分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述

第 34 卷 第 11 期 电 网 技 术 Vol. 34 No. 11 2010 年 11 月 Power System Technology Nov. 2010 文章编号 1000-3673（ 2010） 11-0043-05 中图分类号 TM 61 文献标志码 A 学科代码 4704047 分布式电源及其接入电力系统时 若干研究课题综述 康龙云 1 ，郭红霞 1 ，吴捷 1 ，陈思哲 2 1． 华南理工大学 电力学院，广东省 广州市 510640； 2． 广东工业大学 自动化学院，广东省 广州市 510006） Characteristics of Distributed Generation System and Related Research Issues Caused by Connecting It to Power System KANG Longyun 1 , GUO Hongxia 1 , WU Jie 1 , CHEN Sizhe 2 1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong Province, China; 2. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China ABSTRACT The characteristics of distributed generation DG system are presented in brief. In three aspects, i.e., the construction period and operation period of power grid containing DG and under the situation that accidents occur in the power grid containing DG, some problems caused by connecting DG to power grid and related research issues are discussed. The problems and issues are as following when the proportion of DG in the planning scheme increases, the complexity of power grid evidently raises, and connecting DG to power grid brings the influences in the structure of distribution system, load forecasting, site selection of substations and so on; during the operation of the power grid, DG influences on intrinsic frequency, power flow, voltage oscillation and high-order harmonics of the power grid; the features of power grid containing DG find expression in island effect, system reliability and short-circuit capacity while accidents occur. Present research situation of above-mentioned issues and the direction in the research are expounded. KEY WORDS distributed generation DG; power system planning; electricity consumption forecasting; power quality 摘要 概述了分布式发电系统的特性，从含分布式电源 distributed generation， DG的电力系统建设时期、运行时期 及发生故障时 3 个方面，讨论了 DG 接入到电力系统而带来 的一些问题及相关课题，包括当 DG 在规划方案中的比重 增加时，系统的复杂度成倍增加， DG 的接入还会对配电系 统的结构、负荷预测、变电站的选址等产生影响；电力系统 运行时， DG 对电力系统原有的电网频率、电力潮流及电压 基金项目 国家 863 高技术基金项目 2007AA05Z244；国家自然 科学基金项目 60534040。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program2007AA05Z244; Project Supported by National Natural Science Foundation of China 60534040. 