分布式电源及其并网对电力系统的影响研究

摘要：我国人均资源溃泛，且消耗极快。新能源发电具有绿色环保、可再生的特点，是目前及未来电力行业主要发展方向。随着新能源发电及并网规模的不断扩大，在其并网过程中给电网带来的种种不利影响也渐渐浮现，且愈加严重，本文对分布式电源进行简单介绍，然后从多角度研究分析了对新能源并网给电力系统带来的各种问题，并相应的给出一些解决措施，以供参考。

关键词：新能源;发电技术;分布式电源;并网

1 绪论

随着全球能源消耗的急剧增加，国际社会对能源问题和环境污染问题愈加重视。传统的煤炭、石油等化石燃料储备量越来越少，开采也更加困难，并且以此发电存在包括影响环境问题在内的众多局限。因此加快开发、充分利用可再生能源进行发电就显得更加紧迫。

新能源发电规模的急剧增加，其构成的微电网并入配电网的规模也越来越大，在提高能源利用率的同时也对电网的稳定运行也产生了不可忽视的影响，比如说降低了电网的电能质量、影响了系统的潮流分布等。对这些问题的深入研究对未来新能源发电技术的进一步发展与应用具有重要的意义。本文首先对分布式电源及并网标准进行简单介绍，然后结合仿真图形从多角度研究分布式电源并网后给电网带来的种种影响，并相应的给出一些解决措施。

2 分布式电源

所谓分布式电源就是一些满足周围小负荷用电需求的小型电源，具有装机容量小，环境影响小，灵活性好的特点。分布式电源还具有方便边远偏僻地区用电、减少输配电成本、缓解大电网供电压力等种种优点。目前太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机、生物质能发电等都可实现并网运行[1]。其中应用范围最广、并网规模较大的主要是光伏发电和风力发电。我国风力发电并网容量居世界首位，截至2019年底，已突破2.1亿千瓦，占总发电量的比例达5.5%，并且风电规模的增长速速远高于其他形式的发电规模增速。以下主要是基于光伏发电和风力发电进行研究。

3 分布式电源并网对配电网的影响

3.1 并网标准

分布式电源必须满足一系列的要求后才能进行并网运行，包括电能质量、功率控制、安全保护等[2]，同时并网时还要满足同步的要求，即分布式电源的电压幅值、频率、相角需与配电网电压幅值、频率、相角维持在一定允许的误差范围内。分布式电源并网总容量不应超过上级变压器供电范围内最大负荷的25%[3]。当并网电压不超过380V时，相应的并网容量不应超过200kW，容量超过200kW时宜接入电压等级为6kV及以上的电网。

3.2 对电网电压的影响

新能源并网对电网电压的影响主要体现在影响馈线稳态电压，导致电压的波动与闪变。太阳能光伏发电受光照强度和温度影响输出功率极其不稳定，同样风力发电受天气、风量、风速的影响，输出功率变化幅度也较大，这些是导致电网电压波动、闪变的直接原因。新能源发电装置启动与关停的过程中会对配电网产生过大的冲击电流，这也极易导致电网电压的波动与闪变。配电网短路容量越大，则该区域电网越稳定，受并网影响越小。如果并入的配电网自身稳定性差，则需通过合理规划并网点，选用恰当的线路阻抗比，并选择合适的电压等级来降低并网影响。

新能源发电系统中的变换器是典型的电力电子装置，大规模并网后将导致配电网无功功率下降，需要对电网进行无功补偿。而应用最多的无功补偿方式就是投切电容器组、改变变压器分接抽头来实现电压的调整[4]。但是，当并入电网的新能源发电规模较大时，其功率波动对电网的影响也就较大，这时候对配电网电压的调整就变得更加困难了，常规的调压方式很可能就无法满足电网正常运行的需求。如图1所示，新能源电站接入电网后馈线电压偏差发生了明显增大，特别是馈线远端，几近越限。因此要制定更加合理、完善的调压方案保证并网前后电压稳定。

3.3 对电网谐波的影响

新能源发电系统中存在大量的电力电子装置，如并网光伏逆变器、风电系统中的交-直-交变频器等。当其并网时，电网中相当于接入了大量易产生谐波的非线性负荷。并且其产生的谐波电流波形不稳定，如果电容器、电抗器发生谐振的话还会使其畸变程度加重[5]。经验表明，即使一台逆变器产生的谐波电流很小，但是多台逆变器并联运行后产生的谐波量也极有可能超标，这给电网稳定运行带来了极大的安全隐患。

新能源发电系统的输出功率波动大，出现间歇性变化会导致谐波的出现。图2、图3所示为PSCAD软件仿真所得风电机组在恒风速/陣风扰动下输出电流频谱图，基本风速设为11m/s，扰动风速为1m/s，扰动周期为0.2s。对比分析可知，当风速不稳定时，输出电流中低次谐波含量大大增加，波形畸变严重。

