分布式電源應用若干問題解答

　　引言

　　近年來，對分布式電源應用與消納的關注越來越高，分布式電源對配電網的影響，分析鼠籠異步發電機和雙饋異步發電機的短路電流特性，研究光伏發電系統的動態仿真模型，論述光伏發電系統的并網逆變器結構及其控制策略，研究光伏逆變器附加電能質量控制的方法，以及變流器型分布式電源和電機型分布式電源的短路電流特性和對配電網故障處理的影響。

　　上述成果大大提高了對分布式電源接入配電網的影響的認識水平，但是對于提高配電網對分布式電源的消納能力的研究，大都集中在借助通信網絡的協調控制方式，而對于不依賴通信手段的消納方式的研究尚顯不足。此外，在太陽能利用方面，有必要將分布式屋頂光伏發電與已經廣泛應用的家庭太陽能熱水器進行對比分析，探索在現有技術水平下如何更好地利用太陽能達到節能減排的目的。

　　1、分布式電源接入配電網的影響

　　一般認為分布式電源接入配電網后，會對繼電保護、配電自動化故障處理和電壓質量等方面產生影響。

　　1.1、對繼電保護的影響

　　分布式電源可分為電機并網型和逆變器并網型兩類，電機并網型分布式電源所能提供的短路電流一般不超過其額定容量的10倍，逆變器并網型分布式電源所能提供的短路電流一般不超過其額定容量的1.5倍。

　　饋線發生相間短路故障時，來自主網的短路電流、同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線上分布式電源提供的短路電流都將流向故障點。為了維持10kV母線電壓穩定，配電網的系統短路容量一般都遠遠大于饋線上分布式電源的容量，因此來自主網的短路電流一般遠遠大于分布式電源提供的短路電流，容易實現主網側繼電保護配合，而分布式電源側則需要通過反孤島措施（如低電壓脫網）與故障區域解除聯系。

　　1.2、對配電自動化故障處理的影響

　　饋線發生相間短路故障時，來自主網的短路電流、同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流以及故障所在饋線上故障上游分布式電源提供的短路電流都將流向故障區域的上游入點，而故障區域的下游出點也會流過饋線上故障下游分布式電源提供的短路電流。一般認為若流過故障區域的下游出點的短路電流接近流過故障區域的上游入點的短路電流，則會破壞配電自動化故障定位策略。但是，正如上節所述，來自主網的短路電流一般遠遠大于分布式電源提供的短路電流，而且同母線其他饋線上分布式電源提供的短路電流還會助增流過故障區域的上游入點的短路電流，也即流過故障區域的上游入點的短路電流會遠遠大于流過故障區域的下游出點的短路電流，很容易設置一個定值將它們區分開來，因此一般不會對傳統配電自動化系統的故障定位產生影響，換言之，已經建成的配電自動化系統并不需要因分布式電源大規模接入而推倒重來。

　　1.3、對電壓質量的影響

　　分布式電源的接入對饋線的電壓具有抬升作用，而且對于出力受自然因素影響的分布式電源（如光伏、風電等），由于其波動性還會產生電壓波動，并且對其接入點的電壓抬升作用和電壓波動作用最大。對于接入多臺分布式電源的饋線，其沿線電壓分布就如同在各個分布式電源處分別由一個小棍頂著一般，在各個分布式電源的接入點形成一個個電壓極值點，見圖1。圖中，S為該饋線的變電站出線斷路器，A、B和C為分段開關，DG為分布式電源，曲線縱軸U代表沿線電壓。

　　圖1 一條含分布式電源饋線沿線的電壓分布

　　考慮到饋線的單位長度阻抗較大，因此分布式電源的接入對電壓偏差和電壓波動的影響比較明顯，是制約配電網對分布式電源消納能力的關鍵因素。

　　2、配電網對分布式電源的消納能力

　　制約配電網對分布式電源消納能力的關鍵是分布式電源接入后產生的電壓偏差和電壓波動，而并非其對繼電保護、配電自動化故障處理等的影響。

　　2.1、對分布式電源的3種控制策略

　　在分布式電源接入容量不是很大的情況下，即使不對其采取任何控制措施，配電網也有比較強的消納能力，這種消納方式，稱為自由消納方式。

　　在分布式電源接入容量超出自由消納能力的情況下，首先可以考慮在較大容量的分布式電源中駐入本地控制策略，而不必借助通信網絡和協調控制，而僅僅根據分布式電源本地采集到的接入點實時電壓信息，對其輸出的無功功率或有功功率進行本地調節，以滿足輕載或重載條件下的電壓偏差不致越限的要求，這種消納方式，稱為本地控制消納方式。

　　在分布式電源接入容量超出本地控制消納能力的情況下，不得已而必須考慮借助通信網絡，對若干大容量分布式電源甚至可控負荷進行協調控制，以滿足電壓約束條件，這種消納方式，稱為協調控制消納方式。

　　在實際應用中，應優先采用自由消納方式，在其不能全面滿足要求時宜采用本地控制消納方式，自由消納方式和本地控制消納方式的消納能力很強，應該可以解決絕大多數問題，實在不得已才采用協調控制消納方式，因為協調控制消納方式依賴通信通道，使配電網變得比較脆弱。

