低电压分布式电源并网对电网的影响探讨

国网甘肃省电力公司电力科学研究院 周治伊 周 昭 国网甘肃省电力公司调度中心 郝如海

随着社会的高速发展，各行各业对能源的需求不减反增。传统的化石能源如石油、煤炭等储存量有限，开采难度大，且以化石燃料为能源的发电方式会给环境带来污染，能源的急剧消耗导致能源紧缺。近年来，为响应国家可持续发展理念号召，大力提倡发展新能源发电，分布式光伏发电技术逐步走向成熟并在一定领域取得显著成果。小容量分布式电源通过配网并入电网，这些电源规模日益扩大，绝大部分电源的数据未接入电网调度部门，调度部门无法对其进行实时监控、调度管理，然而大规模的分布式电源并入电网会对电网的电能质量以及电网保护等造成影响，从而影响电网的稳定运行。

1 分布式电源的发展趋势

分布式电源是一些满足周围小负荷用电需求的小容量电源，通常接入35kV及以下电压等级电网。一般容量在几千瓦到50MW之间，具有装机容量小、环境影响小、灵活性好的特点，其发电方法就是利用当地自然资源就地发电，供区域范围内居民的生活用电。文献[1]中指出分布式电源的先进技术主要体现在对以风力发电、光伏发电、燃料电池发电以及潮汐能发电为主的自然资源的利用，且大部分资源都以分散形式分布在居民生活区域内。有些地区位置偏远、人口稀少，使得输送电难度加大，相应的成本也增加。分布式电源为部分尚未覆盖电网的地区用户提供了电能服务，起到了至关重要的作用。近年来分布式发电技术的高速发展有效缓解了能源紧张程度，促进了环保事业发展，方便了偏远地区的用电，减少输配电线路运维成本，缓解电网的供电压力等，是未来发展的必然趋势。

我国人均可利用资源匮乏，合理利用自然资源、提高资源利用率是实现可持续发展战略的重要一步。而我国建筑屋顶资源丰富、分布广泛，充分发挥该优势开发建设屋顶式分布式光伏。《国管局：158.6万家机关将率先推进光伏项目降能耗》指出，国管局要求政府机关办公楼建设屋顶式分布式光伏，推动节约型机关的建成，预计2025年前80%县级及以上机关建设达到要求。在国家政策的影响下开展可再生能源替代行动，分布式光伏在未来的发展潜力巨大。随着可持续能源的发展，分布式发电技术逐步成为电力行业的新兴技术，对未来新能源的发展具有重要意义。而分布式光伏发电技术作为分布式电源最为重要的发电技术之一，利用丰富的太阳能资源发电，因此光伏发电技术在我国电力行业发展中具有广泛无可估量的市场应用前景[2]。随着分布式光伏发电系统并入低电压配电网的规模在不断增大，在电网中占比也越来越高，并入电网后对电网影响的问题也逐步地显露出来，电网的电压分布、电能质量及运行稳定性也随之受到影响，因此分布式电源并网对电网的影响研究就显得十分重要。

2 分布式电源对电网的影响

对电网电压的影响。分布式电源大规模的并网对原有配电网电压影响主要体现在电压的波动。电网的潮流分布决定了电网各个节点电压大小，所以电网中电源的输出功率发生变化时，电网中各个节点电压大小也必然发生变化。而分布式电源依赖的自然资源有很多不确定性。如每天的光照强度不一致必然影响分布式光伏发电，导致其输出功率波动不定，据有关数据显示，高峰时期波动频率达到10次/小时。风力发电系统则受气候条件风速的波动和方向影响。风速和方向的不确定变化是直接导致其输出功率不稳定的主因。因此在含有分布式电源的低压配电网系统中，系统输出随机性变化是导致电压波动因素之一。另一方面，分布式发电机组的投运和退出也极易引起电压波动。配电网系统的短路容量越小、电网电压的波动受分布式发电系统影响就越大[3]。往往分布式电源并入的低压配电网其短路容量较小，因此电网电压受到的影响就较大。

