分布式发电并网不利影响及解决方案

罗安伍, 黄瑞先

(1.广西大学电气工程学院,南宁 530004;2.南宁化工集团公司,南宁 530023)

1 分布式发电及其并网

20世纪80年代末,美国、欧洲等国纷纷开始采用分布式发电(Distributed Generation,DG),全球电力工业出现由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。2004年,美国分布式发电总容量为67 GW,约占美国国内总发电量的7%,达世界平均水平;欧洲分布式电源(Distributed Generation Resources,DGRs)的发展处于世界领先水平;丹麦、荷兰、芬兰DGRs的发电总量分别占国内总发电量的 52%、38%和36%。

分布式发电具有节能、环保、投资较少、占地小、建设周期短等特点,对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、安全有效,故分布式发电可作为我国集中供电的有益补充。分布式发电可作为备用电源为高峰负荷提供电力,提高供电可靠性;可为边远地区用户、商业区和居民供电,降低电力传输损耗;可作为本地电源节省输变配电的建设成本和投资,有利于改善能源结构、促进电力能源可持续发展。分布式发电的应用与环保节能、技术发展和电力市场的放开等都有关系,其并网应用对传统的电力系统分析、控制及保护等有深远的影响,进一步发展可能引发电力市场电价、用户侧管理等方面的变革[1]。

分布式电源发出的电能无法直接供给交流负荷,须经一定的接口并网。分布式发电并网接口方式分电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口两类,前者在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均优于后者,目前主要装置是并网逆变器。逆变器的拓扑结构是关键,关系到逆变器的效率和成本。逆变器拓扑结构的设计普遍存在如下问题:模块集成带来的寄生参数问题;高频化带来的开关损耗引起的效率降低问题;传统的逆变器采用工频变压器,具有成本高、体积大、逆变效率难以提高等缺点。变压器及输出滤波器决定了逆变器的体积和重量。此外,加强对逆变器的控制、提高输出电压波形质量和输出功率等也是考虑的重点。

未来并网逆变器的研究还需朝减小体积、降低成本、全面提高转换效率、增强承受输入直流电压波动的能力、不断提高输出电能质量、确保逆变器的可靠并网运行等方面努力。

2 分布式发电并网对电网的不利影响

近年来,分布式电源快速发展,应用越来越多,在带来巨大节能效果的同时,也出现了许多不良的现象,其中最突出的是分布式电源并网所引起的相关问题。主要问题如下。

(1)网络结构发生变化

众多分布电源的接入将使配电系统发生根本性的变化:从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络,有点类似Internet。配电系统的控制和管理将变得更加复杂。分布式发电的引入会使传统的配电网络规划、运行(如无功补偿、电压控制等)、谐波治理方式彻底改变;现在的配电网自动化和需求侧管理(Demand Side Managemet,DSM)的内容也需要重新加以考虑;分布式电源之间的控制和调度必须加以协调,与分布式发电有关的法律、法规和行业规范也需要妥善制定。

(2)配电网继电保护装置整定问题

分布式电源的引入,配电网潮流的不确定性增加,会造成配电网电压控制困难,引起电压闪变,导致继电保护误动作,同时也会产生短路电流,对电力系统继电保护的设置和动作值的整定增加了一定难度,需要解决好可靠性问题,特别是继电保护的配合问题。分布式电源一般通过10 kV馈线接入配电系统,而这一级别的配电系统,一般采用3段式电流保护(瞬时电流速断保护、定时限电流速断保护、过电流保护)。DG是DGRs的接入可能导致保护装置的灵敏度降低,甚至拒动,还可能导致保护装置误动作,以及相邻线路的瞬时速断保护装置误动作,失去选择性。

随着大量的DG装置参与电网供电,在新的电力市场环境下,电价将决定各个发电厂的投切。当电网电价高时,用户侧分布式电源将投入发电;当电网电价较低时,DG装置的用户将从电网购入电能。因此,在DG频繁投切和线路潮流方向频繁改变的情况下,如何对配电网继电保护装置进行整定和协调,是一个非常重要的研究课题[2]。

