分布式發(fā)電的配電網(wǎng)探討范文

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《電氣制造雜志》2014年第七期

1發(fā)展DG的重要意義

l）經(jīng)濟性。分布式發(fā)電可用發(fā)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(wǎng)，減少或緩建了大型發(fā)電廠和高壓輸電網(wǎng)，從而節(jié)約投資。同時，也使得輸配電網(wǎng)的潮流減少，相應(yīng)地降低了網(wǎng)損。2）環(huán)保性。因分布式發(fā)電通常采用天然氣做燃料或以氫氣、太陽能或風(fēng)能為能源，故可減少有害物的排放總量，減輕環(huán)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(shè)，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(huán)保。3）能源利用的多樣性。分布式發(fā)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(fēng)能和太陽能等），并同時為用戶提供冷、熱應(yīng)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(diào)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(lián)供系統(tǒng)，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(wǎng)起到削峰填谷作用。此外，也部分解決了天然氣供應(yīng)時的峰谷差過大問題，發(fā)揮了天然氣與電力的互補作用。5）安全性和可靠性。當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時，具有特殊設(shè)計的分布式發(fā)電系統(tǒng)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(shè)。分布式發(fā)電可以適應(yīng)電力市場發(fā)展的需要、由多家集資辦電的分步式發(fā)電，能夠發(fā)揮電力建設(shè)市場、電力供應(yīng)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(jīng)濟性以及用電方對供電可靠性的更高要求。

2DG對電網(wǎng)的影響

2.1DG在配電側(cè)的規(guī)劃

DG是以資源和環(huán)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(tǒng)，這與國外的電源規(guī)劃普遍采用按發(fā)電機組優(yōu)化的模型是有所區(qū)別的。DG規(guī)劃在電力市場環(huán)境下，既要滿足追求經(jīng)濟利益，也要倡導(dǎo)置身電力環(huán)保。由于DG的引入影響到配電網(wǎng)的節(jié)點電壓、線路潮流、短路電流和網(wǎng)絡(luò)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(guān)，因此在規(guī)劃方案中，必須要合理選擇DG的位置和容量以便充分發(fā)揮DG的效益。文獻[3]基于DG對配電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有重要影響這一特點，建立了一種考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束的分布式發(fā)電規(guī)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(guī)劃的系統(tǒng)規(guī)模變大，優(yōu)化的整數(shù)變量維數(shù)提高，導(dǎo)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(fā)式算法來簡化變量的復(fù)雜性。它以DG投資費用和向輸電網(wǎng)購電費用最小為優(yōu)化目標對聯(lián)網(wǎng)DG系統(tǒng)進行規(guī)劃，確定各DG類型最優(yōu)投入容量，但它沒有考慮分布式電源如何在系統(tǒng)中接入到合適位置。文獻[5]建立了含分布式電源的配電網(wǎng)擴展規(guī)劃模型。以配電網(wǎng)擴展費用、DG發(fā)電費用和從常規(guī)電源購電費用之和最小為目標函數(shù)，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(fā)電能力并提高供電可靠性這一優(yōu)點，探討了分布式電源在孤立電網(wǎng)的規(guī)劃模型。文獻[7]指出了分布式電源在配電網(wǎng)規(guī)劃中需要解決的幾大問題，并將DG的規(guī)劃分為兩種情況：在電力網(wǎng)絡(luò)中的布點規(guī)劃和考慮DG的配電網(wǎng)擴展規(guī)劃。文中以線路平均功率損耗最小目標函數(shù)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(yōu)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(jīng)濟性。地理因素對于DG在配電側(cè)的規(guī)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(tǒng)的分布式電源在配電側(cè)的規(guī)劃。采用GIS信息系統(tǒng)，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(yīng)該限制在什么范圍，以及配網(wǎng)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(fù)雜性和費時性。需要指出的是配電網(wǎng)中引入少量的DG對整個電網(wǎng)不會構(gòu)成太大的影響。只有當(dāng)電網(wǎng)中存在較多的DG或大容量的DG單元時，一旦DG的引入不當(dāng)則有可能影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并使電能質(zhì)量惡化。因此，DG在電網(wǎng)中的滲透極限是多少，電網(wǎng)對具有很強隨機性的發(fā)電裝置（如風(fēng)力發(fā)電裝置）的承載極限是多少，這些問題在今后的規(guī)劃中都應(yīng)該考慮。

