7.2 分布式发电并网对配电网的影响

分布式发电并网的目的是为了给配电网带来一系列积极的影响，例如:

(1)提高供电可靠性。分布式电源可以在大电网停电时维持全部或部分重要用户的供电，避免大面积停电带来的严重后果。

(2)分布式电源启停方便，调峰性能好，有利于平衡负荷。

(3)可以满足特殊场合的用电需求。如用于大电网不易到达的偏远地区的供电，在重要集会或庆典上处于热备用状态用作移动应急发电等。

但是，由于分布式电源并网运行，配电网的网架结构变得更加复杂，由此也给配电网的运行和保护带来一定的挑战。

7.2.1对配电网继电保护的影响

7.2.1.1 对电流保护的影响

配电网的拓扑结构主要有放射式、树干式和环网式几种。目前，我国大多数配电系统采用放射式接线，因为这种接线运行简单，具有过电流保护的经济性。

分布式电源并网会改变配电网的网架结构和潮流分布，从而改变故障时短路电流的大小和方向，影响继电保护的动作配合和保护范围。

(1)导致本线路保护的灵敏度降低及拒动。如图7-1所示，当DER下游F1点故障时，在DER引入之前，故障点的短路电流只由系统提供， DER引入之后，DER和系统都会对故障点提供短路电流，但保护1只能感受到系统提供的短路电流，此故障电流比引入DER前小，导致保护的灵敏度降低，严重时甚至拒动。因此，必须限制引入DER的容量，防止保护拒动。

(2)导致本线路保护误动。如图7-1所示，当系统侧 F2处或10kV母线其他馈线 F3 处发生故障时，在 DER引入之前，DER所在馈线的保护1感受不到故障电流，DER引入之后，相同点故障时，保护1将感受到DER提供的故障电流，由于保护不经方向闭锁，如果该电流足够大，将导致保护误动。因此为防止误动必须要限制引入 DER的容量，必要时考虑为电流保护加装方向元件。

(3)导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性。如图7-1所示，当10kV母线其他馈线 F3处发生故障时，在 DER 引入之前，短路电流只由系统流向故障点，DER 引入之后，DER 和系统都会对障点提供短路电流，此时故障相邻线路的保护感受到的故障电流增大，将可能导致其速断保护躲不开线末故障而误动，从而保护失去选择性。因此，必须限制引入 DER的容量，防止保护拒动。

配电网中大量的继电保护装置早已存在，针对分布式电源并网而重新整定继电保护是件不现实的事，因此，分布式电源并网必须与配电网已有的继电保护装置配合并尽可能适应。

图7-1 简单配电网结构图

7.2.1.2 对自动重合闸的影响

传统配电网的继电保护，都是以单侧电源的配电网为基础设计的，其潮流方向均为从电源侧流向用户侧，系统保护的设计通常在变电站线路处安装传统的三段式电流保护，主馈线上装设自动重合闸装置，保证在馈线发生瞬时性故障时快速恢复供电，提高系统供电可靠性。然而随着分布式发电在配电网中的大量并入，导致原有的单电源放射状网络变为一个遍布电源和负荷的网络。当分布式电源接入配电网后,如果线路发生故障跳闸后分布式电源在重合闸动作时没有跳离线路，这将产生两种潜在的威胁，即非同期重合闸和故障点电弧重燃。

(1)非同期重合闸。分布式电源接入配电网后，若故障出现在系统电源和分布式电源之间的线路上，此时若分布式发电仍然并列于配电网，则有可能在自动重合闸动作时造成非同期重合闸，会对配电网和分布式电源产生冲击和破坏。现以含分布式发电的10kV 简单配电网为例，分析分布式发电对自动重合闸装置的影响。

如图7-2所示，若系统电源和分布式发电之间的线路发生短路故障F1，则保护1动作切除故障线路，将系统电源S与配电网解列开来。由于分布式发电机组仍与配电网相接，形成孤岛。但分布式发电机组容量小于负荷容量，更远小于系统容量，在失去系统电源后，分布式发电机组将快速失去稳定性。且断路器1处的重合闸无法进行检无压重合，若在断路器1处强行手动重合，系统电源和分布式发电两者的电压相角差可能是0°~360°任意值，则保护1可能会检测到冲击电流，再次动作跳闸;当分布式发电容量比较大时，冲击电流可能超过发电机允许的最大冲击电流值，影响机组的工作寿命，甚至损坏机组，重合闸也失去了迅速恢复瞬时故障的能力。

图7-2含分布式发电的10kV简单配电网图

若短路故障F2、F3发系统间的线路上时，分布式发电和系统电源仍然保持电气联系，则自动重合闸动作时不存在非同期重合闸问题。如故障能够快速切除，则分布式发电机组可保持连续运行，减少不必要的切除。

