智能配電網(wǎng)之分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

(3) 影響重合閘的成功率。在線路發(fā)生故障時,如果在主系統(tǒng)側(cè)斷路器跳開時DER 繼續(xù)給線路供電,會影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功。如果在重合閘時,DER 仍然沒有解列,則會造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發(fā)電設(shè)備帶來危害。

(4) 影響備用電源自投。如果在主系統(tǒng)供電中斷時,DER 繼續(xù)給失去系統(tǒng)供電的母線供電,則由于母線電壓繼續(xù)存在,會影響備用電源自投裝置的正確動作。

3) 對短路電流水平的影響。直接并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)都會增加配電網(wǎng)的短路電流水平,因此提高了對配電網(wǎng)斷路器遮斷容量的要求。

4) 對配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電輸出的電能具有間歇性特點(diǎn),會引起電壓波動。通過逆變器并網(wǎng)的DER ,不可避免地會向電網(wǎng)注入諧波電流,導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)畸變。

3. 3 分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)運(yùn)行管理的影響

1) DER 的接入,會增加配電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行管理的復(fù)雜性。風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等輸出的電能具有很大的隨機(jī)性,而用戶自備DER 一般是根據(jù)用戶自身需要安排機(jī)組的投切;這一切給合理地安排配電網(wǎng)運(yùn)行方式、確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)帶來困難。

2) DER 的接入,給配電網(wǎng)的施工與檢修維護(hù)帶來了影響。由于難以對眾多的DER 進(jìn)行控制,停電檢修計劃安排的難度增加,配電網(wǎng)施工安全風(fēng)險加大。

3. 4 分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營的影響

DER 的大量應(yīng)用,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營帶來了新挑戰(zhàn)。

1) 對配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、負(fù)荷預(yù)測的影響。由于大量的用戶安裝DER 為其提供電能,使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員難以準(zhǔn)確地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,進(jìn)而影響配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。

2) 分布式發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)問題。由于DER的接入,特別是對于自備DER 的用戶,為保證其自備DER 停運(yùn)時仍能正常用電,供電企業(yè)需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業(yè)的設(shè)備投資與運(yùn)行成本,這些費(fèi)用理應(yīng)有一部分由DER 業(yè)主來分擔(dān)。因此,需要完善電價政策,合理地調(diào)整供電企業(yè)與DER 業(yè)主的利益。

4 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

4. 1 分布式電源并網(wǎng)基本技術(shù)要求

為確保配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和供電質(zhì)量,DER并網(wǎng)要滿足以下基本要求。

1) 保證配電網(wǎng)電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。

2) 配電設(shè)備正常運(yùn)行電流不超過額定值,動熱穩(wěn)定電流不超過允許值。

3) 短路容量不超過開關(guān)、電纜等配電設(shè)備的允許值。

4) 電能質(zhì)量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規(guī)定值。

4. 2 分布式電源接入方案的選擇

DER 并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響與DER 的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級有關(guān)。一般情況下,DER 容量在250 kVA 以內(nèi)的接入380 V/ 400V 低壓電網(wǎng); DER 容量在1 ～ 8 MVA 的接入10 kV等級中壓電網(wǎng);DER 容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網(wǎng)。具體接入方式一般是大容量的DER 通過聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上,如圖2 (a) 所示。對于小型的DER ,為減少并網(wǎng)投資,就近并在配電線路上,如圖2 (b) 所示。

圖2 DER 接入配電網(wǎng)的方式

美國電氣電子工程師協(xié)會( IEEE) 的第21 標(biāo)準(zhǔn)化工作組起草的DER 并網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)中,定義了以下兩個參數(shù)來衡量DER 并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響。

1) 剛度系數(shù),指配電網(wǎng)中DER 接入點(diǎn)的設(shè)計短路電流與DER 額定電流的比值。

2) 短路電流貢獻(xiàn)比,指配電網(wǎng)在DER 接入點(diǎn)發(fā)生短路時,來自DER 的短路電流與來自配電網(wǎng)的短路電流的比值。

剛度系數(shù)越大,短路電流貢獻(xiàn)比越小,則配電網(wǎng)運(yùn)行電壓與短路電流受DER 并網(wǎng)的影響越小。一般認(rèn)為,如果剛度系數(shù)大于20 ,則DER 并網(wǎng)不會對配電網(wǎng)運(yùn)行帶來實(shí)質(zhì)性影響。

在我國,熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電與小水力發(fā)電有著很廣泛的應(yīng)用,它們一般是并到配電變電所的母線上。這些DER (小電源) 的并網(wǎng)以及保護(hù)控制技術(shù)已比較成熟,有大量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程可供參考。近年來,太陽能光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等容量在數(shù)百千瓦及以下的小型分布式電源有了很大發(fā)展,為降低成本,它們一般是就近接到配電線路上,這些小型DER 的并網(wǎng)及其保護(hù)控制技術(shù)還需進(jìn)一步探討。