　　由于協調控制消納方式已有大量文獻報道，本文不再贅述，而僅對自由消納方式和本地控制消納方式進行論述。

　　2.2、自由消納方式下的消納能力

　　研究分析表明，做好分布式電源接入規劃（如根據分布式電源容量的不同恰當選擇接入電壓等），盡量做到“大馬拉小車”，則即使不對分布式電源采取任何控制措施，配電網也有比較強的消納能力。

　　在不對分布式電源采取任何控制措施的條件下，分布式電源可接入容量必須同時滿足3個約束條件（即分布式電源接入配電網引起的最大電壓上偏差值與最大電壓波動值不越限，以及無分布式電源接入配電網時單純由負載引起的最大電壓下偏差值不越限），這3條曲線共同圍成的陰影部分區域就是不對分布式電源采取任何控制措施的條件下分布式電源的可接入容量范圍［11］，見圖2。圖中，PDG和PL分別表示分布式電源的容量和負荷功率。

　　圖2 分布式電源允許接入的容量范圍

　　例如，對于一條負荷功率沿饋線遞增分布、分布式光伏電源容量沿饋線均勻分布的饋線，采用YJV-120型電纜，在容載比為75%的情況下，分布式光伏電源的允許接入容量范圍如圖3中陰影區域所示。圖中，PPV表示分布式電源的容量。由圖可見，即使不對分布式電源進行控制，饋線對其的消納能力也很大。

　　圖3 分布式光伏電源允許接入的容量范圍

　　2.3、本地控制消納方式

　　饋線沿線電壓在各個分布式電源的接入點形成一個個電壓極值點，因此只要采取本地控制策略，使這些極值點的電壓滿足電壓約束，則一般可使整條饋線的電壓滿足電壓約束要求，這就是本地控制消納方式具有可行性的理論依據。

　　由于調節無功功率對電壓幅值的調節效果比較明顯，而且為了充分利用自然資源提供有功功率和保護分布式電源業主的利益，本地控制宜在保證有功功率的前提下，在剩余容量允許的范圍內以調節分布式電源的無功功率為優先，在無功功率調節到剩余容量極限還不能解決電壓偏差問題的情況下（或該分布式電源只能提供有功功率），再對分布式電源的有功功率進行調節。

　　本地控制策略可以采用模糊控制方法，在電壓越限時，根據實時電壓信息進行反復調節，直至滿足電壓約束要求為止（注意，只要滿足允許的電壓偏差范圍即可，而不可追求接近額定電壓）。

　　值得一提的是，對分布式電源進行本地控制，不僅可以提高配電網對分布式電源的消納能力，而且可以充分利用分布式電源所具有的可以根據需要發出感性無功功率或容性無功功率、并且可以連續調節無功功率輸出的特點，實現配電網無功電壓控制，解決低電壓和過電壓問題，由于是利用變流器的剩余容量提供所需的無功功率，因此一般不影響自然資源的利用和有功功率輸出。

　　3、太陽能熱水器與城市家庭分布式屋頂光伏比較

　　光伏發電并非是完美的“綠色能源”，因為光伏電池的制備既是高污染又是高耗能產業，在中國產能嚴重過剩。

　　太陽能熱水器早已在我國廣泛應用，對于1臺太陽能熱水器，按照容量60L、每天將水溫從20℃升高到80℃計算，每天轉化的熱能正好對應 3600kWs，即1kWh（1度電）的能量，將其折合為電能，并考慮到80%的轉換效率，則一天可節省電能約1.3度。而一臺太陽能熱水器的可利用面積大約為1m2，按照現在的技術水平裝設100W容量的光伏電池，每天的利用小時數按照3h計算，一天才能發出300Wh，即0.3kWh（0.3度電）電能。

　　可見，在對太陽能的利用方面，太陽能熱水器遠比光伏發電效率高。另外，由于電熱水器是居民家庭的主要負荷之一，采用太陽能熱水器后的節能效果是會比較明顯的；而且對于城市家庭而言，其居所大多為高層樓宇，每戶擁有的樓頂面積非常有限，安裝光伏發電設施遠不如安裝太陽能熱水器，并且在支撐夜間用電的情況下，光伏發電還需要配套儲能裝置，使其更加不經濟［12］。

　　因此，當前技術水平下，對于城市家庭而言，太陽能熱水器可以等效為一個虛擬太陽能發電廠，對于節能減排可以發揮出更加積極的作用。當然，在非居民建筑，如工業企業、商店、學校、寫字樓等的樓頂或屋面發展光伏發電，仍具有一定的可行性和應用價值。

　　4、結語

　　分布式電源接入配電網后對短路電流、繼電保護、配電自動化故障處理、諧波和損耗的影響比較容易應對，對電壓偏差和電壓波動的影響比較明顯，是制約配電網對分布式電源消納能力的關鍵因素。

　　消納分布式電源有3種策略，只要能夠做到“大馬拉小車”，自由消納方式也具有很強的消納能力，應優先考慮采用；在其不能全面滿足要求時宜采用本地控制消納方式；實在不得已才采用協調控制消納方式，因為其依賴通信通道會使配電網變得比較脆弱。

　　對于城市家庭而言，每戶屋頂面積較小，且太陽能熱水器的效率更高，因此太陽能熱水器比屋頂光伏發電更合適，它可以等效為一個虛擬太陽能發電廠，對于節能減排可以發揮出更加積極的作用。