振荡、高次谐波等产生影响；含 DG 电力系统发生故障时的 特征主要表现在孤岛效应及系统可靠性、短路容量上。文中 对上述课题的国内外发展现状及发展方向进行了详细阐述。 关键词 分布式电源；电力系统规划；电量预测；电能质量 0 引言 目前，以煤、石油为主的常规能源为全世界 90以上的电力负荷提供电能，这种常规能源的特 点是集中发电、远距离输电并形成大电网互联。但 其资源有限且对大气的污染也日益严重，造成了全 球的能源紧张和环境恶化。同时大电网存在着供电 模式单一、不能灵活跟踪负荷的变化、局部事故极 易扩散并导致大面积停电等弊端 [1] 。利用风能、太 阳能、生物质能等为代表的清洁、可再生能源为人 类服务，可以改善能源结构，减少环境污染，实现 人与自然的可持续发展。这些清洁的可再生能源大 部分都是以分布式电源 distributed generation， DG 的形式联接到电力系统，与大电网互为支撑，对于 环境保护和增加能源供应有着不可忽视的作用。 现在， DG 以其独特的优势引起世人的注目。 如无污染的可再生新能源发电机，排热可利用的小 型发电机，高信赖度的用户端小型发电机等。随着 科学技术的不断发展， DG 的应用会越来越广泛， 这将给现有的电力系统带来很多新的问题。例如， 可再生分布式发电机发电量的不可控制性及发电 量的不确定性对电力系统的建设与运行带来了诸 多影响 [2-3] 。本文就电力系统中 DG 的接入而带来的 若干问题进行综述分析。 44 康龙云等分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述 Vol. 34 No. 11 1 分布式电源的输出特性 DG 是指容量小并且接近于用户端的发电电 源。一般的 DG 包括太阳能发电、风力发电、水力 发电、生物发电、燃料电池发电、煤油发电机发电、 燃气轮机发电等，一般是以其使用的能源进行分 类。表 1 给出了 DG 的另一种分类方式，即按照其 输出特性进行分类。表中从稳定性和控制性这 2 方 面考虑 DG 的出力特性。其中稳定性指从数 s 到 1 s 之间的输出特性的稳定，可控性是指从外部加入控 制信号时 DG 的经济性、输出特性的可控制程度。 表 1 各种小型电源的分类与输出特性 Tab. 1 Classification and output characteristic of small scale power supply 出力特性 能源 分布式电源 稳定性 可控性 太阳光 差 差 风能 差 差 小水利 好 差 自然能源 生物能 好 较差 燃料电池 好 好 内燃机 好 特好 燃气轮机 好 特好 化石燃料 以上 热能供应 好 中 生活废弃物 垃圾发电 中 中 目前高效节能环保的可再生分布式发电所占 比例越来越大。其中太阳能发电和风力发电是大力 发展的分布式能源之一，二者都是通过发电设备直 接把自然能量转换成电能，所以其输出稳定性很 差。如果把这些自然能源与可储藏的小型水力发电 机或其他可储藏能源、储能电池等相匹配，其输出 的稳定性可以得到很好的改善，并减少其功率波动 对并网系统电能质量的影响 [4-5] 。 2 含分布式电源的电力系统建设时期的课题 2.1 含分布式电源的电力系统规划 DG 作为一种灵活、环保的能源形式在电力系 统中的比重越来越大。随着这种趋势的增加，配电 网络必须考虑与 DG 的配合。当 DG 出现在规划方 案中的比重增加时，大量的随机性使得系统的复杂 度成倍增加 [6] 。配电网规划属于一个动态、多目标、 不确定性的非线性整数规划问题，其动态特性与其 维数相关，通常需要同时考虑几千个节点，若规划 区内出现许多 DG，则使得采用传统的规划方法去 寻找最优网络布置方案非常困难 [7] 。采用具有并行 计算、启发式的柔性和鲁棒性的规划方法是解决含 DG 的电力系统规划问题的主要研究方向。 当前，国内外就含 DG 的电力系统规划问题进 行了一些相关的研究。主要内容包括 DG 在电力网 络中的布点规划和含 DG 的配网扩容规划。由于 DG 的接入使得系统的负荷预测及故障电流的大 小、方向及持续时间及节点电压的变化更加复杂， 因此其规划方法基本以启发式规划为主 [8-9] 。 其主要 的研究方法可以采用蚁群算法、基于代理 Agent 技术的优化等。 2.2 分布式发电系统发电量的预测 预测 DG 的发电量对于电力系统的安全运行很 重要。对于长期投资的分布式发电设备，为了确保 其经济、准确性，需要对发电量进行可靠的中长期 预测，因此必须进行长时间大范围的可靠数据的采 集 年风量或日照量等 。在系统运行过程中，虽然 从天气预报可以得到一定精度的发电量的短期预 测。但为了系统的优化运行，更加准确地预测次日 的风量、风向和阳光照射量的方法也很重要。对于 具有化石燃料的 DG，由于发电量与需要的热量 供 电、供热系统 有紧密的联系，对于热需要量的预测 方法也及其重要。 目前，风电是 DG 中发展最快的。随着风电装 机容量的增加，其对大电网的调度及安全稳定运行 带来很大的影响。为平抑风电出力波动给电网带来 的冲击，如能对风电功率进行比较准确的预测，则 调度部门可根据风电出力预测对调度计划进行实 时调整，从而有效地减轻风电对电网的影响。这样 在电力市场下为风电场参与竞价上网奠定了基础。 