分布式电源接入崇明电网的分析与建议

周捷锦，王 辉，杨东升，龚雷杰

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.上海市崇明电力公司，上海 202150）

0 引言

2011年3月11日，日本发生大地震和海啸引发的福岛核危机，触动了全世界人民的心弦。这次事件进一步激发了反对“核能发电”的呼声，在强大的舆论和政治压力下，各国很快做出了响应。德国决定暂缓延长现有核电站的使用期限、重新审查全国的17个核反应堆、将17座核反应堆中的7座停止运行3个月［1］；意大利将重启核能发电的计划再次冻结；美国作为全球拥有最多核电站的国家，也在深思核能的去留问题；中国和俄罗斯等更多的国家则相继发出了“谨慎发展核能”的信号，在加强核能发电安全性的同时，正在探寻安全、环保、无污染的核能发电替代品。

出于对核电安全隐患的担忧，以及受福岛第一核电站事故影响，对清洁型可再生能源的需求有了进一步提升，风能、太阳能和沼气能等可再生能源备受瞩目。然而，风能和太阳能等分布式可再生电源，因发电容量小、地理位置分布不均、容易受气候等条件的限制，造成发电量不稳定且难于调节，同时对于待并电网的结构、备用容量，以及维持稳定运行的相关调控及保护装置的要求相当高，诸多问题还一时无法解决。如2011年2月24日，甘肃酒泉风电基地发生了一起因低电压穿越引发的风电场大面积停电事故［2］，事故的起因是桥西第一风电场的一根35kV电缆的电缆头三相短路，引起低电压，导致近600台风电机组脱网，损失电量达84万kW。

如今，各类分布式节能环保型电源呈快速发展态势，并网容量不断加大，而且日趋多元化，如何在充分利用这些能源的同时，了解和规避分布式电源带给我们的一些不良影响，成了当下要义。

1 崇明电网的特点及新能源的接入

1.1 崇明电网的结构及负荷特点

崇明岛三面临江、一面临海，东西长约80km，南北宽约13～18km，全岛面积为1 267km2，人口约68万，以农业生产为主。

目前，崇明电网由1个自备发电厂（崇明发电厂）、2座220kV变电站、6座110kV变电站以及若干35kV变电站构成，供电范围为整个崇明岛。除崇明发电厂1台5万kW机组以外，所需用电经2条220kV电缆线路从上海电网送入，经2条220kV架空线路从江苏海门电网送入，经1条110kV线路从江苏南通电网送入（正常运行时为备用方式，或供新海地区部分终端负荷）。由于崇明以农业生产为主，故用电量需求不大，负荷增长缓慢，如图1和图2所示。

图1 崇明电网2003—2010年售电量

图2 崇明电网2003—2010年最高负荷

由图1和图2可知，2010年崇明电网最高负荷为326MW，较2009年上升11.3%；最高售电量为13.34亿kWh，较2009年上升16%。

1.2 分布式电源的装机容量及并网方式

分布式电源是分布式发电和分布式能源的统称，是一种分散的、非集中式的发电方式。分布式供能系统（DES）是一种新兴的能源生产方式，是对大电厂、大电网供电方式的一种补充，与传统的能源生产和传输系统相比，节能减排的优点更加明显［3］。但是，风能和太阳能等可再生能源站，由于发电容量小，在地理位置上分布不均匀，并且容易受气候等条件的限制，使得发电量不稳定，发电机调节能力较弱，为此，要求并入的电网网架要坚强和备用充足，以便支撑其稳定运行。

分布式电源具有接近终端用户、单个容量小、以孤立方式或配电网方式运行在380V，10kV或低于66kV的配电电压等级上，采用天然气、沼气、太阳能、生物质能、小风电或小水电等洁净或可再生能源。

目前，崇明电网内的分布式能源，以风力发电和太阳能发电为主，主要集中在崇明岛的东部及中北部地区，其中包括前哨风电场、前卫光电场、即将投运的前卫风电场和北沿风电场，以及规划中的竖河生物质能发电站等。入网方式主要以10kV、35kV并网为主，发电容量及并网方式如表1所示。

