且该短路电流比未接入DG2时的短路电流小[3]，保护R1的灵敏度降低，严重时拒动。未接入DG时，K2点发生短路故障，保护R2的速动段应该不会动作（R2的速断定值应按躲过线路BC末端即C点最大三相短路电流整定），接入DG2后，K2点发生短路故障，流过保护R2的故障电流随着DG2容量的增大而增大，当DG2的容量足够大时，R2测量到的故障电流可能超过其速断定值，而使保护 R2的速动段动作，使原来配置的继电保护误动作，也可以说失去了选择性。

（4）多台DG同时接入配网不同位置对继电保护的影响将变得更加复杂

以上分析只涉及一台DG接入时的情况，事实上，会有多台DG同时接入配网不同位置的情况出现，其对继电保护的影响将变得更加复杂。对于规划孤岛内，由于电网结构的改变（当孤岛和大网解列时），保护定值需重新整定，理论上讲，需另外生成一套适应孤岛运行的保护定值，但不同类型的DG对故障点提供的短路电流不同，难以精确计算短路电流，且实际运行过程中，对于大量未实时受控的配网的保护设备，做到定值随运行方式改变而及时切换是不现实的。

4.2 对策

（1）为应对DG的接入，电网必须对现有的继电保护装置进行重新配置或改造，如所有可能出现双向供电的线路配置带方向的电流保护，重新进行定值计算，并验算灵敏度。

（2）对于规划孤岛内的保护，因情况过于复杂，只能维持原定值，牺牲保护的“四性”。

（3）研究适合于DG接入的新型保护设备，如文献[6]提出了一种基于多智能体的新型分布式电流保护策略，该策略以工频电流变化量幅值和相位比较为基础，利用智能体的分布式处理优势，实现对故障的在线搜索和定位，适合DG大量接入且具备一定的自适应能力。

5 对自动装置的影响及对策

5.1 对自动装置的影响

（1）对自动重合闸的影响

配网接入DG后，如果线路因故障跳闸，由DG带部分负荷孤岛运行，对重合闸有两方面影响。

1）失去系统电源后，DG可能继续对故障点供电，使故障点电弧重燃，导致绝缘击穿，使瞬时故障转化为永久性故障，如果重合闸动作，就会重合于故障上，线路再次跳闸，不仅使重合闸动作失败，且使系统再次经历短路过程。

2）使重合闸不能起动或导致非同期重合闸，对于检无压重合闸，将检测到线路一直处于有压状态，使重合闸不能起动；如果是不检无压的重合闸，将导致系统电源与DG的非同期并列，冲击电流可能导致保护误动、扩大事故或损坏DG。

（2）对备用电源自动投入装置的影响

如果在主供电源供电中断时，DG会继续给失去系统电源的母线供电，由于母线电压的存在，满足不了“无压无流”这一备自投动作的基本条件，导致备自投装置拒动，影响供电可靠性。如果备自投的无压检定电压定值整定过大，由于DG孤岛运行时，有功及无功缺口过大，使母线电压低至无压检定电压定值以下，可能导致备自投动作，造成系统电源与DG的非同期并列，这是不允许的。

5.2 对策

DG接入后，必须在DG侧配置低周低压解列装置，确保在自动重合闸、备自投动作前，切除DG，系统侧重合闸检线路无压，DG侧重合闸检同期，无压检定电压定值宜整定得小一点。

6 对供电可靠性的影响及对策

6.1 对供电可靠性的影响

（1）正面效应

在电网供电能力不足的情况下，DG向外输送电力，满足了本来须限电用户的用电需求，对提高供电可靠性起到了重要作用。

（2）负面效应

在电网供电能力充足的时候不允许孤岛运行的DG对提高供电可靠性基本不具正面影响效应，因DG本身故障也可能影响电力系统稳定运行。

（3）有规划的孤岛能进一步提高电网的供电可靠性

DG对供电可靠性的影响与 DG孤岛运行紧密相关，孤岛运行是指当连接主电网和DG的任一开关跳闸，与主网解列后，DG继续给部分负荷独立供电，形成孤岛运行状态，孤岛也被称作微网。

基于以下原因，意外的孤岛运行是不允许的。

1）孤岛中的电压和频率及系统稳定性得不到有效控制，电能质量得不到保障。

2）因系统故障导致的孤岛运行，在故障点未被隔离前，会有前述第4点不良影响，影响系统的恢复。

3）电网事故处理人员会误以为线路已全部停电，从而危害电力事故处理人员的人身安全。

4）对中性点接地的配网，孤岛与系统解列后，可能会失去接地的中性点，成为非有效接地系统，此时的孤岛运行可能引起过电压，危害设备及人身安全。

所以DG都被要求装设反孤岛保护，一旦检测到孤岛形成，立即切除DG。

但是，有规划的允许DG孤岛运行，将大大提高电网的供电可靠性（图3）。

图3 有规划的DG孤岛运行示意图

取消DG反孤岛保护，在预设的解列点装设故障解列装置，该装置是基于对电网频率电压等运行参数的判断来实现解列的。当解列点系统侧可能导致孤岛形成的设备（如K1或K2点）故障时，并不解列DG，而是在第一时间跳开解列点开关QF（解列点配置同期装置，功率方向元件，并退出重合闸），解列点系统侧的故障点与DG之间将被有效隔离，DG对系统的恢复已不具负面影响。根据故障后的负荷与DG出力情况，判断是否需要切除部分不重要的负荷，或部分 DG，或安装储能设备，以使孤岛保持稳定运行。在系统故障消除，电网恢复正常后，通过 QF的同期装置实现孤岛与大网的并列运行，整个过程中实现了对孤岛内的全部或部分用户的不间断供电，提高了供电可靠性。当故障点在解列点的孤岛侧时（如 K4），对于解列点而言，短路功率反向，不满足解列条件，所以解列点开关不跳闸，由规划的孤岛内的保护来切除故障。因孤岛内DG的抗短路扰动能力较系统差得多，且孤岛内原来整定的继电保护定值由于电网结构的改变将失效（在孤岛内再发生故障时也存在该问题），如果此时先将孤岛解列，可能导致孤岛全黑的严重后果。