(2)故障点电弧重燃。配电网中断路器因故障跳闸后，必须有充分的时间使故障点的电弧熄灭，才能保证重合闸的成功。但是在含分布式电源的配电网中，当断路器跳闸后，未解列的分布式电源仍然向故障点提供电流，电弧持续燃烧故障将继续。当进行重合闸时，由于电网电源的作用，可能引起故障电流跃变使得故障点电弧燃烧时间延长，导致绝缘击穿，进一步扩大事故。若采用自动重合闸前加速，对于在系统电源和分布式发电间的线路故障，并入配电网的所有分布式电源必须在重合闸动作时限的前期就要检测到故障并从配电网断开，否则电弧继续燃烧，故障将持续。

在电力系统配电网中，造成含分布式发电的配电网自动重合闸问题复杂化的原因是采用了大量的快速重合闸。自动重合闸的动作时限一般为0.5s，最短可以快到0.2s，目的是为了提高向电力用户供电的电能质量。但在含分布式发电的配电网中，自动重合闸时限过短，分布式电源没有退出运行，将可能导致非同期重合闸和电弧重燃现象，使重合闸失去迅速恢复瞬时故障的能力。若增大自动重合闸时限，使得分布式发电与配电网在故障时解列的可能性提高，但供给用户的电能质量将降低。而当断路器因故障断开时，仍然连在配电网中的分布式电源与系统电源可能失步，这时可以考虑双侧有电源线路的自动重合闸方式。双侧电源的重合闸方式是具有同步检定和无电压检定的重合闸，两者的区别在于，双侧电源的重合闸在两侧都装有检定同步继电器和检定无电压继电器，利用切换片进行切换，以解决检无压一侧的继电器工作条件恶劣的问题。同时，检定无电压一侧，检定同步继电器要与检定无电压继电器并列工作，防止当检定无电压一侧的断路器由于某种原因(如保护误动作)跳闸，对侧没有动作，则线路检测到有电压，重合闸不会启动。而接入分布式电源的重合闸，只能由分布式电源侧检定同步重合闸。

根据目前对分布式技术应用的研究，可以预见在不久的将来，连接到配电网中的分布式电源数量将会有大幅度提高。当分布式电源在配电网中的渗透率大幅提高时，必须保证分布式电源接入后，配电网的供电可靠性不会因此而下降，因此要采取必要的措施保证重合闸动作的成功且不能对系统造成不良影响。

7.2.2对电能质量影响

7.2.2.1 静态电压分布

电网的潮流分布决定了电网的电压分布情况，电网中负荷消耗和电源注入功率的变化会引起电网各线路的电压发生变化。分布式电源并网，将会改变配电网的潮流分布，从而使电压分布发生变化。

分布式电源接入点和并网容量不同，会给配电网潮流电压分布带来不同影响。以图7-3为例进行分析，系统母线为参考节点，线电压 U0 =U₀e^j0，，取1.05，基准容量为100MVA，基准电压为10kV，分布式电源的出力和接入位置见表 7-1。

图7-3多节点链式配电网络

表 7-1  分布式电源的出力和接入位置

对每个分布式电源的出力进行随机变动，每台电源出力可以为33%、67%或100%。每次变动的6组数据见表 7-2。从若干次试验中选出几次试验的结果，绘制在图 7-4中。

表 7-2  DER 出力变化及总出力的比值     (%)

图7-4分布式电源出力变化引节点电分布变化曲线

从图 7-4可以看出，不改变分布式电源接入位置的情况下，电压支撑由分布式电源的总出力决定。总出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高。

保持5台分布式电源出力为100%，只改变它们在网络中的位置。编号为0的曲线是原给定的位置组合，编号1~4的实验假设5台分布式电源进行集结，集中放置在单独节点上，接入位置见表7-3，分析结果见图7-5。

表 7-3  分布式电源接入位置变化试验方案 

图7-5分布式电源位置变化引起的节点电压分布变化曲线

从图 7-5 可以看出，总出力相同的分布式电源，分布在不同的位置组合，得到的节点电压分布有着较大的差异。从仿真结果可看出，分布式电源集中在同一节点，对电压的支持效果要弱于分布在多个节点上;在分布式电源出力保持不变的情况下，接入点越靠近母线，对系统静态电压分布的影响越小。

7.2.2.2 电压波动

分布式电源并网后，由于自身的技术特点，可能会引起分布式电源功率波动。例如:风力发电等自然能发电系统，受自然条件限制，同时由于所有权的问题，很多分布式电源并不是调度部门统一管理，其启停是由用户根据自身的需要来控制的，导致发电具有随意性和间歇性;对于热电联产机组，供热要求的变动会引起输出功率的变动;控制器的算法和参数设定可能导致输入系统功率的周期性变动:为了提高发电的效率，很多机组采用了最大功率追踪控制，所以当外界条件发生变化时，其输出功率必然随之变动等。