表1 崇明电网新能源装机容量及并网方式

1.3 分布式电源的容量与负荷配比

目前，上海市政府将崇明岛的功能定位为宜居生态岛，崇明的农用负荷将低于工业负荷，电网的负荷增长率不会太高，而在发电方面将催生更多的如风力发电、太阳能发电、生物质能发电等清洁型电源，将有更多的分布式电源并入崇明电网。

从2011年1月份至9月份崇明电网的风电容量分别占全岛最高负荷和最低负荷百分比统计来看，风力发电容量在总容量上已占相当比例，若达到预期装机容量127.5MW，则相当于崇明负荷（按300MW计）的42.5%，如图3和图4所示。

图3 崇明电网2011年1—9月份风电容量占全岛最低负荷比例

图4 崇明电网2011年1—9月份风电容量占全岛最高负荷比例

2 分布式电源接入崇明电网的分析

分布式电源的小巧、随机和清洁等特性，使其在经济、社会效益、供电质量等方面对崇明电网来说有利也有弊。崇明电网自备发电容量小，大量电力需由外网供入，现有的风力发电、太阳能发电，包括规划中的秸秆发电项目，发电容量比较小，在地理位置上的分布不均匀，并且容易受气候等条件的限制，故发电量不太稳定。因此，要对分布式电源给崇明电网带来的诸多影响加以分析和引起关注。

2.1 分布式电源带来的效益

清洁无污染、节能、环保，所有这些分布式新能源的特点，响应着全球对于“低碳”的呼唤，带来了良好的社会效益。当然，分布式电源应用较多的是太阳能、风能、生物质能发电，更多的是一次性投资。由于投资小、见效快，同时可减少、延缓对大型常规发电厂与输配电系统的投资，降低投资风险，从而具有良好的经济效益。

在供电指标方面的良好作用同样凸显，如减少传输损耗，就近向用户设备供电，避免输电网长距离送电的电能传输损耗；缓解受电口子上大电量输送的压力；电网大面积停电时，可以维持就近部分或重要用户的应急供电，避免大面积停电带来的社会不安定和造成社会经济的严重损失；分布式电源接入辐射型供电线路末端的负荷节点上，该负荷节点所需电量一部分来自接入的分布式电源，另一部分来自线路，则线路通过的有功和无功，较之未接入分布式电源时要相应减少，增加了线路的负载能力。

2.2 分布式电源带来的问题

1）难于预测和控制 分布式电源的分散、随机变动等特性，意味着其输出是随机变动的，而且这种变动受天气等自然因素的影响较大，很难进行有效的调节，倘若按预期装机容量为127.5 MW计算，相当于崇明电网负荷42.5%的风电装置容量，在没有其他有效维稳措施的前提下，系统只能留出足够的备用容量以防万一。

投切的随机性以及出力的不稳定性，给电力系统的安全和稳定带来了一定的困难，不能合理安排最佳电网运行方式，给优化网络运行结构带来困难，使得负荷预测、负荷平衡、电压调整等工作遇到难题，同时也给规划、调度和运行带来较大的不确定性［4］。

2）电能质量 在电压稳定方面，一定容量的分布式电源接入后，负荷潮流不再是单方向流动，而是双向均可流动。分布式电源接入配电线路后，电压的分布将发生变化，负荷潮流变化较大，使得馈线上的电压幅值发生变化，造成电压调整和维持困难，甚至可能发生电压超标。

在供电可靠性方面，大部分分布式电源并非完全脱离大系统，其电源的启动需要系统交流电的供给，若大系统停电，则无法保证启动，供电可靠性也就无法保证。电压的不稳定，如区外故障带来的电压穿越，很有可能会引起类似“2·24”风电事故，事故扩大也将酿成大面积停电。此外，如果安装地点、容量和连接方式选择不恰当，则可能不利于电网的可靠性。

3）保护配置 将小容量风力发电设备接入电网，系统侧保护配置时基本上不考虑风电机提供短路电流的问题，但是如果没有方向保护，则过电流保护定值不好设置，系统侧提供的短路电流可能小于小电源提供的正常电流。因此，必要时过流保护还得配置方向保护。