目前对风电功率预测的方法很多，根据预测物理量 的不同可分为 2 类 [10] 第 1 类是对风速进行预测， 然后根据风电机组或风电场的功率曲线得到风电 场的输出功率 [11] ；第 2 类是直接预测风电场的输出 功率 [12-13] 。国内大多采用第一类方法进行研究，而 国外大多对第二类方法进行了相关的研究。 关于其他 DG发电量预测的文献很少。文献 [14] 对光伏发电的日照量预测进行了相关的阐述。因 此， DG 发电量的预测研究也是分布式发电系统的 重要内容。 3 含分布式电源的电力系统运行时期的课题 3.1 电网频率调整 DG 分布在配电系统中，用户可根据自身实际需 要安装使用。这将对配电网负荷增长模型产生影响。 传统电力系统的调频任务主要针对负荷的随机变 化及联络线功率控制的需求而设置， DG 的随机性 第 34 卷 第 11 期 电 网 技 术 45 及波动性将给频率调整带来困难，这一困难随着 DG 所占比例的升高将变得更加严重。因此含 DG 的电 力系统在夜间系统容量小或频率调整能力低下的时 候容易产生频率失调。在稳定性差的含 DG 的系统 中，容易产生以 s 或 min 为周期的频率振荡 [15] 。 大电网的频率发生较大变动时，不仅给用户带 来损害，还给电力系统的频率控制体系带来很多问 题。在频率的控制体系中，主要分为抑制长时间频 率变动使其尽量保持一定值的控制体系和突发性 的非平衡供需的保护控制体系 2 种。频率控制体系 是指由于某种原因，电源或负载断线而脱离电力系 统，使电力的供需失去平衡时防止再次带来更大的 电源脱离的一种保护体系 [16] 。目前相关文献主要针 对风力发电并网运行中造成的电网电压、频率变动 进行研究 [17] 。 从电力系统的角度看，系统容量的增加、自动 频率控制 automatic frequency control， AFC或输出 调整能力的扩大等可以作为解决频率变动的一种 方法。从 DG 的角度来看，调节频率变化的方法有 给 DG 附加 AFC 机能，即附加可检出频率变化并能 够调整其输出大小的系统；或者是设置电能贮蓄系 统。因此含 DG 的电力系统的频率调整也是目前研 究的重要课题。 3.2 电力潮流调整和电压变动 随着 DG 并网及其容量的增加，由于其运行方 式和控制特性的不确定性，它们将改变系统潮流的 方向，使得配电网潮流计算的难度增大，一些传统 的计算潮流的工具和方法由于 DG 的接入而失效。 在配电网实际运行和优化计算时，往往需要计算分 段开关和联络开关闭合时的弱环网潮流。不对称 如 单相 DG 引入配电网使得三相潮流的不平衡特性 加重。此时若仍按对称情况来计算配电网潮流分 布，必将产生较大误差。因此需要研究加入 DG 的 弱环配电网三相不对称潮流的计算 [18] 。含 DG 的潮 流计算与通常潮流计算的重要区别是 DG 模型与传 统发电机组模型可能不同。如何在潮流计算中选取 DG 的节点类型也是应考虑的课题 [19] 。 传统的配电网一般呈辐射状，稳态运行状态下 沿馈线潮流方向电压逐渐降低。接入 DG 后，电力 网络由一个放射状网络变为遍布电源和负荷互联 的网络，有功潮流可能由低电压处流向高电压处 广 义上讲是逆潮流 ，使沿馈线的各负荷节点处电压被 抬高，导致一些负荷节点的电压偏移超标。 传统配电系统的潮流是单向的，由电压较高的 输电网流向电压较低的负荷端；所以在无 DG 的系 统中，配电所加入适当的控制措施就可以使全区间 内的电压稳定在适当范围内 220 20 kV。但当配 电线末端加入 DG，系统潮流变为双向。当 DG 容 量大于某一定值时，系统潮流会反向流入配电所， 使得配电所线路各区间的电压逆向升高，因此无法 在配电所控制全区的电压。在这种情况下有必要修 定或重新建立控制保护系统。 从电力系统的角度来看，扩大网络化是增强电 压调整能力的最有效方法。但是电力网络的扩大会 增大短路电流，给电力保护系统带来困难。从 DG 的角度来看，与调整电网频率一样，应根据电力系 统的供给来调整 DG 的输出。若只考虑电压的话， 给 DG 加装电压调整装置等也是控制电压的一种有 效方法。 3.3 电压波动 频率为数 Hz 到 20 Hz 的输出变动，会使电压产 生明显变化，特别是照明灯闪烁或影响某些生产过 程，这种现象叫电压波动。如果并网 DG 由于接入 位置、容量和控制的不合理，常使配电线路上的负 荷潮流变化较大，加大配电网电压的调整难度并使 其发生波动。并网 DG 对配电网电压波动的影响要 视具体情况来定当 DG 与当地负荷协调运行时 负 荷与 DG 输出量同步变化 ， DG 将抑制系统电压的 波动；而 DG 与当地负荷运行不协调时，系统的电 压波动将变得越来越严重，甚至会危及系统的安全。 对于此课题，导入电力储藏系统来抑制电压的波动， 或利用静止无功补偿装置 static var compensator， SVC抑制电压变动是可选的解决方法。 文献 [20]指出对于旋转型 DG 可通过增加系统 短路容量使电压波动受到抑制。而对逆变型 DG， 此方法的作用效果不大。逆变器的短路阻抗虽然很 低，但逆变器的最大电流为其额定电流的 1.52 倍， 它向系统提供的短路电流要远小于同步机等旋转 型设备提供的短路电流，因此在相同的渗透率下， 旋转型 DG 可在很大程度上改善配电网内供电电压 质量问题。 