3.4 对电网频率的影响

电网频率是衡量电能质量的重要指标，频率稳定是电网安全稳定运行的重要前提。如图4所示，当新能源并网的容量较小时，对电网频率的影响也很小，但是随着新能源发电装机规模的越来越大，并网容量占电网总容量的比例也越来越大，新能源机组产生功率波动时就极容易导致电网内发生频率异常波动。以风力发电为例，风电厂的功率波动是符合某一函数关系的，当风电机组的穿透功率为18%，功率波动最严重时频率偏差就会接近允许的偏差极限。

3.5 对电网保护的影响

大规模新能源发电机组接入电网后不但使电网故障几率增大，而且会使配电网的故障特征发生改变，这样原有的馈线的保护都将受到影响，也增加了设置继电保护和自动装置电路的难度。

原本电网是单电源辐射式网络，当新能源系统接入后就变成了双电源或多电源的复杂网络，这样故障电流的大小、流动方向以及持续的时间都将发生改变，原有的继电保护装置可能就不再适用，从而增加了发生保护装置拒动、误动的概率。根据配电网中变压器的接线方式不同，与变压器相连接的逆变器会形成一条额外的接地回路，会影响零序电流的流经路径，当系统发生单相接地故障时未短路相的对地电压会变的更大。这些电量的改变都将影响保护装置的动作特性。

4  优化新能源发电并网的措施

由以上分析可知，新能源并网给公共电网带来的种种问题或多或少都与新能源发电的波动性和间歇性有关。对于自然因素我们当然无能无力，因此应对波动性和间接性主要还是得从新能源发电装置本身或是配电网入手。首先，使用的发电设备在技术性能上必须满足并网标准的需要。比如安装电能质量实时监测装置，对电力系统中的电压波动、电压偏差以及谐波情况进行实时动态监控[6];同时还要安装动态无功补偿装置，该装置一般安装在新能源装置电源低压出线端，也就是并网变压器的低压一侧，这是改善电能质量最常用、最有效的方法之一。一旦监测装置发现电压异常，无功补偿装置可以快速调节无功出力情况，以此维持接入点电压稳定。

针对并网运行产生的谐波污染问题，可以采用多脉冲变流器、安装电力滤波装置，进行主动降低或是被动过滤发电装置产生的谐波电流[7]。在光伏电站中可以采用兼具滤波功能的光伏并网逆变器，在风力电厂中可以在谐波电流含量较高的母线上使用静止无功补偿装置来综合滤除谐波电流。

采用超级电容器也是一种改善电能质量的有效措施。超级电容器是一种新型的储能装置，与蓄电池和普通电容器相比，它的充放电速度更快，功率密度更高，可达102～104 kW/kg。正是基于超级电容器的这种固有特性，它可以快速有效地控制电网的有功功率和无功功率，解决新能源发电装置因环境等因素产生的瞬时电压骤升骤降问题或者是停电问题，有效缓解电压波动。

此外，从配电网入手也是解决并网带来的电能质量问题的重要途径。比如说优化电网结构、合理选择电路的阻抗比。

5 结语

新能源发电具有绿色、清洁、节能环保、可再生的特点，发展潜力巨大。但由于新能源发电的间歇性、波动性，在并网的过程中会给电网电能质量带来一列的不良影响，最主要的就是电压波动、闪变以及谐波问题。解决这些问题主要有两大思路，一是优化新能源发电系统，二是从配电网入手。为保证电网的持续安全稳定运行，推动我国新能源事业的发展，对新型改善电能质量的措施研究必不可少。

参考文献：

[1]陈曈，张伟波，周宇昊，杨帆，李富国，王世朋.分布式能源系统常用储能技术综述[J].能源与环保，2019，41（07）：138-142

[2]孙晓，李妍.新能源并网及储能技术研究综述[J].通信电源技术，2020，37（02）：12-14.

[3]邓超.分布式电源并网对配电网的影响[J].低碳世界，2015，（9）：70-71.

[4]丁明，王伟胜，王秀丽，宋云亭，陈得治，孙鸣.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014，34（01）：1-14.

[5]肖湘宁，罗超，廖坤玉.新能源電力系统次同步振荡问题研究综述[J].电工技术学报，2017，32（06）：85-97.

[6]朱文杰.分布式光伏发电系统的并网技术应用[J].集成电路应用，2020，37（09）：76-77.

[7]宋平凡，佟胜伟，段森园.新能源发电并网对电网电能质量的影响分析[J].通信电源技术，2019，36（12）：139-140.

作者简介：张登义（1970—  ），男，汉族，山西朔州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电气自动化。