分布式發電的配電網探討范文

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《電氣制造雜志》2014年第七期

1發展DG的重要意義

l）經濟性。分布式發電可用發電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的梯級利用，從而可提高能源的利用效率(達70%~90%)。由于分布式電源的并網，減少或緩建了大型發電廠和高壓輸電網，從而節約投資。同時，也使得輸配電網的潮流減少，相應地降低了網損。2）環保性。因分布式發電通常采用天然氣做燃料或以氫氣、太陽能或風能為能源，故可減少有害物的排放總量，減輕環保的壓力。大量就近供電減少了大容量遠距離高電壓輸電線的建設，由此不但減少了高壓輸電線的電磁污染，也減少了高壓輸電線的征地面積和線路走廊，減少了樹木的砍伐，有利于環保。3）能源利用的多樣性。分布式發電可利用多種能源，如清潔能源(天然氣)、新能源（氫）和可再生能源（風能和太陽能等），并同時為用戶提供冷、熱應用方式，因此是解決能源危機、提高能源利用效率和能源安全問題的一種很好的途徑。4）調峰作用。夏季和冬季往往是負荷的高峰時期，此時如采用以天然氣為燃料的燃氣輪機等熱電冷三聯供系統，不但可解決夏季的供冷與冬季的供熱需要，同時也提供了一部分電力，由此可對電網起到削峰填谷作用。此外，也部分解決了天然氣供應時的峰谷差過大問題，發揮了天然氣與電力的互補作用。5）安全性和可靠性。當大電網出現大面積停電事故時，具有特殊設計的分布式發電系統仍能保持正常運行，由此可提高供電的安全性和可靠性。6）有助于電力市場的建設。分布式發電可以適應電力市場發展的需要、由多家集資辦電的分步式發電，能夠發揮電力建設市場、電力供應市場的競爭機制，促進電力市場的進一步開放，且能滿足供電方對經濟性以及用電方對供電可靠性的更高要求。

2DG對電網的影響

2.1DG在配電側的規劃

DG是以資源和環境效益最大化、以能源利用效率最大化來確定方式和容量的新型能源系統，這與國外的電源規劃普遍采用按發電機組優化的模型是有所區別的。DG規劃在電力市場環境下，既要滿足追求經濟利益，也要倡導置身電力環保。由于DG的引入影響到配電網的節點電壓、線路潮流、短路電流和網絡可靠性等多方面，且其影響程度與DG的位置和容量密切相關，因此在規劃方案中，必須要合理選擇DG的位置和容量以便充分發揮DG的效益。文獻[3]基于DG對配電系統的電壓穩定性具有重要影響這一特點，建立了一種考慮靜態電壓穩定約束的分布式發電規劃模型，提出了基于遺傳算法的模型求解方法。該方法隨著規劃的系統規模變大，優化的整數變量維數提高，導致計算量非常大，且該方法采用的是編號來表述分布式電源的額定容量，有一定的誤差。為了提高計算速度，文獻[4]引入了啟發式算法來簡化變量的復雜性。它以DG投資費用和向輸電網購電費用最小為優化目標對聯網DG系統進行規劃，確定各DG類型最優投入容量，但它沒有考慮分布式電源如何在系統中接入到合適位置。文獻[5]建立了含分布式電源的配電網擴展規劃模型。以配電網擴展費用、DG發電費用和從常規電源購電費用之和最小為目標函數，考慮到遺傳算法的全局搜索能力強，因此也是采用遺傳算法來求解分布式電源位置和容量。文獻[6]鑒于孤島運行可最大化利用DG發電能力并提高供電可靠性這一優點，探討了分布式電源在孤立電網的規劃模型。文獻[7]指出了分布式電源在配電網規劃中需要解決的幾大問題，并將DG的規劃分為兩種情況：在電力網絡中的布點規劃和考慮DG的配電網擴展規劃。文中以線路平均功率損耗最小目標函數分析確定分布式電源在徑向饋線上的最佳位置；對于DG在網狀結構中位置的確定，則是通過比較DG安裝在不同母線上時的潮流損耗的大小來判斷的。文中的分析沒有考慮分布式電源的容量的最優化配置問題，且其模型的建立也比較簡單，忽略了地理因素和經濟性。地理因素對于DG在配電側的規劃是很重要的。除了上面這些方法，本文提出基于GIS信息系統的分布式電源在配電側的規劃。采用GIS信息系統，可以更直觀地知道哪些地方適合安裝什么類型的DG，所安裝的容量應該限制在什么范圍，以及配網擴展增容時哪些地方可以適合再安裝DG等，從而能簡化遺傳算法搜索的復雜性和費時性。需要指出的是配電網中引入少量的DG對整個電網不會構成太大的影響。只有當電網中存在較多的DG或大容量的DG單元時，一旦DG的引入不當則有可能影響系統的可靠性和穩定性，并使電能質量惡化。因此，DG在電網中的滲透極限是多少，電網對具有很強隨機性的發電裝置（如風力發電裝置）的承載極限是多少，這些問題在今后的規劃中都應該考慮。

