智能配电网中分布式电源并网的思考

王 淼 董仲星 刘宗歧

（华北电力大学，北京 102206）

智能电网的提出为新能源和可再生能源的发展提供了一个良好的机遇。分布式发电是当今世界能源发展问题的结果，是充分开发利用多种可再生能源的理想途径。鼓励和支持分布式发电、可再生能源的利用是智能配电网的特色[1]。

1 分布式发电技术

近年来，包括光伏、风电等可再生能源新型发电技术发展较为迅速，分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径[2]，并在配电网中得到广泛的应用。

1.1 分布式电源优点与特点

分布式电源得到广泛应用，主要是源于能源形势需求、电力系统发展趋势以及其自身的特性。

1）供电可靠性高，各分布式电站相互独立，可以自行控制，可以在大停电时维持全部或者部分重要用户或地区供电，减少大规模停电事故。

2）集中式与分布式发电的结合，可以有效节省投资，提高能效，充分发挥两种发电方式的优势，从而提高电力系统的灵活性、可靠性与安全性。

3）分布式发电直接接在负荷侧，可以弥补大电网的不足，在意外灾害发生时继续供电，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充。

4）启停方便快速，调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，便于实现全自动。

5）可对区域电力的质量和性能进行实时监控，适宜大电网不易实现供电的农村、牧区、山区等偏远地区，同时能够较大程度上减小环保压力。

6）分布式发电无需建配电站，输配电损耗很低，输配电成本也随之降低。

7）土建和安装成本低，延缓对大规模常规电厂和输系统投资，减低投资风险。

1.2 分布式电源与智能配电网

智能配电网的主要特征之一即是支持分布式电源大量接入。这是智能配电网区别于传统配电网的重要特征[1]。智能配电网中强调的分布式电源不再硬性的限制其接入点和容量，倡导并且有利于可再生能源的足额上网，积极接入分布式电源并发挥其作用。同时通过系统接口的标准化和保护控制的自适应[3]，支持分布式电源的即插即用，从而实现各种能源优化调度。

2 分布式电源并网带来的技术问题

2.1 算例分析

本文利用前推回代法，对计及分布式电源的配电网络进行潮流计算，从理论上验证分布式电源并网对原配电系统带来的影响。为仿真结果清晰，假设不同馈线上的负荷的功率大小一定，配网中的负荷总量大于分布式电源的容量，收敛精度ε =10-4，算例的拓扑结构如图1所示，算例数据如附表1所示。

图1 20节点配电系统拓扑图

分布式电源种类的多样性决定了其模型的多样性，本文采用文献[4-6]中的模型。根据接入配网的方式，将分布式电源的模型基本上分为 3种：P、Q恒定模型，P、V恒定模型和P恒定、Q=f(V)模型。在以下本文的仿真结果中，由于P、Q恒定模型与所设定的P恒定、Q=f(V)模型相似、运行程序相似，仿真结果相似，为简化计算，将P、Q恒定模型视为P恒定、Q=f(V)模型的一种特殊情况，可将其归于其中。

1）接入P恒定、Q = f (V)型DG后与未接入的节点电压比较

假设在算例在11节点处接入P恒定、Q = f (V)型的DG，设

所得各节点电压与未接入分布式电源的节点电压比较结果如图2所示。可以看出，P恒定、Q=f (V)型DGs接入系统同样可使系统电压提高。

图2 接入P恒定、Q=f (V)型DG与未接入的节点电压比较

2）接入P、V恒定型DG后与未接入的节点电压比较

假设在算例节点8处接入P、V恒定型的DG，所得各个节点电压与未接入分布式电源节点电压的比较结果如图3所示。

图3 接入PV恒定型DG与未接入的节点电压比较

根据图示可以看出，接入点8节点的电压有明显提高，进而整个系统各个节点的电压提高，系统整体的电压水平提高。

此外，对比图2，P、V型分布式电源对节点电压影响更大，因P、V型分布式电源电压幅值恒定，相当于由该节点向系统注入无功功率，进而使得节点电压提高幅度较大。

3）不同节点接入P恒定、Q =f (V)型DG后节点电压比较

假设在算例 8节点处和 18节点处分别接入 P恒定、Q=f (V)型的DG，两种情况下各节点的节点电压比较结果如图4所示。

可以看出，18节点距离电源侧较远，接入DG后节点电压与8节点接入的结果相比有明显提高，特别是在接入节点18附近。可见，分布式电源接入位置不同，对系统影响效果不同。分布式电源的接入点距离电源侧越近，对各系统节点电压升高的影响越小。

图4 不同节点接入P恒定、Q=f (V)型DG后电压比较

2.2 影响分析

我国传统的中低压配电网络大多采用单侧电源辐射式供电模式，现在配电网中直接接入分布式电源，实质上相当于中低压配电网的结构和供电模式发生了变化，单电源放射式改为多电源供电，所以配网中潮流分布、短路电流等必将发生变化，从而为电力系统带来更多的技术问题。

1）电能质量与电压调整

结合以上算例结果，配电网中分布式电源的并入，电压水平、分布会发生变化。分布式发电多由用户控制，可能频繁启停，调度人员难以掌控其时间，线路潮流变化频繁，电压可能频繁出现波动，电压调整难度加大，电能质量受到影响，且系统中原有的调压方案可能不再符合要求。此外，电压变化还必将引起无功功率分布变化等问题。