3.4 高频和高次谐波 DG 一般以同步发电机、异步发电机或电力电 子逆变器等 3 种方式并网 [21] 。 DG 接入电力系统时 若采用电力电子逆变器技术，则开关频率的提高和 脉宽调制 pulse width modulation， PWM技术的采 46 康龙云等分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述 Vol. 34 No. 11 用，会发生数百 kHz 的高次谐波，对电网和用户产 生谐波污染。目前抑制谐波的方法有通过改进大 功率变流器的电路拓扑和控制策略来提高电力电 子变流装置的容量，从而达到抑制谐波的目的 [22] ； 采用无源滤波方法抑制谐波；采用不同控制策略的 有源滤波器来抑制谐波污染 [23] 。 4 含分布式电源的电力系统发生故障时的 课题 4.1 孤岛效应 随着大量 DG 并网，从电力系统的角度来看， 一个最大的问题是发生故障时电力系统的局部独 立，即由于某种原因 DG 及其部分用户与电力系统 相脱离， DG 与负荷有可能独立运行而导致局部电 源的频率及电压不稳定。当故障消除后，局部系统 再次接入电网时同步运行的检测点设置问题 频率 差、电压差、相位差等应达到允许范围内 。如对独 立运行的检测过于频繁，则容易产生误操作而出现 强行停止 DG 的问题。如在超高压系统中发生部分 接地故障时，其相位角和频率的振荡可能导致检测 装置的误动作使 DG 脱网，这会给电力系统带来进 一步的更大的频率振荡。这就是孤岛效应，孤岛效 应还对检修人员的人身安全构成威胁 [24-26] 。 对这一问题的解决必须采取局部系统的独立运 行检测方法，设立各用户的独立运行检测装置。检 测孤岛效应的方法有被动检测法和主动检测法。被 动检测利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、 相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。若分布式系 统的输出功率与局部负载功率相平衡，这种方法就 失效了。主动式孤岛检测方法利用控制逆变器使其 输出功率、频率或相位存在一定的扰动，在电网正 常工作时，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障， 逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从 而触发孤岛效应检测电路。不管采用什么方法，孤 岛效应总是存在一些检测盲区，国内外对这个问题 进行了相关的研究，但这一直也是研究的重点 [27-28] 。 4.2 系统短路容量及可靠性的研究 DG 接入合理并与系统能协调运行则有利于提 高系统的可靠性，比如 DG 作为后备电源，在系统 停电时为用户提供能量、缓解配电网的过负荷 [29] 。 当 DG 接入容量较小时，在线路或系统出现任何故 障均能快速无选择切除 DG 的前提下， DG 不会对 原线路保护产生负面影响，因此无需更改原有线路 保护的整定值 [30] 。随着并网 DG 容量的增加，发生 故障时，含并网 DG 的电流分布与不含并网 DG 的 电流分布有很大的区别。所以要重新调整保护的时 间，限制调节器等 [31] 。 DG 的容量、渗透率及系统的接口方式等因素 会使含并网 DG 的电力系统短路电流相应增加， DG 通过旋转发电机并网时，其短路电流会成倍增加。 当 DG 接入的配电网侧装有逆功率继电器，正常运 行时不会向电网注入功率，但配电网故障时短路瞬 间，会有 DG 电流注入电网导致断路器的开断能力 不足而不能有效切除故障，使故障扩大危及整个系 统的安全运行。 5 结语 含 DG 的电力系统课题还有很多，包括电力市 场环境下的能量管理课题、含 DG 的电力系统优化 调度等课题。从环境及能源的角度看， DG 在电力 系统中的比重将会越来越大。从用户、 DG 及电力 系统这 3 个方面来考虑 DG 及其并网系统的控制是 很重要的。因此，提高其输出的稳定性和可控制性 是 DG 今后发展的方向。同时 DG 的上网电价、发 电效率、发电成本等问题也有待于进一步的研究。 随着 DG 关键技术的解决、 DG 性能不断改善及政 策面的倾向，其应用范围将不断扩大，将在能源综 合利用上占有十分重要的地位。 致 谢 本文得到了广东省绿色能源技术重点实验室 项目 2008A060301002的资助，在此表示衷心感谢。 参考文献 [1] 梁才浩，段献忠．分布式发电及其对电力系统的影响 [J]．电力系 统自动化， 2001， 256 53-56． Liang Caihao， Duan Xianzhong． Distributed generation and its impact on power system[J]． Automation of Electric Power Systems， 2001， 256 53-56in Chinese． [2] Wang Caisheng， 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