2.2DG在配電側的運行分析

2.2.1含有DG單元的系統建模分布式供電系統接入配電網，使得原有的配電系統由一個單電源輻射狀網絡變為一個高度交叉聯接的遍布電源和用戶的互聯網絡，因此研究各分布式電源接入配電網的模型是研究分布式供能系統的配電網運行與控制特性的基礎。文獻[8]將分布式供能系統分為分布式電源和分布式儲能系統，根據它們不同的發電原理綜述了各自接入電網的數學模型。準確地預測風力機的功率輸出是建立風機模型的關鍵。風機模型的功率輸出取決于風速。目前一般采用Weibull模型來對風速進行描述統計。并網風機一般使用異步風機，文獻[9]給出異步風機的P-Q-V模型，如圖1所示。通過對圖1的分析，考慮轉差，得出風機輸出功率、功率因數的表達式，并推出轉差S的表達式，在給定風速的情況下，就可以得到風機在每個時刻輸出的有功功率和吸收的無功功率，并據此推算出功率因數。通過并聯電容器的實時投切，就可以使功率因數限制在允許范圍內。太陽能光伏發電的隨機特性建模則與光照強度密切相關。一般光照強度由Beta分布來模擬，因此輸出功率也滿足Beta分布。除此外，文獻[10]還給出了單個光伏電池的數學模型，如圖2所示。串聯的光伏電池數為n，并聯模塊數為m的光伏陣列輸出功率為燃料電池輸出的電能為直流，與配電網連接時需要通過逆變器控制轉化為交流，它接入配電網的模型如圖3所示。Us是配網側電壓，通過逆變器控制參量m，δ來控制有功功率和無功功率的輸出，與常規發電機調節功率的原理類似，在潮流計算中作PU節點來處理。蓄電池是目前最重要的分布式儲能裝置，它接入配電網的模型如圖4所示。蓄電池本身的電流是直流點，接入電網需要使用換流器。一般通過控制相差和逆變器的輸出幅值來調節蓄電池與電網的有功功率和無功功率的交換。為便于對電網的運行和控制進行分析，從系統的觀點而言，需要對不同發電原理的分布式電源構建一個統一的模型。文獻[11]采用統計學的ISing模型建立一種包含大量DG單元的超大型電網數學模型方法。但是DG的不確定性及形式容量的多樣性的建模研究成果目前還并不多。