对电网频率的影响。频率是电力系统中重要运行参数，频率小范围的变化，可能会影响用电电器的正常使用，频率大范围的变化则会危害发动机的安全运行，使得电网瓦解。电源输出与用电负荷间的有功是否平衡决定了系统频率是否稳定。而分布式电源的输出功率随机波动导致接入低压配电网系统内有功不平衡，从而引起整个电力系统的频率变化。在分布式光伏发电系统中，光照强度变化使得有功出力达到峰值，如系统其它机组不相应的减少有功出力、系统有功平衡遭到破坏，可能就会引起系统频率变化。同样的，分布式电源接入电网的容量较小时对电网频率的影响也较小。但如今分布式电源发展迅速，规模在日益扩大，并入低电压配电网后极易引起系统频率的变化。

对电网谐波的影响。近年来大规模分布式电源并入给电网带来不少影响，随着电力装置的使用，大量非线性和不对称元件增加，谐波的产生也随之增加。在光伏发电系统中，作为其核心逆变器就是一个谐波源[4]。太阳能通过光伏发电装置转化为直流电，直流电通过逆变器变为交流电后接入电网，其中逆变器就会产生谐波。谐波不仅会对电力装置带来附加损耗，还会引起设备局部过热、噪声和谐波过电压等，为电力装置的安全运行带来了隐患。谐波还会干扰通信，在一定程度上影响通信设备和人员的安全。另外对继电保护装置也有一定干扰，引起装置误动和拒动。

对电网保护的影响。我国大部分低电压配电网采用的是单电源放射性网络，因此电网的电流和功率的方向都是单一的[5]。一般情况下低压配网的保护采用的是三段式电流保护，保护装置不会设置其它方向元件。并网后配网一旦发生故障，不仅原有配网系统会对故障点提供短路电流，分布式电源也会对故障点提供短路电流，前者提供的短路电流继电保护装置是可以感知的，由于目前分布式电站的数据尚未接入调度部门，后者提供的短路电流继电保护装置无法感知，无疑是加大了电网继电保护的难度。另一方面，随着分布式电源并入低压配网，改变了配网结构、使其结构更为复杂，潮流方向的改变可能会引起保护装置的误动和拒动，从而使得电网故障进一步扩大。

3 电网的优化措施

分布式电源的发展缓解了能源紧张，为部分地区用户提供了电能服务，但还是伴随了一些问题。从以上对电网影响的研究可看出，自然资源的波动性较大，导致分布式电源输出功率的变化不定，从而对并网后的电网有一定的影响。随着分布式电源的大规模并网，引起系统电压波动、频率变化，导致供电质量下降，居民的生活水平也随之下降。因此对发电并网系统优化，减小对并网的影响是很有必要的。

对于自然条件的波动和不可控性是无法入手，只能对发电并网系统考虑。如在建设光伏发电电站时应充分考虑附近环境以及用户情况，规划最合适的建设位置及电站的容量。并入电网容量越小对电网的影响也越小。对于并网后电网出现电压波动的情况，可通过改变有载调压变压器分接头来进行调压，因此大部分低电压配电网装有有载调压器。另外采用无功控制方法，通过无功设备和逆变器的相互合作起到一定的改善作用。

电网谐波的优化措施通常从两方面展开：一是改善谐波源，使其尽可能少发出谐波。前面提及到光伏发电系统中逆变器就是一个谐波源，对逆变器采用新的技术，采用优质的逆变器从理论上可减少谐波的产生，在一定程度上优化了谐波治理；二是通过补偿方式减小谐波。目前可采用SVG有源滤波装置，装置自身不会产生谐波，通过检测补偿对象中谐波分量，产生与该谐波分量大小相等、方向相反的补偿谐波，进而达到抵消谐波目的。

对电网保护的优化措施从两方面考虑：一是当配电网发生故障时，电站发电机组作出快速反应退出工作，从而使原有配电网继电保护系统装置不受其影响。本方法不足之处在于电站发电机组退出会引起电网电压的波动；二是可考虑引入差动技术和方向元件方式等来对电网的保护[6]。有助于扩大故障隔离范围、形成故障隔离，提高电网保护的效率。综上，随着可持续发展战略的提出，我国大力提倡使用清洁能源，清洁能源绿色环保可再生，在未来各个领域都有巨大的发展空间。其中分布式发电技术在新能源行业逐步地完善并走向成熟，有效地缓解了能源紧张，为环保事业减轻了负担，在电力行业也取得了显著成果。但大规模的分布式电源并入低压电网后对电网的可靠运行有一定影响，为保证电网的正常运行分布式发电并网系统还有待优化改进。