如前哨风电场通过2条35kV的线路并入前哨变电站35kV母线，如图5所示。

图5 风电接入35kV配电系统

前哨变电站35kV母线处的系统短路容量很小，假设35kV母线发生线末故障，参见图5所示故障处，则流经保护处的故障电流很小，考虑一定灵敏度后所得的定值很小［5］，可能低于正常运行时前哨风电站所提供的负荷电流，此时如果该保护无方向元件加以限制，很可能导致正常情况下的误动作。如果在前哨变电站35kV母线侧加装方向保护，那么电流从前哨变电站流入风电站时方向保护才开放，反之则闭锁方向保护。

4）自动设备配置 在线路发生故障时，如电网系统侧开关跳开而分布式电源侧未跳开继续供电，会影响故障电弧的熄灭，重合闸（尤其是重合时间非常短的重合闸）无法成功。如在重合时小电源仍未解列，则可能造成非同期合闸，引起的冲击电流使重合闸失败，同时也给分布式电源的发电设备带来伤害［6］。

另外，对于自切装置的备用电源投入判据方面也存在一定困难。电力系统供电中断时，本该自切动作，使备用电源投入，保证可靠供电。自切的前提是自切装置判出失去系统供电的母线没有电压，倘若此时分布式电源继续给该母线供电，那么自切将无法进行失电判断，影响了自切装置动作的正确性。

2.3 安全接入分布式电源的建议

面对分布式电源在崇明电网中的推广应用，除了加强相关工作人员的技术力量，合理安排运行方式，使得负荷分配更趋合理，规划设计更具前瞻和科学，在考虑负荷供需发展趋势的同时，还得寻求设备技术方面的改进。比如，在继电保护方面，将原放射型电网应用较多的过电流保护，加装方向保护，或干脆改成阻抗保护、零序过流保护、电压保护、突变电流保护、防电压穿越保护等。此外，还应统一制定并执行相关的行业技术标准，如国家电网公司2010年8月2日发布的Q／GDW480—2010国家电网公司风电场接入电网技术规定（2010年版）。

智能电网允许大量分布式电源入网，可以通过智能电网，使得分布式电源与分布式储能装置并网后，在负荷低谷时从电网上获取电能，而在负荷高峰时向电网送电，真正起到削峰填谷的作用，提高电网运行效率，实现各种能源的有效整合［7］。在智能电网中，如果主网出现故障，具备独立运行条件的配电网自动解列，处于解列的配电网出现故障时，则更小的安全孤岛自动实现独立运行，层层剥离，最大可能地保证供电可靠性。智能电网中的智能调度及智能信息化，为提高电网调度的智能化水平奠定了基础，在潮流实时变化时可以自动采取措施进行电压等调节，使电网保持稳定运行［8］。

3 结语

分布式电源在崇明电网中的推广与应用，其利大于弊。对于并网后出现的问题和存在的困难，应该引起高度重视、进行认真分析并加以解决。随着我国坚强智能电网的深入研究和推广应用，分布式电源在崇明电网中的应用必将越来越广泛。

［1］宋 鸿.解读德国能源计划把脉未来能源走向［J］.电力与能源，2011，23（5）：349－353.

［2］禹华军.低电压事件发生对风电机组的影响［J］.上海电气技术，2010，3（3）：30－39.

［3］施明融.一种新兴能源生产方式——分布式供能［J］.电力与能源，2011，23（5）：387－388.

［4］宋祺鹏，宋晓辉.分布式电源对配电网规划的影响［J］.电气时代，2010，（4）：74－75.

［5］DL／T 584－95.3－110kV电网继电保护装置运行整定规程［S］.

［6］邰能灵，冯希科.分布式电源对配电网自动重合闸的影响研究［J］.电力科学与技术学报，2010，25（3）：21－26.

［7］鲁 刚，魏 玢，马 莉.智能电网建设与电力市场发展［J］.电力系统自动化，2010，34（5）：1－6.

［8］陈树勇，宋书芳，李兰欣.智能电网技术综述［J］.电网技术，2009，33（5）：1－7.