分布式电源并网对于配电网的影响研究

沈 鑫 曹 敏

（云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院 昆明 中国 650217）

1 引言

分布式发电（Distributed Generation，简称DG），通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力发电、生物质能发电等。它的投资少、占地小、建设周期短、节能、环保，对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、有效。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。

尽管分布式发电技术有诸多优点，但接入大电网后给电能质量和电能调度运行带来了一系列影响：分布式发电以电力电子技术为基础，在电力系统中应用了大量的电力电子转换器，它们担负着能量的传递和负荷的投切等重要功能。随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起电网的谐波污染，对电网安全稳定运行产生较大影响。目前，较为常见的电能质量问题有：频率偏移、长时电压偏移、短时电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、波形失真、电压波动和闪变等，其中波形失真中的谐波问题是最近几年才被逐渐重视的。随着分布式发电的引入，将带来引起电压闪变的其他因素。这些因素主要是以下几个方面：某个大型分布式单元的启动，分布式单元输出的短时剧变，以及分布式单元与系统中电压反馈控制设备相互作用而带来的不利影响。由于电力电子器件大量应用于分布式发电中，其非线性的特质造成电力系统中存在大量的谐波。谐波的出现增加了电站和用户设备的功率损耗，使敏感负荷或者控制设备发生故障。电网波形中谐波成分比例过大，会使一些电力设备寿命减少，如变压器、发电机、电容器等。同时带来谐波的幅度和阶次也对电网的安全运行带来了巨大的影响。本文就分布式发电的三种具体形式（风力、太阳能、光伏）的电能质量问题进行了分析，并且指出了解决电能质量问题的潜在优势、给出了可行的研究方案以及思路。

2 分布式发电的优势

目前电能生产、输送和分配的主要方式分别是集中发电、远距离传输以及大电网互联。由这三种方式组成的电力系统承担着全世界 90%的电力负荷。但是它也存在着局部事故易扩散、容易受到战争或者恐怖势力破坏以及无法灵活跟踪电力负荷等等弊端。而分布式发电有着自身特有的优势，下面将对其作简单的介绍[5-14]：

（1）节能降耗

首先，分布式电源供电距离较集中发电方式短得多，网损降低明显；其次，分布式电源则能够提供多种形式的能量，能实现能量的梯级利用，典型的是冷、热、电三联产，符合“温度对口、梯级利用”的原则，从而大大提高了能源的总体利用效率。

（2）减少空气污染

分布式发电以天然气、轻油等清洁能源和风力、水力、潮汐、地热等可再生能源为发电原料，能够有效减少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害气体的排放。同时，由于分布式能源系统发电的电压等级比较低，电磁污染比传统的集中式发电要小得多。

（3）提高电网的经济性和可靠性

由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷的作用，现有发输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必要，大大地提高了电网的经济性。此外，分布式发电还可以作为备用电源为高峰负荷提供电力，通过自身开停机方便、操作简单、负荷调节灵活的特点，与大电网配合，弥补其安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下也可维持重要用户的供电，大大提高供电可靠性。

（4）提高电能质量

分布式电源内部通常都设有就地电压调整和无功补偿，从而保证了电能的质量。此外，分布式电源的投资相对大电网、大电厂而言非常小，风险也较小，并且建设周期短，有利于短时间内解决电力短缺的问题。

3 分布式电源并网对于配电网的影响

3.1 风力发电并网

风力发电作为技术最成熟、最具规模化的新型发电方式，其发展速度居于各种可再生能源之首，其具有环保可再生、全球可行、成本低且规模效益显著的特点。但是我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，一般通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响、稳定裕度降低。近年来，风力发电技术进步很快，但大规模风电引入电网，对系统稳定性、电能质量等产生的一些负面影响仍然不容忽视[9][13]。

（1）由于风能具有随机性、间歇性，风电机组输出的电能也是波动、随机变化的，具有不可控的特点，因而稳定性较差，不能保证不间断供电；

（2）虽然目前风力发电机组大多采用软并网方式，但并网瞬间会产生较大的冲击电流，如果地区电网较弱，风电机组在出现系统故障清除后无法重新建立机端电压，风电机组将运行超速失去稳定，会引起地区电网暂态电压稳定性的破坏；

