分布式清洁电源接入配电网研究综述

罗迪，田新首，刘超，李润秋，焦熠琨，李琰

（1.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安 710065；2.新能源与储能运行控制国家重点实验室（中国电力科学研究院），北京 100192）

能源是支撑社会进步的前提，随着地球一次能源的日渐枯竭与人们环保意识的增强，开发可持续发展能源模式是当今世界发展大趋势。分布式清洁电源作为一种新兴高效、环保发电技术，应用各类型分散能源进行供能，是最清洁有效可再生能源利用方式之一。近些年，分布式清洁发电在发达国家受到大力推广与应用，中国同样也十分重视清洁电源发展。

我国从不同层面出台多种政策，如国家产业政策、地方政策以及国家电网公司政策都对清洁电源发展提出明确目标。为了规范清洁电源发展，提高清洁电源接入后运行稳定性，从国家标准、行业标准和企业标准3个层次关于分布式清洁电源接入系统提出了接入要求。但是，由于分布式清洁电源能够在系统故障情况下向电网提供部分短路电流，会对配电网原有一次系统稳定性，二次系统的保护、自动化故障处理方式以及通信系统带来一定的影响，原有相关技术规定存在适应性问题。

分布式清洁电源在配网中通常处于380 V或10 kV电压等级，与配网联合运行时，将影响配网的规划、潮流分布特点、暂态稳定性、故障保护原理及原有协调控制将面临适应性问题。在配电网中引入分布式电源后，需要考虑分布式电源规划与配电网规划的相互影响[1-2]。分布式清洁电源增加很多不确定因素，影响配网潮流分布[3-4]；随分布式清洁电源大量接入，其故障穿越行为严重影响配网故障特征[5-7]，将给配网传统保护系统适应性带来深刻影响[8-9]，影响分布式清洁电源在配网可接入容量[10-11]。当含分布式电源配电网出现故障时，需要适应含分布式电源配电网的故障定位方法[12]，设计新型保护原理及方案[13]，并具备孤岛识别的能力[14]，并具备故障恢复的能力[15]。由于电能需要高可靠性及电能质量，这就需要分布式清洁能不断提升自身供电能力。提高配网接纳分布式清洁电源若干种方法被提出，如基于故障同步识别含分布式能配网充分式差动保护技术[16-17]，智能配网分布式区域纵联保护关联域在线确定方法[18]，智能配网分布式控制技术及应用[19]，以及主动配电网的分布式电源协调控制的应用[20-21]。近些年随着虚拟同步发电机技术的发展，由于其在调频调压方面的优势应用于含分布式清洁电源的配电网中，提高了配网对分布式清洁电源消纳[22-29]。

为此，本文首先研究国家产业、地方产业政策等及其对分布式清洁电源影响；其次，分别研究了国家标准、行业标准和企业标准对分布式清洁电源二次系统（保护、自动化、通信）的接入要求；再次，分析分布式清洁电源接入配网规范存在问题，并给出分布式清洁电源接入后对二次系统影响及相关解决措施与方法；最后，给出相关的结论。

1 分布式清洁电源接入配网产业政策及其发展现状

为了促进可再生能源发展，国家产业、地方政策等对分布式清洁电源给出若干激励方案，使得近些年分布式清洁电源在我国发展顺猛，并表现出其独特性质。

1.1 产业政策促进作用

分布式光伏发电兼顾经济与环保，尤其是屋顶光伏受到充分关注，国家和地方分别颁布多种激励政策。

在国家层面上，2013年《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，鼓励用户“自发自用，余量上网，电网调节”。2014年《政府工作报告》，推广分布式电源。能源局【国能资质（2014）151号】文件，明确太阳能、风能等发电项目豁免发电业务电力业务许可。2016年《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》为新能源的发展指明了方向。多种国家产业政策从法理上促进了分布式清洁电源增长。同时国家电网公司出台一系列分布式清洁电源并网相关意见和规范。如《国家电网公司转发国家能源局关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》。