2.2DG在配電側(cè)的運行分析

2.2.1含有DG單元的系統(tǒng)建模分布式供電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，使得原有的配電系統(tǒng)由一個單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€高度交叉聯(lián)接的遍布電源和用戶的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此研究各分布式電源接入配電網(wǎng)的模型是研究分布式供能系統(tǒng)的配電網(wǎng)運行與控制特性的基礎(chǔ)。文獻[8]將分布式供能系統(tǒng)分為分布式電源和分布式儲能系統(tǒng)，根據(jù)它們不同的發(fā)電原理綜述了各自接入電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。準確地預(yù)測風(fēng)力機的功率輸出是建立風(fēng)機模型的關(guān)鍵。風(fēng)機模型的功率輸出取決于風(fēng)速。目前一般采用Weibull模型來對風(fēng)速進行描述統(tǒng)計。并網(wǎng)風(fēng)機一般使用異步風(fēng)機，文獻[9]給出異步風(fēng)機的P-Q-V模型，如圖1所示。通過對圖1的分析，考慮轉(zhuǎn)差，得出風(fēng)機輸出功率、功率因數(shù)的表達式，并推出轉(zhuǎn)差S的表達式，在給定風(fēng)速的情況下，就可以得到風(fēng)機在每個時刻輸出的有功功率和吸收的無功功率，并據(jù)此推算出功率因數(shù)。通過并聯(lián)電容器的實時投切，就可以使功率因數(shù)限制在允許范圍內(nèi)。太陽能光伏發(fā)電的隨機特性建模則與光照強度密切相關(guān)。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(shù)學(xué)模型，如圖2所示。串聯(lián)的光伏電池數(shù)為n，并聯(lián)模塊數(shù)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(wǎng)連接時需要通過逆變器控制轉(zhuǎn)化為交流，它接入配電網(wǎng)的模型如圖3所示。Us是配網(wǎng)側(cè)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(guī)發(fā)電機調(diào)節(jié)功率的原理類似，在潮流計算中作PU節(jié)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(wǎng)的模型如圖4所示。蓄電池本身的電流是直流點，接入電網(wǎng)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(diào)節(jié)蓄電池與電網(wǎng)的有功功率和無功功率的交換。為便于對電網(wǎng)的運行和控制進行分析，從系統(tǒng)的觀點而言，需要對不同發(fā)電原理的分布式電源構(gòu)建一個統(tǒng)一的模型。文獻[11]采用統(tǒng)計學(xué)的ISing模型建立一種包含大量DG單元的超大型電網(wǎng)數(shù)學(xué)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(tǒng)運行情況的分析首先要對系統(tǒng)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(fā)電的主要特性，傳統(tǒng)配電網(wǎng)運用的確定性潮流算法已經(jīng)不能反映系統(tǒng)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(xù)傳統(tǒng)的潮流算法。文獻[12]以一個接有太陽能光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)為例，提出一種基于多控制系統(tǒng)的負荷跟蹤控制方法，通過協(xié)調(diào)控制柴油機發(fā)電系統(tǒng)和儲能電容器組的輸出量，來補償光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(cè)，通過采用基于半不量法的隨機潮流算法，考慮分布式發(fā)電的出力隨機性，運用概率統(tǒng)計方法處理系統(tǒng)中的隨機變化因素，給出系統(tǒng)運行電壓、支路潮流等概率分布情況，深刻揭示系統(tǒng)運行狀況，從而為系統(tǒng)安全運行決策、配電網(wǎng)電壓影響提供完整信息。為了求解配電側(cè)的隨機潮流，文獻分別建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（weibull分布）、太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Beta分布）以及負荷系統(tǒng)（正態(tài)分布）的隨機模型。但它的計算過程只考慮了節(jié)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(fā)電對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的影響，也就能為分布式發(fā)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)影響的評估奠定基礎(chǔ)。