（3）当风速超速时，风电机组会从额定状态自动退出运行，风电机组的投切产生的电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一；

（4）由于风速的随机波动特性以及风电机组运行过程中受湍流、尾流效应、塔影效应的影响，导致并网风电机组的输出功率波动，从而引起电网电压波动和闪变等电能质量问题，随着风速的增大，电压波动和闪变也越明显；

（5）当风电在电网中所占比例较大时，若风机在系统发生故障时采取被动保护式解列方式，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统其他机组全部解列，此时对风电机组必须要求风电机组具有相应的低电压穿越能力。

3.2 太阳能光伏发电并网

太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电系统通常分两大类：一是独立光伏发电系统，二是光伏并网发电系统。其中，光伏并网发电系统已成为发达国家发展太阳能发电的主要选择。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。但光伏发电系统受环境温度、太阳光照强度和天气变化影响，具有随机波动性，造成发电功率的剧烈变化[15-16]。

（1）由于阳光的昼夜变化，光伏发电装置只在白天工作，晚上切离电网，不但影响了设备的利用效率，且频繁投切也会对电网的稳定性造成影响；

（2）光伏并网发电系统受日光照射的影响较大，发电量时常变化无常，而配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外，一般很少具有其他的动态无功调节设备，如果该类发电量所占比例较大，其具有的易变性将使配电线路上的负荷潮流也极易波动且变化较大，从而加大了电网正常运行时的电压调整难度；

（3）光伏发电对电网的另一个负面影响是谐波污染。光伏发电系统一般通过逆变装置转换才能接入公共电网，这些逆变装置通过适当的控制策略能够实现有功和无功的解耦控制，在一定程度上实现了补偿无功，控制功率因数和抑制谐波的作用。在实际的运行过程中，当逆变器输出轻载时，谐波会明显增大；

（4）当光伏并网系统越来越多时，产生孤岛效应的概率也将增加。当太阳能并网发电系统切换成孤岛方式运行时，如果该供电系统内无储能元件或其容量太小，会使用户负荷发生电压闪变。若太阳能供电系统脱离原有的配电网后，其原来的单相供电模式可能造成其他配电网内出现三相负载不对称的情形，因而可能影响到其他用户的电压质量。

3.3 微型燃气轮机发电并网

微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。与其他发电技术相比，微型燃气轮机通过回热等有效措施提高系统热转功效率，微汽轮机发电效率己从17～20%上升到当前的26～30%，但以微型燃气轮机作为动力的简单分布式供电系统热转功效率依然远小于大型集中供电电站和其他类型分布式发电技术。但微汽轮机具有污染小、结构简单、故障率低、可靠性高、投资风险小、能在短时间内安装1.7～40MW 以上容量等优点。它是目前最成熟，最具有商业竞争力的分布式电源之一。

通常情况下，微型燃气轮机的输出功率与燃料量有关，因此，它的有功功率是可以控制的，与风电和光伏发电系统不同。对于需由变流转换装置并网的微型汽轮机，同样存在因电力电子设备整流逆变带来的谐波污染问题。

3.4 分布式电源并网对电网电能质量的影响

综合3.1-3.3 的分析以及其它相关的研究，可总结出分布式电源并网对于电网电能质量的影响如下：

受环境和气候条件、用户需求、政策法规等因素的影响，分布式电源的起停与投切，其不确定性易造成配电网明显的电压波动和闪变。同时，分布式电源的控制设备和反馈环节的相互作用也会直接或间接引起电压闪变；

分布式电源采用基于电力电子技术的逆变器接入配电网，与传统电网的方式有很大不同，开关器件的频繁开关易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造成谐波污染；

分布式电源常位于配电网的终端，离负荷较近，输出的无功会使负荷节点处电压升高，甚至超出电压偏移标准。当分布式电源退出运行时，受其影响较大的节点负荷又因缺少电压支撑而遭受低电压等严重电能质量问题，受影响程度的大小与分布式电源的类型、位置和容量有关；