一些地方性产业政策出台更是直接促进了分布式清洁电源快速发展，上海《可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》加大个人补贴。广东电网公司组织编制《广东电网公司分布式光伏发电项目并网服务工作指引（试行）》，确保不出现“弃光”。河南省《关于推进光伏发电项目建设的通知》以推动2014年光伏项目备案和良性发展。浙江省发布《光伏建筑一体化产品推广目录（第一批）》，加大光伏产品宣传推广力度。山西省人民政府《关于加快促进光伏产业健康发展的实施意见》。内蒙古《内蒙古自治区2013～2020年太阳能发电发展规划》。江西《关于加快推进全省光伏发电应用工作方案》再涨0.2元/度电补贴。湖北省《关于促进光伏发电项目建设的通知》力促简化申请流程。天津《光伏发电项目电力并网服务工作流程》采用差异化管理细分利益。北京《北京市分布式光伏发电管理暂行办法》。福建《关于印发福建省促进光伏产业健康发展六条措施的通知》。

1.2 分布式清洁电源接入配网特点

由于分布式清洁电源技术进步及相关政策促进作用，分布式清洁电源接入配网得到快速发展，规模不断增大。

以陕西省为例，分布式清洁电源表现良好，主要分布在西安、榆林、延安、商洛等地区。西安分布式电源项目共9项，发电容量共8 144.7 kW，主要以太阳能光伏发电为主，装机容量多在6 MW以下，原则上可以采用原供配电设施并网供电，终端可以利用自动化装置实现电量、电压和电流的监控和采集。西安公司已并网发电客户89户，容量共21 556.11 kW。榆林是陕西省“十三五”时期风电、光伏等新能源建设主要区域。目前，榆林电网已批复分布式装机容量12万kW，并网发电容量2万kW，预计到2020年并网发电分布式电源装机容量可达30万kW。延安10kV及以下分布式光伏电站现接入20MW，2016-2020年期间，10 kV及以下分布式光伏电站预计接入200MW。其中，光伏扶贫项目集中式电站40MW，宝塔区分散式光伏建设规模共1兆瓦；洛川分散式光伏建设规模共0.28 MW。配套新建10 kV线路20 km，0.4 kV线路30 km，配变新增容量1.15万kV·A。截止2016年底，商洛已并网分布式电源74户，容量22402kW。商洛规划发展光伏扶贫10万户，接入方式按照光伏项目接入系统型式分为集中接入和分散接入两类，接入容量将达50万kW。目前分布式清洁电源接入配网系统主要为光伏，部分地热，燃料电池等。

2 相关技术标准接入要求

目前，多项相关技术标准对分布式清洁电源的接入提出了明确要求，主要分为3类：国家标准、行业标准和企业标准。

1）国家标准接入要求。2012年12月31日发布《光伏发电系统接入配电网技术规定》分别规定了380 V与10（6）kV电压等级的适用范围，明确了对保护的要求、对通信与信号要求。2013年9月6日发布《光伏发电接入配电网设计规范》，分别规定了380 V与10（6）kV电压等级的适用范围，明确了对保护、自动控制装置及通信系统等要求。

2）行业标准接入要求。2013年11月28日发布《分布式电源接入配电网技术规定》，首先确定适用范围为35 kV及以下电压等级接入电网新建、改建和扩建分布式电源，明确对继电保护与安全自动装置、对通信与信息及对通信方式和信息传输应符合相关标准等要求。

3）企业标准接入要求。2014年2月20日发布《分布式电源接入配电网设计规范》，首先确定适用范围为国网公司辖区35 kV及以下电压等级用户配网新建、改建与扩建分布式电源；明确对继保及安全自动装置、通信系统等要求。