2.2.2計及DG的潮流計算電力系統運行情況的分析首先要對系統進行潮流計算。在各種分布式供電模型建立后，則需要開始計算潮流。獨立性和隨機性是分布式發電的主要特性，傳統配電網運用的確定性潮流算法已經不能反映系統的全面情況，必須采取新的解決方法，本文簡單闡述如下兩種方法及原理。一是利用負荷跟蹤控制保證饋線上的潮流不變，這樣就可以延續傳統的潮流算法。文獻[12]以一個接有太陽能光伏發電單元和風力發電系統的配電系統為例，提出一種基于多控制系統的負荷跟蹤控制方法，通過協調控制柴油機發電系統和儲能電容器組的輸出量，來補償光伏發電和風力發電系統的輸出變化及負荷變化，從而使線路上潮流不變。但是由于是利用計算機網絡通信來加以控制，故存在通信延遲的缺點。二是新的潮流算法——隨機潮流。文獻[13]對接入分布式電源的配電側，通過采用基于半不量法的隨機潮流算法，考慮分布式發電的出力隨機性，運用概率統計方法處理系統中的隨機變化因素，給出系統運行電壓、支路潮流等概率分布情況，深刻揭示系統運行狀況，從而為系統安全運行決策、配電網電壓影響提供完整信息。為了求解配電側的隨機潮流，文獻分別建立了風力發電系統（weibull分布）、太陽能發電系統（Beta分布）以及負荷系統（正態分布）的隨機模型。但它的計算過程只考慮了節點功率的隨機擾動，忽略了線路的隨機停運情況。計算了潮流，就可以研究分布式發電對系統穩態運行的影響，也就能為分布式發電并網后對系統影響的評估奠定基礎。

2.2.3DG聯網運行的分析方法與控制理論（1）動態仿真分析法能夠直觀且具有強說服力地分析分布式發電系統并網運行特性、運行經濟性以及可靠性的必要工具，無疑是數字仿真技術。文獻[14]提出了分布式發電系統對傳統電力系統仿真技術所帶來的挑戰，主要包括分布式發電系統的建模、配電網絡拓撲結構的改變和以往數值算法分析的受限等。為了解決這些問題，從理論上將分布式發電系統仿真詳細地分成了分布式發電建模、分布式發電系統穩態分析、分布式發電系統暫態仿真、分布式發電系統穩定性分析以及分布式發電系統快速仿真5個部分。但是當前的Matlab/Simulink、Pss/E等軟件都不是專門針對分布式發電系統而開發的，所以并不能很好地解決這些問題，需要改進和完善的地方還很多。文獻[15]利用仿真方法分析分布式電源接入配電網的電壓暫降問題（影響動態電能質量的因素之一）。文中取4母線系統，把DG形式分為同步發電機形式DG和逆變器形式DG，分別對其做參與和不參與系統電壓調節的情況進行算例仿真比較，最后得出結論。同步形式DG由于功率發生機理上的原因，不能有效地抑制電壓暫降，逆變器形式的DG，功率響應速度較快，能夠有效地抑制電壓暫降。（2）智能電網[16]在2006年11月4日發生在歐洲的大停電分析表明，風力發電和其他分布式發電裝置的基于保護的投切（而非全系統范圍的協調性投切），是加劇大系統崩潰的原因之一。但是如果當時配電網建立的是智能電網，并使用來自廣域的INAS(智能網絡)的實時數據，FSM（快速仿真與模擬軟件）就可從全系統的利益出發，來協調這些INAS的控制功能，則能夠避免類似的連鎖效應。在上面的案例中，體現了智能電網對集中和分布式發電并存的配電網具有很強的支持、協調和自愈功能。智能電網是一個完全自動化的供電網絡，其中的每一個用戶和節點都得到了實時監控，能夠保證從發電廠到用戶端之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。文獻[17]通過對接入混合分布式電源裝置的配電網進行分層，各個層次引入智能化來進行管理和控制。智能電網支持高比重的分布式電源，它通過協同的、分布式的控制，以及高級的自動化系統把分布式電源無縫集成到電網中央并協調運行，利用分布式電源來優化系統性能，而在發生重大系統故障時可利用它們進行局部供電，這樣來提高系統的整體性、效率性和靈活性。目前，智能電網與分布式能源的兼容能力還有待提高，其相關的研發課題也需要深入。除此外，電力電子技術和繼電保護的發展對分布式發電接入電網的運行和控制也有著重要作用。

