分布式电源与配电网的恩怨纠葛

分布式电源接入配电网后对继电保护、配电自动化故障处理和电压质量均产生了不同程度的影响，为了更好利用清洁能源，提高配电网对分布式电源消纳能力的关键是分布式电源接入后有效调节产生的电压偏差。对分布式屋顶光伏发电和家庭太阳能热水器进行了对比分析，指出当前技术水平下，太阳能热水器可以等效为一个虚拟发电厂，对于节能减排具有更加积极的作用。

0.引言

近年来，对分布式电源应用与消纳的关注越来越高，文献[1-2]论述了分布式电源对配电网的影响，文献[3]分析了鼠笼异步发电机和双馈异步发电机的短路电流特性，文献[4-6]研究了光伏发电系统的动态仿真模型，文献[7]论述了光伏发电系统的并网逆变器结构及其控制策略，文献[8]研究了光伏逆变器附加电能质量控制的方法，文献[9]和[10]研究了变流器型分布式电源和电机型分布式电源的短路电流特性和对配电网故障处理的影响。

上述成果大大提高了对分布式电源接入配电网的影响的认识水平，但是对于提高配电网对分布式电源的消纳能力的研究，大都集中在借助通信网络的协调控制方式，而对于不依赖通信手段的消纳方式的研究尚显不足。此外，在太阳能利用方面，有必要将分布式屋顶光伏发电与已经广泛应用的家庭太阳能热水器进行对比分析，探索在现有技术水平下如何更好地利用太阳能达到节能减排的目的。

1.分布式电源接入配电网的影响

一般认为分布式电源接入配电网后，会对继电保护、配电自动化故障处理和电压质量等方面产生影响。

1.1对继电保护的影响

分布式电源可分为电机并网型和逆变器并网型两类，电机并网型分布式电源所能提供的短路电流一般不超过其额定容量的10倍，逆变器并网型分布式电源所能提供的短路电流一般不超过其额定容量的1.5倍。

馈线发生相间短路故障时，来自主网的短路电流、同母线其他馈线上分布式电源提供的短路电流以及故障所在馈线上分布式电源提供的短路电流都将流向故障点。为了维持10kV母线电压稳定，配电网的系统短路容量一般都远远大于馈线上分布式电源的容量，因此来自主网的短路电流一般远远大于分布式电源提供的短路电流，容易实现主网侧继电保护配合[10]，而分布式电源侧则需要通过反孤岛措施(如低电压脱网)与故障区域解除联系。

1.2对配电自动化故障处理的影响

馈线发生相间短路故障时，来自主网的短路电流、同母线其他馈线上分布式电源提供的短路电流以及故障所在馈线上故障上游分布式电源提供的短路电流都将流向故障区域的上游入点，而故障区域的下游出点也会流过馈线上故障下游分布式电源提供的短路电流。一般认为若流过故障区域的下游出点的短路电流接近流过故障区域的上游入点的短路电流，则会破坏配电自动化故障定位策略。但是，正如上节所述，来自主网的短路电流一般远远大于分布式电源提供的短路电流，而且同母线其他馈线上分布式电源提供的短路电流还会助增流过故障区域的上游入点的短路电流，也即流过故障区域的上游入点的短路电流会远远大于流过故障区域的下游出点的短路电流，很容易设置一个定值将它们区分开来，因此一般不会对传统配电自动化系统的故障定位产生影响，换言之，已经建成的配电自动化系统并不需要因分布式电源大规模接入而推倒重来[11]。

1.3对电压质量的影响

分布式电源的接入对馈线的电压具有抬升作用，而且对于出力受自然因素影响的分布式电源(如光伏、风电等)，由于其波动性还会产生电压波动，并且对其接入点的电压抬升作用和电压波动作用最大。对于接入多台分布式电源的馈线，其沿线电压分布就如同在各个分布式电源处分别由一个小棍顶着一般，在各个分布式电源的接入点形成一个个电压极值点，见图1。图中，S为该馈线的变电站出线断路器，A、B和C为分段开关，DG为分布式电源，曲线纵轴U代表沿线电压。