為減少投資、簡化工作程序與運(yùn)行管理,一些國家的供電企業(yè)對于小型DER 并網(wǎng)采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原則,即忽略其對配電網(wǎng)安全性、供電質(zhì)量與保護(hù)控制方式的影響。為達(dá)到這一目的,需要對DER 的接入容量做出嚴(yán)格限制。例如, 美國對于小型( 容量小于200kVA) DER 的并網(wǎng), 供電企業(yè)要求接入線路的DER 總?cè)萘啃∮诰€路最小負(fù)荷的10 %。

4. 3 分布式電源并網(wǎng)保護(hù)

分布式電源并網(wǎng)保護(hù)除分布式電源機(jī)組的保護(hù)外,主要是配備孤島運(yùn)行保護(hù),簡稱孤島保護(hù)。

“孤島”是指配電線路或部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接斷開后,由分布式電源獨(dú)立供電形成的配電網(wǎng)絡(luò)。如圖2 (a) 中,變壓器低壓側(cè)斷路器QF1 跳開后,分布式電源和母線上其他線路形成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)就是一個孤島。這種意外的孤島運(yùn)行狀態(tài)是不允許的,因?yàn)槠涔╇婋妷号c頻率的穩(wěn)定性得不到保障,并且線路繼續(xù)帶電會影響故障電弧的熄滅、重合閘的動作,危害事故處理人員的人身安全。對于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的電網(wǎng)來說,一部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)脫離后,可能會失去接地的中性點(diǎn),成為非有效接地系統(tǒng),這時孤島運(yùn)行就可能引起過電壓,危害設(shè)備與人身安全。

在DER 與配電網(wǎng)的連接點(diǎn)上,需要配備自動解列裝置,即孤島保護(hù)。在檢測出現(xiàn)孤島運(yùn)行狀態(tài)后,迅速跳開DER 與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。一般來說,在孤島運(yùn)行狀態(tài)下,DER 發(fā)電量與所帶的負(fù)荷相比,有明顯的缺額或過剩,從而導(dǎo)致電壓與頻率的明顯變化,據(jù)此可以構(gòu)成孤島運(yùn)行保護(hù)。孤島保護(hù)的工作原理主要有以下3 種。

1) 反應(yīng)電壓下降或上升的欠壓/ 過壓保護(hù)。

2) 反應(yīng)頻率下降或上升的頻率變化率保護(hù)。

3) 反應(yīng)前后兩個周波電壓相量變化的相量偏移保護(hù)。

反映頻率變化率的孤島保護(hù)在電力系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額導(dǎo)致頻率下降時也可能動作,這導(dǎo)致在電力系統(tǒng)最需要功率支持的時候切除DER ,使電網(wǎng)情況更為惡化。因此,實(shí)際應(yīng)用中不宜將低頻解列保護(hù)整定得過于靈敏,以避免這種不利局面的發(fā)生。

在線路故障切除后,重合閘時間需要與孤島運(yùn)行保護(hù)配合,其等待時間要確保DER 解列并留有足夠的故障點(diǎn)熄弧時間。

4. 4 DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家已對DER 并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。英國電力協(xié)會( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就發(fā)布了《G59/ 1 嵌入式發(fā)電并入地區(qū)配電網(wǎng)的推薦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》;國際電氣電子工程師協(xié)會( IEEE) 于2003 年6 月發(fā)布了“DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std. 1547”,2003 年10 月該標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)。在我國,上海市電力公司和上海燃?xì)饧瘓F(tuán)公司聯(lián)合制定了《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》,上海市政府于2005 年8 月發(fā)文要求在全市范圍內(nèi)貫徹實(shí)施這一規(guī)程。但總體來說,我國在這方面的工作還比較滯后。特別是接入配電線路的DER 的并網(wǎng)問題,沒有可供參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,急需啟動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

5 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

以上介紹的DER 并網(wǎng)技術(shù)是“有限接入”,即對于接入容量等做出嚴(yán)格限制。為了充分利用可再生能源,必須實(shí)現(xiàn)DER 并網(wǎng)的“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網(wǎng)概念提出的根本原因之一,智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,將使這問題能得到較好地解決。隨著DER 的大量接入,配電網(wǎng)就由傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展成為有源網(wǎng)絡(luò),當(dāng)前,涉及這方面的技術(shù)研究主要有微電網(wǎng)技術(shù)與虛擬發(fā)電廠技術(shù)。