分布式发电并网不利影响及解决方案

     摘  要：分布式发电在带来巨大节能效果的同时，也出现了许多不良的现象，其中突出的是分布式电源并网所引起的相关问题。本文介绍了大容量风电在并网后给电网带来一系列的不利影响。针对利用风电所引起的各种问题，本文简单总结了预测手段和解决措施。

　　一、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)，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)的发展在世界处于水平；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%。

　　分布式发电具有投资少、占地小、建设周期短、节能、环保等特点，对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、有效，故分布式发电可作为我国集中供电的有益补充。作为备用电源，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；可作为本地电源节省输变电的建设成本和投资、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能源、技术发展、环保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、控制及保护等的影响深远，进一步可能引发电力市场电价、用户侧管理等方面的变革。

　　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2 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。

　　二、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、网络结构大变化

　　配电系统将发生根本性的变化：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) 彻底改变； 现在的配电网自动化和需求侧管理(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。DG一般通过10 kV馈线接入配电系统，而这别的配电系统，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。

　　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。

　　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，并网时能改善系统的静态电压稳定性，并网位置越靠近系统薄弱支路，则改善系统静态电压稳定性的程度越显着。

　　5、其他问题

　　分布式发电还有占地问题，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。

　　三、风力发电的并网问题及研究状况

　　大容量的风电在并网后，会给电网带来一系列的不利影响，包括以下几方面：

　　1、电能质量

　　①电压闪变：风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25Hz)，因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。

　　②谐波污染：风电给系统带来谐波的途径主要有两种。一种是风机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此此会产生一定的谐波，不过因为过程很短，发生的次数也小多，通常可以忽略。但是对于变速风机则不然，因为变速风机通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。

　　2、稳定性

　　针对小型孤立电网，有研究表明在诸如发电机开断、线路开断、三相短路故障以及风速扰动情况下系统容易失去稳定，电压及频率都存在大幅度波动问题，有必要对风电并网以后的系统的稳定性进行认真*估。

　　3、发电计划与调度

　　传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可顶测性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是，如果系统内含有风电场，因为风电场出力的预测水平还达不到要求，发电计划的制定变得困难起来。

　　4、容量可信度

　　发电容量的价值往往体现在负荷高峰期，由于风电场无法保证可靠的出力，一度被认为只能提供能源，不能提供有效的发电容量。

　　四、风电发电并网不利影响的解决方案

　　目前，针对利用风电所引起的各种问题，都有了一定程度上的预测或解决措施：

　　1、电能质量

　　对于电压闪变问题，曾提出过两种预测模型：一种是基于简单潮流计算的模型，该方法以等值阻抗表示风机并网点以后的网络，没有考虑风力发电机组的动态特性，仅以有功和无功功率表示，采用这种方法可以判断哪些节点的电压闪变问题严重；另一种方法是动态仿真，以3 阶感应电机模型表示风力发电组，考虑了实际电力系统的网状结构，进行了详细的数字仿真，并采用闪变算法分析仿真程序的输出结果。另外随着电力电子器件的不断改进，由电力电子器件引起的谐波问题也在逐步得到解决。

　　2、稳定性

　　如果风电采用异步发电机，则要采取必要的预防措施，如动态无功补偿，加固高压网络或者采用HVDC 连接，这样可以防止三相接地导致的电压崩溃。

　　3、发电计划与调度

　　由于燃气轮机组和柴油机组反应速度快，可以作为旋转备用机组配合风电场的运行。不过这种措施也有缺点，就是其燃料费用昂贵，明显提高了系统正常的运行成本，风电的价值也因此大打折扣。

　　4、容量可信度

　　要提高可信度，首先要知道风电场所在地的气象信息，获得风资源数据；了解风机的技术参数，根据风速计算风电场出力；根据风电场出力与负荷的相关性，计算供电可靠性等指标等。蒙特卡洛仿真技术是可靠性分析中常用的计算方法。

　　参考文献：

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　　[3] 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．