大量分布式电源在电网随机投入和退出运行加大了电力系统负荷预测的不确定性，使配电系统规划者难于准确预测负荷增长情况；配电网规划是动态规划问题，其动态属性同其维数密切相关，系统增加的大量分布式发电机节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困难；

分布式电源出现改变了配电系统单向潮流结构，使潮流大小和方向无法预测。根据分布式电源安装位置不同，馈线段的潮流可能增加也可能减少，当馈线上分布式电源输出功率大于负荷需求时，会造成馈线的某些段或者全部潮流完全反向，潮流的改变导致原有电压调整设备如有载调压变压器失去了正常调节作用；

分布式电源接入系统可能会影响系统的运行可靠性和安全性。对于典型放射状配电系统，分布式电源出现改变了电网结构，改变了短路电流大小和持续时间，导致按原有网络设计的保护装置误动作，破坏保护设备间的协调运行，妨碍了自动重合闸动作。特别是当短路电流大于原有系统断路器中断容量时将导致设备损坏。

4 电能质量改善方法

4.1 潜在优势

近年来，分布式发电技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注，许多国家已经制定了宏伟的分布式能源系统研究发展计划，并进行了多方面的相关研究。分布式电源能够及时快速的提供电能，当电网关联负载较大时，分布式电源在相关控制策略下在尽可能短的时间内投入使用，使系统尽可能少的减少故障，从而提高整个电网系统的稳定性。在抑制谐波、降低电压波动和闪烁以及解决三相不平衡方面，目前已经有几种装置可供选择。技术已经相当成熟的有无源滤波器、静止无功补偿装置（SVC）等，随着高性能的电力电子元件（例如GTO、IGBT、LTT 等）的出现以及微处理和微电子技术、信息技术和控制技术的发展，美国电力专家提出了柔性交流输电系统（又称FACTS），现在主要的 FACTS 装置有：静止无功补偿（STATCOM），晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）等。作为FACTS 技术在配电系统应用的延伸——DFACTS 技术（又称 Custom Power 技术）已成为改善传统集中式发电系统电能质量的有力工具。该技术的核心器件是IGBT，目前主要的装置有：有源滤波器、动态电压恢复、配电系统用静止无功补偿器、固态切换开关等。APF是补偿谐波的有效工具，DVR 是抑制电压陷落的有效装置。以上改善电能质量的技术是建立在电力电子技术和通信控制技术的基础上的，而分布式发电正是建立在电力电子技术、计算机、通讯技术和控制技术发展的基础上，这样新型电力系统使得复用自身的电力电子转换器成为可能，利用现有电力电子设备吸收或释放有功、无功，从而不仅实现电能的传输转换，而且改善了系统的电能质量，减少了系统的额外投资。实现以上功能要建立精确的控制策略，分布式发电自身的电力电子转换设备不可能完全代替改善传统电网电能质量的设备技术，能够将分布式发电设备应用到DFACTS 技术中去，不仅提高了电能质量水平，而且减少了设备投资。

4.2 分布式发电并网的电能质量标准

与大电网联接的分布式能源系统的研究，国内外的研究都在不断进行。通过多年的研究，也逐渐总结出了分布式发电的一些并网标准。

（1）电流谐波

由于分布式发电所发出的电能大多数并非正弦波特征，所以必须引入大量的整流设备以及换流装置。该类设备使用寿命较长，属于静止、不转动的设备，具有故障较少、运维简单以及高效等明显的优点：

目前，整流装置在分布式发电方式中已经得到广泛应用。但是整流装置会导致负荷电流波形的非正弦畸变。因此，就整流装置来说，既是一个从电力系统吸收功率的负荷又是一个谐波能量的“源”。

分布式发电的相关电力电子装置产生的谐波除了特征次谐波外，还有非特征次谐波，对于特征次谐波的研究工作，已有很多文献描述在这里不做展开。对于非特征次谐波，它在系统中因非理想工作条件而存在。其量虽然小，但是在某些条件下，它们可能被放大至超过允许值，甚至与系统间产生不允许的谐振，因此应该引起重视。《公用电网谐波》中对总谐波失真（THD）电压50Hz 时作出了相关规定。