2）继电保护

分布式电源的并入改变了配网网络以及配网中的潮流和短路电流的分布，继电器的保护区域缩小[7]，从而继电保护动作的准确性和灵敏性都将会受到影响，特别是对三段式电流保护。例如保护误动、拒动，瞬时速断保护失去选择性或者误动，重合闸不成功等。

3）故障处理

当配网中出现孤岛后以及重合闸过程中，分布式电源不能做出迅速反应，可能对设备、工作人员的安全产生损害。

4）谐波问题

应用逆变器接入的分布式电源就会有谐波问题，切换过程中会出现某些频率谐振问题。

5）调度与管理

分布式电源接入，配电网调度、操作、信息采集、实时监控等过程将更加复杂，引入和处理大量的配网数据信息，同时还应实现与配电自动化系统相互协调和配合。

此外，大规模分布式电源并网后变压器接地、与需求侧管理配合、铁磁谐振等问题也是不容忽视的。

3 智能配电网优化规划

智能配电网的新特征使得智能配电网的发展和规划也存在一些特殊性。智能配电网区别于的传统配电网的一大特性就是大规模分布式电源的接入和优化利用。

分布式电源的接入，为已经相对成熟的配网规划技术带来新的挑战。配电网规划本身就具有离散性、非线性，且集投资、网架建设、损耗以及用户停电损失等多目标组合的的优化规划问题。分布式电源条件的加入，并不仅仅是目标函数限制条件增加的问题，就前文分析的影响，都应该在规划过程中得以体现。

3.1 规划方法

文献[9]从保障重要负荷供电角度出发，引入“负荷岛”的概念，根据对岛内负荷进行预测以及分布式电源的容量，进行母线与岛、岛与岛之间的网络规划。这种方法的关键在于负荷岛的划分以及模型的建立。但是其计及因素相对较少，主要是提出了负荷区分和电源规划的一种思路。

从电力公司角度，文献[10]以电源接入、线路投资以及电网有功损耗最小为目标函数，建立了配电网节能减损的规划模型。文献[11]考虑了在市场条件，并采用启发式方法求解。文献[12]则提出采用新型免疫遗传算法，以年费用最小为目标，建立了模型，并分析其与遗传算法相对比的可行性和优越性。这种算法具有良好的全局收敛能力，能够平衡个体多样性，理论上适于含分布式电源的配网规划问题分析。

文献[13]提出了分布式电源的布点规划流程以及含分布式电源的配网规划流程，同时也提出了分布式电源的最大配置位置确定的方法。文献[14]则是在变电站和分布式电源位置确定的条件下，详细分析不同分布式电源接入点对电网影响，得出结论是：负荷和分布式电源容量比较匹配的地区就近接入。这种方法仅是是位置一定条件下优化接入点的位置。

3.2 特殊性

现研究所得的多种规划模型和方法，重点考虑的因素不同，目标函数不同，使用条件不同。综合来说，智能配电网的规划的特殊性以及主要面临的技术问题集中以下几个方面：

1）分布式电源的模型的建立

智能配电网中，分布式电源，加上电动汽车、储能设备等装置大量介入，增加了系统的不确定性和灵活性。分布式电源利用可再生能源发电，且多会受到气候因素和自然条件的影响，其输出也具有波动性。

2）分布式电源布点和发展

前文算例已有体现：分布式电源接入点的不同、分布式电源类型的不同，对电力系统的影响程度是不同的。所以在智能配电网规划过程中，应该深入分析配电网可接受的分布式电源的位置、容量，研究分布式电源的接入模式以及相应的规划方案和结构设计方法的评估、目标网架的发展速度优化等问题。

3）负荷增长模式的研究分析

分布式电源受用户控制，从电网的角度而言，相当于这部分电源可以与部分用户负荷相抵消，即分布式电源直接影响系统电力负荷增长模式，对于长期的电网建设和负荷预测均存在影响。

4 分布式电源并网控制与保护

随着大规模分布式电源的并网运行和研究的发展，分布式电源并网对系统原有的保护装置的影响更加不可忽视。前文已经提出对系统保护，特别是电流保护的影响。此外分布式电源并网需要与电力系统配电网良好配合协调，才能保证运行。

文献[15]从理论上归纳 4种分布式电源的保护策略，分析了直流微网的可行性，从通信角度分析交流微网，给出了接入策略。文献[16]提出一种新的保护方案，保留了过电流保护，将被保护馈线分区，接入点以上部分采用方向纵联保护，根据不同接入位置采用不同过电流保护形式。文献[17]提出一种自适应保护新方案，保护整定值随分布式电源功率输出水平、故障电流水平变化，并在仿真分析系统发生三相短路故障的情况。

总之，分布式电源并网，分布式电源系统自身应该具备控制和保护设备，能够检测和保护分布式电源系统，同时能够检测和处理并网时电力系统配电网中的故障。如果出现故障，能够延时处理与系统解列，以保证和系统运行。

5 结论

分布式能源并网是新时代能源问题的解决方法，是智能电网的发展需求，也是智能配电网技术研究的重点。实现清洁能源的接纳、输送和应用，以及实现分布式电源的灵活控制和互动，是一项长期的系统性工程，需要有相应的政策法规密切配合，还必须兼顾与新技术的开发和结合，例如电动汽车、新型储能设备等。对于大规模分布式电源并网运行的深入理论和实践待于进一步深入研究。

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