(3)引入大量谐波,电能质量下降

分布式电源并网时,由于大量电力电子器件应用于分布式电源,所以不可避免地给系统带来大量谐波,谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器工作模式的影响。同时对电压的稳定性和电压的波形都产生不同程度的影响。为了尽可能取得最大效益,在安全稳定的前提下尽可能多地接入DG,一台DG通常是一种变换器-逆变器单元,可看做一种向配电馈线注入谐波的非线性负荷,如果DG贡献的谐波电流足够大,公共电网的电压或电流畸变超过规定的标准,电网公司会限制其准入功率[3-4],DG的应有效益就不能发挥,通过发展输配电技术来解决大量DG的接入问题将是一个重要的研究方向。

(4)影响配电网静态稳定性

分布式电源并网时,会对配电网的静态稳定性产生一定的影响,其影响程度的大小依赖于不同类型的分布式电源。对于采用异步发电机接口的DG,并网时对系统静态电压稳定性具有负面影响,并网位置离系统最薄弱支路越远,负面影响就越小;对于采用无励磁调节的同步发电机接口的DG和采用具有功率控制单元的变换器作为接口的DG,并网时则能改善系统的静态电压稳定性,并网位置越靠近系统最薄弱支路,则改善系统静态电压稳定性的程度越显著。

(5)其他问题

分布式发电还有一些问题如占地问题、效率问题和表计问题。占地问题,如果分布式发电都建设在城市里面,那么城市就很拥挤。表计问题,因为能源是双向流动,如果屋顶装了太阳能,那么白天家里没有人不用电,电能就往配电网注入。因此这个情况电表要全部记录下来。现在国外已采用表计双向测量。如果我们也采用这种方法,那么大量表计要全部换掉。效率问题,分布式发电的效率可以达到80%多,但是有时候只能达到60%多。还有环保问题和防火安全问题。

3 分布式发电并网不利影响的解决方案

分布式发电的拉入给电力系统的规划、负荷预测带来了很多不确定性问题,对电能质量、运行可靠性带来很大的挑战。分布式发电首先要解决的是并网接口问题。当前的并网接口是以电力电子方式为主的逆变器系统。它首先把波动的电能进行储存(大多数为电容)、整流,然后以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)逆变方式接入系统。电力电子方式的频繁接入给系统带来了严重的谐波污染,同时高频PWM方式工作的整流逆变系统不能适应大功率场合使用,也易造成高频谐波污染问题和可靠性问题[5-8]。为解决这个问题,可在系统和逆变器之间加入具有相间电磁耦合的变压器或电抗器。以三相电抗器为例,如图1和图2所示。

显然由图1可得等效电路的电压方程如下:

图1 三相互耦合电抗器

图2 三相互耦合等效原理图

一般来说,静止型的电磁感应装置各绕组间的自感和互感是恒定的常数。计算绕组的自感和相间的互感,则可以得出绕组的磁链方程如下:

将式(2)代入式(1),由于绕组自感和互感为常数,则得

由式(3)和图1,图2,可得系统侧电压分为逆变输出电压、自感电势、相间电磁耦合电势3部分,即

式中,L为一相自感,M为相间互感,eaa,eab,eac分别代表A相自感电势、B相对A的互感电势、C相对A的互感电势,其他相符号依次类推。由此可见,系统侧电压不仅仅与逆变输出电压和电路的自感相关,还与相间互感存在关联。由于互感的作用,使PWM波得到更好的缓冲,从而以极限电磁速度在相间进行畸变功率的传递,抑制高频谐波的污染。

这是解决分布式发电接入时产生谐波污染的一种新思路,可以把它进一步推广到变压器型式。它充分利用主电路元件良好的电气特性,对谐波抑制具有快速的动态电磁响应特性。

[1]王兆安,杨 君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]Wakileh G J.电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计[M].徐 政,译.北京:机械工业出版社,2003:37-40.

[3]罗 安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社,2006.

[4]吴竞昌,孙树勤,宋文南,等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社,1988.

[5]范瑞祥,罗 安,李欣然.并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及其应用研究[J].中国电机工程学报,2006,26(2):106-11.

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[8]章杜锡,徐祥海,杨 莉,等.分布式电源对配电网过电压的影响[J].电力系统自动化,2007,31(12):50-54.