3 分布式清洁电源接入对配网影响

随着分布式清洁电源规模不断增加，其对电网影响逐步显现，打破原有配网仅作为受电网状况，对配网方方面面产生深刻影响。

3.1 典型接入方式

分布式清洁电源接入按照电量消纳模式可以分为“自发自用/余电上网”和“全部上网”，可以将分布式清洁电源配电网接入总结为7种典型方式，分别如图1～图7。

图1 专线接入10 kV配网Fig.1 Access to the 10 kV distribution network by the special line

图2 T接接入10 kV配网Fig.2 T access to the 10 kV distribution network

图3 用户内部电网接入后专线接入10 kV配网Fig.3 Access to the 10 kV distribution network by the special line after the user’s internal grid is connected

图4 用户内部电网接入后T接接入10 kV配网Fig.4 T access to the 10 kV distribution network after the user’s internal grid is connected

3.2 对接入配网影响

分布式清洁电源接入后，其能够在系统故障情况时向电网提供短路电流，会对配电网原有二次系统保护、自动化故障处理方式、通信系统以及计量等带来一定影响[15-17]，需要开展相关分析与研究。结合图1～图7所示分布式清洁电源配网典型接入方案，影响主要表现在如下几个方面。

1）继保与安全自动化装置

结合分布式清洁电源典型接入方式，对配网保护及自动装置影响分为：分布式清洁电源出口开关断开时间快于高电压等级断路器与慢于高电压等级断路器，当出口开关断开时间快时，在系统故障情况下分布式清洁电源被切除不向电网提供电流，此类情况类似于分布式清洁电源不在网运行。当出口开关断开时间慢时，在系统故障情况下，分布式清洁电源能够向电网提供电流，将会对接入配电网产生复杂影响，可以用图8含分布式清洁电源的配网系统图和图9带手拉手开关的解环配电网描述，主要包括以下几个方面：

①本线路保护灵敏度下降甚至拒动。如图8中，F1处发生故障时，保护1处短路电流减小，导致电流速断保护无法动作，只能通过带时限过电流保护切除故障，保护1可能拒动。

②本线路保护误动。如图8中，当相邻线路L2母线y1位置发生短路时，引起保护1短路电流变化影响其动作变化，x值越大短路电流越大；接入容量越大，短路电流越大；位置越远，短路电流越小。

③相邻线路瞬时速断保护误动作。如图8中，当F3发生故障时，保护2中短路电流包含分布式清洁电源发出电流，其值明显偏大，可能触发速断保护，导致误动作。

图5 专线接入380 V配网Fig.5 Access to the 380 V distribution network by the special line

图6 T接接入380 V配网Fig.6 T access to the 380 kV distribution network

图7 接入220/380 V配电网Fig.7 Connected to 220/380 V distribution network

图8 配网结构图Fig.8 Structure diagram of distribution network

④重合闸不成功。如图9中，分布式清洁电源接入，配网内含有电源，线路故障可能仅使系统侧保护动作，分布式清洁电源仍然提供电流，这时发生重合闸将失败。

图9 解环配网Fig.9 Structure diagram of the unlocking loop distribution network

2）通信

电力系统配网应用比较多的通信手段主要有无线和光纤。鉴于分布式清洁电源接入后保护方案实施对故障信息有较强依赖性，故需要对各种通信手段进行相关分析，落实一种最有效、最可靠的通信手段。目前我国配网信息自动化水平相对落后，10kV及以下低压线路通常不具备通信通道，分布式清洁电源接入后调度系统无法获得实时运行状态，而且，对配网通信系统运行和维护带来诸多挑战。

3）调度自动化

分布式清洁电源接入电网增加配网运行监控复杂性与难度。主要表现在：①扩大了配电网调度运行监控范围，10kV接入将纳入地市或县公司调控中心。因配网调度监控信息量及信息类型增多；380V低压配网接入分布式清洁电源，需上传发电量信息，虽然单点量测量少，但是分布范围广，总体信息量较大。②增加配电网电压分布监控需求，为了确保配网电压质量，需要增加配网电压分布监控功能。