（2）闪烁

发电机如风力涡轮机输出功率的快速变化、负荷电流迅速变化、电弧炉或感应电动机启动等都是引起闪烁的原因。为了减少或避免闪烁，许多国家要求最大安装功率比共同耦合点的短路功率小几倍，分布式电源不得发出其他电力系统客户不能接受的可观测的闪烁。

IEEE 519-1992 规定了最大电压闪变限制曲线。美国大多数州的互联要求参照此限制，得克萨斯州要求电压闪变不超过公共端的电压3.0%。而欧洲奥地利要求电压闪变不超过公共端的电压4.6%。

（2）直流电流注入

当分布式电源功率转换器直接与电网连接（不带隔离变压器），就有可能向电网注入直流电流，从而导致变压器和电动机饱和以及发热，并由此产生谐波电流。特别是当分布式电源功率转换器内部故障时，就会有连续直流电流出现。在并网模式，通常由分布式电源来控制直流电流注入。从各国和国际准则看，目前分布式逆变器注入的直流电流范围从0.02～1A 或0.5%至5%的额定电流。

IEEE 929 和IEEE P1547 规定DG 注入的直流电流不应超过0.5%的额定电流。

4.3 可行的研究方案及其思路

近年来，我国为减小频率和电压偏差，也开始实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。在发达国家，作为普及的FACTS 技术在配电系统应用的延伸，DFACTS 技术逐渐成为电力公司和用户的最优选择，目前主要的 DFACTS 装置有：有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D-STATCOM）、固态切换开关（SSTS）等。此种技术的基础正是现代电力电子技术及其相关的检测和控制技术，尤其是可控硅器件的水平和经济实用性。未来电力系统发展的必然趋势是分布式发电，分布式发电技术也是基于这些技术才可以得以发展，所以充分结合现有改善电能质量的有效技术，探讨分布式发电带来电能质量新问题的成因，这将是一种十分可行的研究方案。下面将提出一些具体的研究内容：

（1）大量电力电子器件应用到分布式发电，将会给电能质量问题带来新的挑战，对未来可能出现的问题进行合理的预测是非常必要的，例如设备的全寿命周期管理，对设备、元器件的使用状态和使用年限有准确、科学的预估及准备；

（2）分布式发电本身可以产生大量的有功和无功，在合适的节点位置安装适量的无功电源（安装静止无功补偿器SVC、投切电容器组）进行补偿以降低网损并保证节点电压在允许的范围，合理的应用这些无功来改善电能质量，完善并网潮流优化；

（3）将分布式发电自身潜在优势充分的利用在改善电能质量，制订合理的控制策略，开发高性能的电能质量在线监测装置.满足某些企业用户对电能质量监测的高端应用要求，提高电能质量监测数据的分析应用能力，实现电能质量监测数据专家级分析功能；

（4）分布式发电无法解决自身的所有问题，可以将传统电网改善电能质量的技术引入到分布式发电中。这种兼容并包的研究思路既可以减少开发研究时间，又可以保证电能的高质量。分布式发电广泛应用到电力系统，传统的检测和分析方法很难适应于电能质量的评估，因此有必要对此进行研究。

5 结语

近年来，我国坚强电网建设效果显著，特高压直流输电，柔性直流输电技术都达到了世界一流水平，传统集中式大电网不断加固、加强。但是电力未来发展方向中分布式发电的重要性还没有引起足够的关注，我国对此的研究虽然还处于刚刚起步阶段，对此方向投入的精力和物力，鼓励相关人员对此方向进行的研究都还不够。虽然分布式电源所带来的电能质量问题是任何发电方式都不能避免的问题，但是越早对其进行研究，将对我国分布式发电的发展起到积极的促进作用。随着分布式电源水平的不断提高、设备性能的不断改进，分布式电源并网引起的电能质量问题也将被逐步解决，分布式电源也会逐步占据能源综合利用上最重要的位置。

[1]尤毅,刘东,于文鹏.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化,2012,36（18）：10-16.YOU Yi,LIU Dong Technology and Its Trends of Active Distribution Network[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(18)：10-16.