图7-6为机组并网示意图，从中可以看出，有功电流和无功电流都会造成明显的电压降落。当并网机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流随之变化，线路上的电压降落也就时刻改变，从而引起电网电压波动。

图7-6机组并网示意图

(a)并网等效电路;(b)有功电流引起的电压降落;(c)无功电流引起的电压降落

影响系统电压波动幅值的最明显因素是系统的短路容量。作为网络电压强度的标志，系统短路容量越大，能够忍受的冲击也越大。也就是说，系统短路容量越大，分布式电源发电量的间歇性和随机性、机组频繁启停所造成的电压波动越小。同时，DER 的接入又会改变系统的短路容量，因而在接入 DER 之后系统由于短路容量的增加，在受到外部故障或内部冲击性负荷投切时产生的电压波动将比没接入 DER时更小。利用这一点，通过合适的装置和控制策略，分布式发电自身又可以抑制电压的闪变。由中国科学院电工研究所的裴玮等人发起的一项研究，提出了利用短路比和刚性率来评估分布式电源对配电网供电电压质量影响的方法。根据此方法，电网规划和调度人员不需要大量繁琐的计算和仿真就可以对分布式电源接入后的电压情况作出预估。通过短路比快速估算分布式电源对接入点电压的最大影响，在规划阶段可以迅速根据允许电压波动范围初步确定能接入系统的分布式电源最大容量。通过刚性率快速估算分布式电源在区域配电网的公共耦合点上对电压波动的抑制，在规划阶段可以初步计算分布式电源对系统特性改变的程度。

7.2.2.3系统谐波

通过电力电子设备接入配电网的分布式电源，其开关器件频繁开通和分断容易产生开关频率附近的谐波分量，对配电网或者用户造成谐波污染。谐波的类型和严重程度取决于功率变换器技术和分布式电源并网结构。例如:目前广泛应用的基于IGBT新型逆变器的电压输出比旧型SCR功率逆变器更为清洁，带来的谐波没有那么严重;根据电机绕组的设计、铁芯的非线性化、电机接地情况和其他因素等，旋转电机也可能带来大量谐波。

当分布式电源并网引入谐波电流大到一定程度，会对电网造成严重的危害：

(1)会引起电网电压畸变。

(2)变压器铁芯由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。

(3)谐波的引入，还会影响配电网各种电表计的计量精度。

(4)电网设备损耗增加，温度升高，使设备效率降低，特别是含有电容器的设备，严重时甚至会损坏设备以及电容器爆炸。

(5)引起串联谐振及并联谐振放大谐波，造成危险的过电压或过电流，加速电气设备及电力变压器绝缘老化，使其容易被击穿，缩短设备工作寿命。

(6)对继电保护产生干扰，易造成保护装置误动作，影响电力系统安全运行等。

一定容量的分布式电源接入配电网，会对馈线上的谐波电压和电流分布产生影响。在分布式电源接入位置不变的情况下，分布式电源的总出力越大，占总负荷的比例越高，同一馈线沿线各负荷节点电压总谐波畸变率越大。在保持分布式电源出力不变的情况下，分布式电源越接近系统母线，对系统的谐波分布影响越小。

发电机和升压变压器的接地安排在限制谐波电流方面起了很大的作用，接地点的选择可以阻塞或减少注入电力系统的三次谐波。通常三次谐波仅被限制在分布式电源处。分布式电源的谐波问题与其他问题相比并不严重，但是也存在着一些必须加以重视的难题，如电压变形超标、电容组共振、对谐波敏感的电气元件造成影响、谐波电流引起发热增加使得DER 处的电气元件被迫减载运行等。在 DER 安装时需要评估其谐波影响，以确定是否符合电压变形标准，以及谐波是限制在分布式电源处还是注入电力系统。对较大的分布式电源单元和具有复杂谐波的情况，需要对电力系统的谐波进行测量和模拟。

7.2.3孤岛效应问题

所谓孤岛效应，是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负荷构成一个自给供电的孤岛的现象。

图7-7具有分布式电源的配电网

如图7-7所示，当保护2动作切除故障形成开路后，DER 从配电网中隔离开来，仍继续给一部分负荷供电时，孤岛现象就产生了。孤岛是一个没有调节控制的电力系统，会出现发电和供电之间不平衡的问题，且孤岛电网没有电压、频率控制，其特性是不可预知的。具体说来，孤岛现象引起的主要问题包括以下三个方面:

(1)由于配电网不再控制孤岛系统中的电压和频率，如果孤岛系统中的分布式电源不能提供电压和频率的调节，没有限制电压和频率偏移的继电保护，则用户得到的电压和频率将波动很大，将可能引起用电设备损坏。