4）其他

分布式清洁电源接入还会带来其他影响，影响配电网计量；影响配电网的稳态电压分布；影响配电网电能质量；降低电网供电可靠性；加大了电力负荷的预测难度。

4 配网增加消纳分布式清洁电源措施与方法

分布式清洁电源中低压配网接入，将使得传统配网由无源改变为有源，由辐射状改变为多源结构，潮流也将发生改变，影响电网及设备运行，应采取措施积极应对。

4.1 二次系统应对基本原则

1）继保与安全自动化装置。分布式清洁电源容量较小时对配网继保影响不大，不需采取措施；当容量超过一定限度时，要重新整定保护定值、加装方向元件或采用新型保护原理；分布式清洁电源并网点需要安装快速切除反孤岛装置；对并网不上网的分布式清洁电源系统，需在并网点增加逆向功率保护；对分布式清洁电源接入馈线，应校核配网故障定位策略及终端故障电流上报定值适应性，并根据实际情况调整，否则需考虑采用故障功率方向判据。

2）通信与调度自动化。扩展配网调度运行监控功能，丰富运行作业管理。

3）计量。分布式清洁电源接入配网应在关口计量点装设计量电能表，并网点装设并网电能表。

4.2 增加消纳分布式清洁电源策略

为了有效提高电网对分布式清洁电源的接纳能力，必须立足现有配电网，同时积极发挥分布式清洁电源绿色环保、紧急后备等优势，目前已有很多相关研究[30-31]。特别是智能配电网技术快速发展，以及虚拟同步发电机方法成熟。

1）智能配电网提高利用分布式清洁电源运行控制策略研究方面。智能配网技术为解决分布式清洁电源消纳问题奠定了扎实基础，关键是如何有效发挥智能配网自动化自愈控制技术。智能配网自愈技术，故障前利用预防性方法，尽早发现、迅速诊断、调整及消除潜在威胁；故障时及时处理故障、自我修复，把影响降到最小。功能包括：①配电网运行的自优化；②配网故障的快速优化处理；③电能质量的自动优化调整。并可以利用变电站智能化实现能源并网/微网运行自适应，提高消纳分布式清洁电源能力。

2）配电网中应用虚拟同步发电机方法消纳分布式清洁电源研究方面。虚拟同步发电机技术是指利用模拟同步发电机组特性，使采用变流器电源具有同步发电机组惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网运行外特性技术。实现虚拟同步发电机技术主要方法如下：

①基于同步发电机原理控制方法。同步机转子是旋转设备，其自身有惯量，转子转速满足转子运动方程，不突变。利用同步发电机该特性，模拟其转子运动行为，在分布式清洁电源中实现类似功能，得有功-频率传函：

根据式（1）可得分布式清洁电源有功-频率控制结构如图10。

图10 有功-频率控制框图Fig.10 Control structure diagram of active power and frequency

同理，模拟同步机励磁系统，可得分布式清洁电源无功-电压控制框图如图11。

图11 无功-电压控制框图Fig.11 Control structure diagram of reactive power and voltage

②基于空间矢量变化控制方法。以风机为例，虚拟惯性控制方案，以频率作为输入信号，测量频率后输入到微分控制环路获得附加有功信号，将该信号与最优功率参考值叠加，通过机组快速控制，实现双馈风电机组惯性响应，控制原理如图12所示。

图12 附加频率控制Fig.12 Additional frequency control strategy

电网电压波动时机组输出无功参与系统电压调节，确保机端电压稳定，其电压控制框图如图13所示。

图13 变频器电压控制器Fig.13 Voltage controller of the converter

5 结语

本文研究了国家产业政策、地方政策等，分别对分布式清洁电源提出了明确的激励方案，并促进了其快速发展，分布式清洁电源接入配网有其自身特点。指出目前相关技术标准对分布式清洁电源提出的接入要求，但是由于分布式清洁电源能够在系统故障情况下向电网提供短路电流，对配电网原有二次系统的保护、自动化故障处理方式、通信系统以及计量等带来一定不利影响；最后研究了配网增加消纳分布式清洁电源措施，重点分析了二次系统应对基本原则，智能配网提高消纳分布式清洁电源运行控制策略研究及配电网中应用虚拟同步发电机消纳分布式清洁电源。

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