2.2.3DG聯(lián)網(wǎng)運行的分析方法與控制理論（1）動態(tài)仿真分析法能夠直觀且具有強說服力地分析分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行特性、運行經(jīng)濟性以及可靠性的必要工具，無疑是數(shù)字仿真技術(shù)。文獻[14]提出了分布式發(fā)電系統(tǒng)對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)，主要包括分布式發(fā)電系統(tǒng)的建模、配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變和以往數(shù)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(fā)電系統(tǒng)仿真詳細地分成了分布式發(fā)電建模、分布式發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、分布式發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)仿真、分布式發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析以及分布式發(fā)電系統(tǒng)快速仿真5個部分。但是當(dāng)前的Matlab/Simulink、Pss/E等軟件都不是專門針對分布式發(fā)電系統(tǒng)而開發(fā)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(wǎng)的電壓暫降問題（影響動態(tài)電能質(zhì)量的因素之一）。文中取4母線系統(tǒng)，把DG形式分為同步發(fā)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(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的情況進行算例仿真比較，最后得出結(jié)論。同步形式DG由于功率發(fā)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(yīng)速度較快，能夠有效地抑制電壓暫降。（2）智能電網(wǎng)[16]在2006年11月4日發(fā)生在歐洲的大停電分析表明，風(fēng)力發(fā)電和其他分布式發(fā)電裝置的基于保護的投切（而非全系統(tǒng)范圍的協(xié)調(diào)性投切），是加劇大系統(tǒng)崩潰的原因之一。但是如果當(dāng)時配電網(wǎng)建立的是智能電網(wǎng)，并使用來自廣域的INAS(智能網(wǎng)絡(luò))的實時數(shù)據(jù)，F(xiàn)SM（快速仿真與模擬軟件）就可從全系統(tǒng)的利益出發(fā)，來協(xié)調(diào)這些INAS的控制功能，則能夠避免類似的連鎖效應(yīng)。在上面的案例中，體現(xiàn)了智能電網(wǎng)對集中和分布式發(fā)電并存的配電網(wǎng)具有很強的支持、協(xié)調(diào)和自愈功能。智能電網(wǎng)是一個完全自動化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個用戶和節(jié)點都得到了實時監(jiān)控，能夠保證從發(fā)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(wǎng)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(wǎng)支持高比重的分布式電源，它通過協(xié)同的、分布式的控制，以及高級的自動化系統(tǒng)把分布式電源無縫集成到電網(wǎng)中央并協(xié)調(diào)運行，利用分布式電源來優(yōu)化系統(tǒng)性能，而在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時可利用它們進行局部供電，這樣來提高系統(tǒng)的整體性、效率性和靈活性。目前，智能電網(wǎng)與分布式能源的兼容能力還有待提高，其相關(guān)的研發(fā)課題也需要深入。除此外，電力電子技術(shù)和繼電保護的發(fā)展對分布式發(fā)電接入電網(wǎng)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(yè)的重大革新，分布式發(fā)電則促進了電力行業(yè)的重大技術(shù)革新。兩者共同作用使電力行業(yè)呈現(xiàn)了全新的面貌。電力工業(yè)解除管制和電力市場的興起，促進了各種分布式發(fā)電的興起，尤其在全球環(huán)境倍受關(guān)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(fēng)力、太陽能等可再生能源的發(fā)展。而分布式發(fā)電的接入將加強電力市場的激烈競爭，給傳統(tǒng)的電網(wǎng)帶來一定的沖擊，具體表現(xiàn)在：集中式發(fā)電模式被打破，用戶可以選擇不同的電力供應(yīng)商；電價計價模式要發(fā)生改變；用戶側(cè)和管理計劃變得復(fù)雜。當(dāng)然，DG的接入最重要的是影響電價。當(dāng)越來越多的用戶選擇分布式供能方式，必然會與傳統(tǒng)的電力市場電價計算模式產(chǎn)生沖突，從而不可避免地造成用戶自備分布式發(fā)電與供電商之間的經(jīng)濟利益沖突。文獻[18]結(jié)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(guān)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(xiàn)有電網(wǎng)帶來的沖擊，沒有對其設(shè)置合理的罰函數(shù)。文獻[19]考慮分布式發(fā)電參與電能市場時，配網(wǎng)內(nèi)的分布式發(fā)電對配電網(wǎng)損的影響，基于此，以優(yōu)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(yōu)的供電商方案，以及DG參與輔助服務(wù)市場的相關(guān)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(nèi)DG相關(guān)技術(shù)研究的熱潮還在持續(xù)增溫。對DG研究領(lǐng)域進行展望主要的方向有兩個，一是DG裝置本身技術(shù)的發(fā)展與完善以及新型綠色可再生能源發(fā)電裝置的開發(fā)；二是DG裝置的快速滲透對現(xiàn)有電網(wǎng)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(fù)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(tǒng)的規(guī)劃與運行，研究如何確定配電網(wǎng)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(tǒng)經(jīng)濟性和安全性綜合最優(yōu)化；研究分布式能源電力系統(tǒng)的隨機潮流模型和算法、分布式能源電網(wǎng)的電壓和無功控制策略，以及改進和提高系統(tǒng)承受隨機電能能力的方法；研究隨機發(fā)電功率與常規(guī)發(fā)電功率的協(xié)調(diào)控制方法，找到系統(tǒng)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(tǒng)的建模方法，研發(fā)太陽能、風(fēng)能等分布式能源能量隨氣象條件變化的規(guī)律，建立含有隨機能量預(yù)測的概率模型、電網(wǎng)發(fā)電量預(yù)測模型、系統(tǒng)的可靠性評估模型以及經(jīng)濟性評估模型。3）針對含有分布式能源的電力系統(tǒng)的保護與控制，研究各種運行狀況下以及各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下DG對電網(wǎng)穩(wěn)定性以及可靠性的影響，以及相應(yīng)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(fā)生時含有DG的饋線解列后，由DG維持隔離區(qū)域恢復(fù)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?qū)G實現(xiàn)全面監(jiān)測、控制和調(diào)度的新型SCADA體系，研究含有分布式能源的新型電力系統(tǒng)控制中心。5）研究DG與智能電網(wǎng)的兼容性，提高整個系統(tǒng)運行的效率、安全性、經(jīng)濟性和靈活性。6）研究DG對現(xiàn)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(yīng)的電力法規(guī)，提高質(zhì)量，降低費用。

5結(jié)束語

隨著分布式發(fā)電技術(shù)水平的提高，各種分布式發(fā)電成本的降低，以及智能電網(wǎng)的進一步研究和推廣，分布式發(fā)電作為集中式發(fā)電的一種重要補充，和大電網(wǎng)發(fā)電相結(jié)合必然成為一種趨勢。分布式發(fā)電的應(yīng)用前景十分廣闊，因此相關(guān)部門應(yīng)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(wǎng)公司湛江供電局