3DG對電力市場的影響

電力市場化帶來了電力行業的重大革新，分布式發電則促進了電力行業的重大技術革新。兩者共同作用使電力行業呈現了全新的面貌。電力工業解除管制和電力市場的興起，促進了各種分布式發電的興起，尤其在全球環境倍受關注的今天，用戶對綠色電力的需求和選擇將會更有力地促進風力、太陽能等可再生能源的發展。而分布式發電的接入將加強電力市場的激烈競爭，給傳統的電網帶來一定的沖擊，具體表現在：集中式發電模式被打破，用戶可以選擇不同的電力供應商；電價計價模式要發生改變；用戶側和管理計劃變得復雜。當然，DG的接入最重要的是影響電價。當越來越多的用戶選擇分布式供能方式，必然會與傳統的電力市場電價計算模式產生沖突，從而不可避免地造成用戶自備分布式發電與供電商之間的經濟利益沖突。文獻[18]結合電力市場理論中的市場出清電價（MCP—marketclearingprice）分析用戶自備DG與供電商之間的博弈關系，提出一種基于MCP的利益分配模式，從而使雙方達到共贏的目的。但是該方法并沒有精確分析DG對現有電網帶來的沖擊，沒有對其設置合理的罰函數。文獻[19]考慮分布式發電參與電能市場時，配網內的分布式發電對配電網損的影響，基于此，以優化購電費用最小為目標建立了配電公司的購電模式，從而得到市場下電價的合理確定。除電價外，含有DG的電力市場中配電公司的中長期購電策略，用戶如何選擇最優的供電商方案，以及DG參與輔助服務市場的相關問題還有待下一步的研究。

4DG研究的展望

目前，在全球范圍內DG相關技術研究的熱潮還在持續增溫。對DG研究領域進行展望主要的方向有兩個，一是DG裝置本身技術的發展與完善以及新型綠色可再生能源發電裝置的開發；二是DG裝置的快速滲透對現有電網的影響以及交互作用機理的研究。后一個研究方向，其交互作用機理錯綜復雜，需要進行多層次、多方面的深入研究。1）針對分布式能源電力系統的規劃與運行，研究如何確定配電網中不同類型DG的安裝地點、安裝容量以及滲透極限，以保證系統經濟性和安全性綜合最優化；研究分布式能源電力系統的隨機潮流模型和算法、分布式能源電網的電壓和無功控制策略，以及改進和提高系統承受隨機電能能力的方法；研究隨機發電功率與常規發電功率的協調控制方法，找到系統的最佳運行點。2）針對各種新型DG裝置提供電能的方式和特點，研究含有DG高度滲透系統的建模方法，研發太陽能、風能等分布式能源能量隨氣象條件變化的規律，建立含有隨機能量預測的概率模型、電網發電量預測模型、系統的可靠性評估模型以及經濟性評估模型。3）針對含有分布式能源的電力系統的保護與控制，研究各種運行狀況下以及各種網絡結構下DG對電網穩定性以及可靠性的影響，以及相應的控制策略；研究DG對FACTS及控制裝置的影響以及控制策略；研究故障發生時含有DG的饋線解列后，由DG維持隔離區域恢復供電的控制方法。4）由于DG通常歸不同所有者擁有，其運營具有較強的獨立性。因此需要建立能夠對DG實現全面監測、控制和調度的新型SCADA體系，研究含有分布式能源的新型電力系統控制中心。5）研究DG與智能電網的兼容性，提高整個系統運行的效率、安全性、經濟性和靈活性。6）研究DG對現有電力市場機制的影響以及投資體制，建立新型的用電和供電管理體系，完善相應的電力法規，提高質量，降低費用。

5結束語

隨著分布式發電技術水平的提高，各種分布式發電成本的降低，以及智能電網的進一步研究和推廣，分布式發電作為集中式發電的一種重要補充，和大電網發電相結合必然成為一種趨勢。分布式發電的應用前景十分廣闊，因此相關部門應該加大對該方面研究的重視程度及支持力度，使得這項研究工作同歐美國家一樣得到更深層次的展開。

作者：梁永超單位：廣東電網公司湛江供電局