智能配電網之分布式電源并網技術

(3) 影響重合閘的成功率。在線路發生故障時,如果在主系統側斷路器跳開時DER 繼續給線路供電,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,并給分布式發電設備帶來危害。

(4) 影響備用電源自投。如果在主系統供電中斷時,DER 繼續給失去系統供電的母線供電,則由于母線電壓繼續存在,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。直接并網的發電機都會增加配電網的短路電流水平,因此提高了對配電網斷路器遮斷容量的要求。

4) 對配電網供電質量的影響。風力發電、太陽能光伏發電輸出的電能具有間歇性特點,會引起電壓波動。通過逆變器并網的DER ,不可避免地會向電網注入諧波電流,導致電壓波形出現畸變。

3. 3 分布式電源并網對配電網運行管理的影響

1) DER 的接入,會增加配電網調度與運行管理的復雜性。風力發電、太陽能光伏發電等輸出的電能具有很大的隨機性,而用戶自備DER 一般是根據用戶自身需要安排機組的投切;這一切給合理地安排配電網運行方式、確定最優網絡運行結構帶來困難。

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

3. 4 分布式電源對配電網規劃建設與經營的影響

DER 的大量應用,給配電網的規劃建設與經營帶來了新挑戰。

1) 對配電網規劃設計、負荷預測的影響。由于大量的用戶安裝DER 為其提供電能,使得配電網規劃人員難以準確地進行負荷預測,進而影響配電網規劃的合理性。

2) 分布式發電并網的經濟問題。由于DER的接入,特別是對于自備DER 的用戶,為保證其自備DER 停運時仍能正常用電,供電企業需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業的設備投資與運行成本,這些費用理應有一部分由DER 業主來分擔。因此,需要完善電價政策,合理地調整供電企業與DER 業主的利益。

4 分布式電源并網技術

4. 1 分布式電源并網基本技術要求

為確保配電網的安全運行和供電質量,DER并網要滿足以下基本要求。

1) 保證配電網電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。

2) 配電設備正常運行電流不超過額定值,動熱穩定電流不超過允許值。

3) 短路容量不超過開關、電纜等配電設備的允許值。

4) 電能質量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規定值。

4. 2 分布式電源接入方案的選擇

DER 并網對配電網的影響與DER 的容量以及接入配電網的規模、電壓等級有關。一般情況下,DER 容量在250 kVA 以內的接入380 V/ 400V 低壓電網; DER 容量在1 ～ 8 MVA 的接入10 kV等級中壓電網;DER 容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網。具體接入方式一般是大容量的DER 通過聯絡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 接入配電網的方式

美國電氣電子工程師協會( IEEE) 的第21 標準化工作組起草的DER 并網系列標準中,定義了以下兩個參數來衡量DER 并網對配電網的影響。

1) 剛度系數,指配電網中DER 接入點的設計短路電流與DER 額定電流的比值。

2) 短路電流貢獻比,指配電網在DER 接入點發生短路時,來自DER 的短路電流與來自配電網的短路電流的比值。

剛度系數越大,短路電流貢獻比越小,則配電網運行電壓與短路電流受DER 并網的影響越小。一般認為,如果剛度系數大于20 ,則DER 并網不會對配電網運行帶來實質性影響。

在我國,熱電聯產發電與小水力發電有著很廣泛的應用,它們一般是并到配電變電所的母線上。這些DER (小電源) 的并網以及保護控制技術已比較成熟,有大量的技術標準、規程可供參考。近年來,太陽能光伏發電、微型燃氣輪機發電等容量在數百千瓦及以下的小型分布式電源有了很大發展,為降低成本,它們一般是就近接到配電線路上,這些小型DER 的并網及其保護控制技術還需進一步探討。

為減少投資、簡化工作程序與運行管理,一些國家的供電企業對于小型DER 并網采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原則,即忽略其對配電網安全性、供電質量與保護控制方式的影響。為達到這一目的,需要對DER 的接入容量做出嚴格限制。例如, 美國對于小型( 容量小于200kVA) DER 的并網, 供電企業要求接入線路的DER 總容量小于線路最小負荷的10 %。

4. 3 分布式電源并網保護

分布式電源并網保護除分布式電源機組的保護外,主要是配備孤島運行保護,簡稱孤島保護。

“孤島”是指配電線路或部分配電網與主網的連接斷開后,由分布式電源獨立供電形成的配電網絡。如圖2 (a) 中,變壓器低壓側斷路器QF1 跳開后,分布式電源和母線上其他線路形成的獨立網絡就是一個孤島。這種意外的孤島運行狀態是不允許的,因為其供電電壓與頻率的穩定性得不到保障,并且線路繼續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。對于中性點有效接地系統的電網來說,一部分配電網與主網脫離后,可能會失去接地的中性點,成為非有效接地系統,這時孤島運行就可能引起過電壓,危害設備與人身安全。

在DER 與配電網的連接點上,需要配備自動解列裝置,即孤島保護。在檢測出現孤島運行狀態后,迅速跳開DER 與配電網之間的聯絡開關。一般來說,在孤島運行狀態下,DER 發電量與所帶的負荷相比,有明顯的缺額或過剩,從而導致電壓與頻率的明顯變化,據此可以構成孤島運行保護。孤島保護的工作原理主要有以下3 種。

1) 反應電壓下降或上升的欠壓/ 過壓保護。

2) 反應頻率下降或上升的頻率變化率保護。

3) 反應前后兩個周波電壓相量變化的相量偏移保護。

反映頻率變化率的孤島保護在電力系統功率出現缺額導致頻率下降時也可能動作,這導致在電力系統最需要功率支持的時候切除DER ,使電網情況更為惡化。因此,實際應用中不宜將低頻解列保護整定得過于靈敏,以避免這種不利局面的發生。

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

4. 4 DER并網技術標準

一些工業發達國家已對DER 并網的技術標準進行制定。英國電力協會( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就發布了《G59/ 1 嵌入式發電并入地區配電網的推薦技術標準》;國際電氣電子工程師協會( IEEE) 于2003 年6 月發布了“DER并網技術標準IEEE Std. 1547”,2003 年10 月該標準被批準為國家標準。在我國,上海市電力公司和上海燃氣集團公司聯合制定了《分布式供能系統工程技術規程》,上海市政府于2005 年8 月發文要求在全市范圍內貫徹實施這一規程。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 的并網問題,沒有可供參考的技術標準、規范,急需啟動有關標準的制定工作。

5 分布式電源并網技術的發展

以上介紹的DER 并網技術是“有限接入”,即對于接入容量等做出嚴格限制。為了充分利用可再生能源,必須實現DER 并網的“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網概念提出的根本原因之一,智能電網技術的發展,將使這問題能得到較好地解決。隨著DER 的大量接入,配電網就由傳統的無源網絡將發展成為有源網絡,當前,涉及這方面的技術研究主要有微電網技術與虛擬發電廠技術。