[2]徐玉琴,李雪冬.基于改进免疫克隆选择算法的含分布式电源配电网规划方法[J].电网技术,2010,34(8)：97-101.Xu Yuqin,Li Xuedong.An Improved Immune Clonal Selection Algorithm Based Planning Method for Distribution Network With Distributed Generators[J].Power System Technology,2010,34(8):97-101.

[3]张丽,徐玉琴,王增平,等.包含分布式电源的配电网无功优化[J].电工技术学报,2011,26(3):168-174.Zhang Li,Xu Yuqin,Wang Zengping,et al.Reactive power optimization for distribution system with distributed generators[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(3):168-174.

[4]张浙波,刘建政,梅红明.两级式三相光伏并网发电系统无功补偿特性[J].电工技术学报,2011,26(1):242-246.Zhang Zhebo,Liu Jianzheng,Mei Hongming.Study of reactive power compensation characteristics on a three-phase double-stage grid-connected photovoltaic power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(1):242-246.

[5]吴理博,赵争鸣,刘建政,等.具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统[J].电工技术学报,2006,21(1):27-31.Wu Libo,Zhao Zhengming,Liu Jianzheng,et al.Implementation of a single-stage three-phase gridconnected photovoltaic system with reactive power compensation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(1):27-31.

[6]Koen J.P.Macken,Math H.J.Bollen.Mitigation of voltage dips through distributed generation systems[J].IEEE Transaction On Industry Application,2004,40(6):1686-1693.

[7]Milan Prodanovic,Timothy C.Green.Control of power quality in inverter-based distributed generation[J].IEEE Transaction On Power Systems,2002,19(2):1185-1189.

[8]G.Joos,B.T.Ooi,D.McGills.The Potential of Distributed Generation to Provide Ancillary Services[J].IEEE Transaction On Power Systems,2000,102):1762-1767.

[9]J.G.Sloostweg,W.L.Kling.Impacts of Distributed Generation on Power System Transient Stability[J].IEEE Transaction On Power Systems,2002,19(2):1185-1189.

[10]Wang C,Nehrirm H.Analytical approaches for optimal placement of distributed generation sources in power systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,19(4):2068-2076.

[11]Cellig Pilof.Optimal distributed generation allocation in mv distribution networks[C].Proceedings of 22ndIEEE Power Engineering Society International Conference on Power Industry Computer Applications,Sydney,Australia,2001:81-86.

[12]Braun M.Reactive power supply by distributed generators[C].2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting,Pittsburgh,USA,2008：1-8.

[13]汪海宁,苏建徽,张国荣,等.光伏并网发电及无功补偿的统一控制[J].电工技术学报,2005,20(9)：114-118.Wang Haining,Su Jianhui,Zhang Guorong,et al.Unitive control of PV connected generation and reactive compensation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20(9)：114-118.

[14]Niknam T,Ranjbar A M,Shirani A R.Impact of distributed generation on volt/var control in distribution networks[C].IEEE Bologna Power Tech Conference Proceeding,2003：1-6.

[15]Su-Won L,Jae-Hyung K,Seong-Ryong L,et al.A transformer less grid-connected photovoltaic system with active and reactive power control[C].Sixth IEEE International Electronics and Motion Control onference,IPEMC,2009:2178-2181.

[16]Su Muchun,Chou Chienhsing.A modified version of the K-means algorithm with a distance based on cluster symmetry[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2001,23(6):674-680.

[17]Baran M E,Wu F F.Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1989,4(2):1401-1407.

[18]贺星棋,刘俊勇,杨可,等.分布式电源对故障恢复初期不平衡孤网稳态特性影响[J].电工技术学报,2011,26(7):120-125.He Xingqi,Liu Junyong,Yang Ke,et al.Effects of distributed generation on steady-state characteristics of unbalanced isolated power system in initial period of fault restoration[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(7):120-125.

[19]沈鑫,王昕,赵艳峰,等.基于单周控制的并网逆变器在云南电网中的研究应用[J].电子器件,2013,36(5):722-727.Shen Xin,Wang Xin,Zhao Yanfeng,et al.One-Cycle Control Grid-Tied Inverter Application in Yunnan Power Grid [J].Chinese Journal of Electron Devices,2013,36(5):722-727.