此运行模式已经在舟山电网某高危客户的供电系统中得到应用，并成功经历了电网的全停事故，保证了重要负荷的不间断供电。但还是存在风险，当解列点系统侧不会导致孤岛形成的设备发生短路故障（如K3点）时（应由L3的保护切除故障，而不应解列孤岛），解列装置可能误动作，将规划孤岛解列，影响孤岛内全部或部分用户的供电。单个用户孤岛运行与部分公用电力系统孤岛运行在技术上是类似的，如果规划恰当，自动装置配置合理，实现DG的孤岛运行是可能的，其对供电可靠性的提高具有重要积极的影响。2008年的冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了现有网架结构在保证用户连续供电方面的弱点，在大网崩溃的条件下，DG的孤岛运行可以保证部分用户的供电。孤岛的规划及运行稳定控制、保护及自动装置配置、孤岛与大网的相互作用机理等课题是一个全新的研究领域。

6.2 对策

（1）加强对DG的管理，避免DG影响系统事故的发生。

（2）通过有规划的DG孤岛运行模式提高电网的供电可靠性。

7 对电能质量的影响及对策

7.1 对电能质量的影响

（1）太阳能、光伏发电、燃料电池等通过逆变器并网的DG会向电网注入谐波电流，导致电压波形畸变。

（2）DG如风力发电机的投入和切除引起系统电压闪变或电压跌落。

（3）孤岛解列时，孤岛内的电能质量很难保证。

7.2 对策

通过安装滤波器解决谐波超标问题，通过配置响应速度快的动态无功补偿装置解决电压闪变问题。

8 对网损的影响及对策

8.1 对网损的影响

DG接入改变了原有的电网结构和潮流，会对电网的损耗产生影响。文献[4]指出DG接入并不能保证使网损降低，其对网损的影响与电网结构、电压等级、以及DG的渗透率（DG装机容量与用电负荷之比值）有关。

8.2 对策

在规划阶段，以网损、电能质量为目标函数，确定DG的最佳接入点，及DG的功率。

9 对电网运行管理的影响及对策

9.1 对电网运行管理的影响

DG接入增加了配网调度与运行管理的难度，风电、太阳能发电等输出功率具有不确定性，因通信等原因大量DG不能纳入SCADA系统，调度无法实时监控DG的运行，给合理安排运行方式及配网安全稳定运行带来困难，配网作业的安全风险加大。

9.2 对策

采用各种通信方式将DG纳入SCADA系统，加强对DG的运行管理。

10 对电网规划的影响及对策

10.1 对电网规划的影响

（1）用户安装DG的随意性将影响负荷预测的准确性，从而进一步影响电网规划的合理性。

（2）DG接入位置的不确定性，将对包括变压器容量、分接开关调压范围、线路输送容量、无功补偿设备、继电保护及自动装置的配置等内容的电网合理规划带来困难。

（3）电网规划需与DG布点及容量规划协调。DG最佳布点能有效降低系统网损，提高电能质量，但不合适的布点，及未受控制的DG出力都可能增加系统损耗使电能质量不合格，如文献[5]研究了配电系统中DG的位置和容量规划问题，建立了考虑经济性和安全性的DG规划多目标模糊优化模型。

10.2 对策

将DG规划与电网规划有机结合，确定DG最佳布点，实现DG与电网和谐发展的双赢目标。

11 结论

分布式发电在中国刚刚起步，随着国家“节能减排，建设节约型社会”等政策的实施，肯定会得到广泛应用。DG在带来巨大的经济及社会效益的同时，也将给电网的安全稳定经济运行带来前所未有的重大挑战，电网经营企业须未雨绸缪，适时开展相关基础性研究工作，加大DG接入电网课题的研究投入，制定DG入网标准，研究通过DG接入提高供电可靠性的方法，提出消除 DG接入负面影响的措施，必要时向政府要求政策方面的支持，积极应对挑战。

[1]梁才浩.段献忠分布式发电及其对电力系统的影响[J].电力系统自动化,2001,25(12)∶53-56.

[2]王志群,朱守真,周双喜等.分布式发电对配电网电压分布的影响[J].电力系统自动化,2004,28(16)∶56-60

[3]Girgis A ,Brahma S Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system[a]Proceedings of 2001 IEEE PES Summer Meeting 2001.

[4]Andy BEDDOES, Charles LYNCH, Mike ATTREE,Mark MARSHALL(Impacts of distributed generation on loss of electric power system)第19届国际供电会议论文集(collections of dissertations of 19th internation conferrnce on electricity distribution) 210-212.

[5]陈海焱,陈金富,杨雄平.配电网中计及短路电流约束的分布式发电规划[J].电力系统自动化,2006,30(21)∶16-20.

[6]林霞,陆于平,王联合,刘玉欢.含分布式电源的配电网智能电流保护策略[J].电网技术,2009,33(6)∶82-88.