(2)当一条线路本应断电但由于孤岛中的分布式电源继续供电而带电时(如图7-7中L2)，将为线路维修的工作人员或者其他人员带来触电的危险。

(3)当孤岛系统重新与配电网并列运行时，若分布式发电设备与系统不同步，将产生很大的冲击电流，有可能损坏发电设备，也有可能导致系统的重新解列。

目前配电网对孤岛的处理是立即停止所有分布式发电设备的运行，使得整个线路都处于无电状态，防止可能对设备造成的损害，消除潜在的安全隐患。为实现此要求，每个分布式电源必须能检测到孤岛，并能自动地与系统解列开，然而这种处理方式并不能使分布式电源得到充分的利用。微电网技术可作为解决此问题的有效途径，该技术目前已得到各高校和科研院所的高度重视，本章7.3将对此进行详细说明。

7.2.4其他

7.2.4.1对配电网可靠性影响

分布式电源作为配电网的备用电源时，当配电网发生系统故障中断供电，分布式电源启动，通过开关的操作，将负荷转移由分布式电源继续供电，故障消除后，再转由配电网正常供电。在这种模式下，只要协调合理，分布式电源可以提高配电网的供电可靠性，但其经济性差，除非是为了满足特殊重要负荷的需要，否则不采取这种供电模式

分布式电源与电网并网运行时，配电网从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络，对配电网可靠性的影响既有正面效应，也有负面效应

当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行向负荷供电，由此可提高供电的安全性和可靠性。当分布式电源内部故障、控制异常时，可以通过过电流、接地电流的检测和电压异常(上升或降低)检测，解列分布式电源来防止事故波及配电网。同样，在配电网内发生事故时，也可以通过检测电流或电压等状态量，判断与控制并网开关断开，解列分布式电源，防止事故扩大。2008年的冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了现有网架结构在保证用户连续供电方面的弱点。如果规划恰当，自动装置配置合理，在大电网崩溃的条件下，DER的孤岛运行可以保证部分用户的供电，提高供电可靠性。但无意中形成的孤岛，可能会对系统、用户设备、维修人员等带来危害，还可能出现电力供需不平衡，反而降低了配电网供电可靠性。

因此，传统的配电网可靠性模型就需要考虑新的因素，需要新的可靠性模型来评估加入分布式电源后对配电网供电可靠性的影响，并对可靠性指标进行定量分析。分布式电源和电网并网运行模式，可以给供用电双方带来经济效益，实现经济性和可靠性的平衡。

7.2.4.2 对配电网运行管理的影响

(1)分布式电源的接入，会增加配电网调度与运行管理的复杂性。风力发电太阳能光伏发电等输出的电能具有很大的随机性和间歇性，而用户自备分布式电源一般是根据用户自身需要安排机组的投切，这一切给合理地安排配电网运行方式、确定最优网络运行结构带来了困难。

(2)分布式电源的接入，给配电网的施工与检修维护带来了影响。由于难以对众多的分布式电源进行控制，停电检修计划安排的难度增加，配电网施工安全风险加大。

7.2.4.3对配电网规划建设与经营的影响

分布式电源的大量应用，给配电网的规划建设与经营带来了新挑战。

(1)对配电网负荷预测的影响。由于大量的分布式电源为配电网提供电能，使得配电网规划人员难以准确地进行负荷预测。

(2)对配电网规划设计的影响。DER接入位置的不确定性，给变压器容量、分接开关调压范围、线路输送容量、无功补偿设备、继电保护及自动装置的配置等电网规划内容带来困难。

(3)分布式电源布点及容量规划协调。最佳布点能有效降低系统网损，提高电能质量，但不合适的布点及未受控制的DER出力都可能增加系统损耗，使电能质量不合格。

(4)分布式发电并网的经济问题。由于分布式电源的接入，特别是对于自备分布式电源的用户，为保证其分布式电源停运时仍能正常用电，供电企业需要为其提供一定的备用容量，这就增加了供电企业的设备投资与运行成本，理应由用户来分担一部分费用。因此，需要完善电价政策，合理地调整供电企业与用户的利益。

7.2.4.4 对电力市场的影响

在电力市场不同的发展阶段，分布式电源参与到电力市场的程度和方式是不一样的。在发电侧竞争的电力市场初级阶段，直接接在配电网上的分布式电源还不具备参与到电力市场进行竞争的条件，只能由地区电网进行优化调度:当电力市场化改革进展到批发竞争阶段，输电网开放，分布式电源可以选择性地将电能卖给邻近的供电公司;当电力市场发展到零售竞争阶段，用户可以从电力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电，或者为电力公司有偿提供削峰、紧急功率支持等服务。