图1 一条含分布式电源馈线沿线的电压分布

考虑到馈线的单位长度阻抗较大，因此分布式电源的接入对电压偏差和电压波动的影响比较明显，是制约配电网对分布式电源消纳能力的关键因素。

2.配电网对分布式电源的消纳能力

制约配电网对分布式电源消纳能力的关键是分布式电源接入后产生的电压偏差和电压波动，而并非其对继电保护、配电自动化故障处理等的影响。

2.1对分布式电源的3种控制策略

在分布式电源接入容量不是很大的情况下，即使不对其采取任何控制措施，配电网也有比较强的消纳能力，这种消纳方式，称为自由消纳方式。

在分布式电源接入容量超出自由消纳能力的情况下，首先可以考虑在较大容量的分布式电源中驻入本地控制策略，而不必借助通信网络和协调控制，而仅仅根据分布式电源本地采集到的接入点实时电压信息，对其输出的无功功率或有功功率进行本地调节，以满足轻载或重载条件下的电压偏差不致越限的要求，这种消纳方式，称为本地控制消纳方式。

在分布式电源接入容量超出本地控制消纳能力的情况下，不得已而必须考虑借助通信网络，对若干大容量分布式电源甚至可控负荷进行协调控制，以满足电压约束条件，这种消纳方式，称为协调控制消纳方式。

在实际应用中，应优先采用自由消纳方式，在其不能全面满足要求时宜采用本地控制消纳方式，自由消纳方式和本地控制消纳方式的消纳能力很强，应该可以解决绝大多数问题，实在不得已才采用协调控制消纳方式，因为协调控制消纳方式依赖通信通道，使配电网变得比较脆弱。

由于协调控制消纳方式已有大量文献报道，本文不再赘述，而仅对自由消纳方式和本地控制消纳方式进行论述。

2.2自由消纳方式下的消纳能力

研究分析表明，做好分布式电源接入规划(如根据分布式电源容量的不同恰当选择接入电压等)，尽量做到“大马拉小车”，则即使不对分布式电源采取任何控制措施，配电网也有比较强的消纳能力。

在不对分布式电源采取任何控制措施的条件下，分布式电源可接入容量必须同时满足3个约束条件(即分布式电源接入配电网引起的最大电压上偏差值与最大电压波动值不越限，以及无分布式电源接入配电网时单纯由负载引起的最大电压下偏差值不越限)，这3条曲线共同围成的阴影部分区域就是不对分布式电源采取任何控制措施的条件下分布式电源的可接入容量范围[11]，见图2。图中，PDG和PL分别表示分布式电源的容量和负荷功率。

图2分布式电源允许接入的容量范围

例如，对于一条负荷功率沿馈线递增分布、分布式光伏电源容量沿馈线均匀分布的馈线，采用YJV-120型电缆，在容载比为75%的情况下，分布式光伏电源的允许接入容量范围如图3中阴影区域所示。图中，PPV表示分布式电源的容量。由图可见，即使不对分布式电源进行控制，馈线对其的消纳能力也很大。

图3 分布式光伏电源允许接入的容量范围

2.3本地控制消纳方式

馈线沿线电压在各个分布式电源的接入点形成一个个电压极值点，因此只要采取本地控制策略，使这些极值点的电压满足电压约束，则一般可使整条馈线的电压满足电压约束要求，这就是本地控制消纳方式具有可行性的理论依据。

由于调节无功功率对电压幅值的调节效果比较明显，而且为了充分利用自然资源提供有功功率和保护分布式电源业主的利益，本地控制宜在保证有功功率的前提下，在剩余容量允许的范围内以调节分布式电源的无功功率为优先，在无功功率调节到剩余容量极限还不能解决电压偏差问题的情况下(或该分布式电源只能提供有功功率)，再对分布式电源的有功功率进行调节。

本地控制策略可以采用模糊控制方法，在电压越限时，根据实时电压信息进行反复调节，直至满足电压约束要求为止(注意，只要满足允许的电压偏差范围即可，而不可追求接近额定电压)。

值得一提的是，对分布式电源进行本地控制，不仅可以提高配电网对分布式电源的消纳能力，而且可以充分利用分布式电源所具有的可以根据需要发出感性无功功率或容性无功功率、并且可以连续调节无功功率输出的特点，实现配电网无功电压控制，解决低电压和过电压问题，由于是利用变流器的剩余容量提供所需的无功功率，因此一般不影响自然资源的利用和有功功率输出。

3.太阳能热水器与城市家庭分布式屋顶光伏比较

光伏发电并非是完美的“绿色能源”，因为光伏电池的制备既是高污染又是高耗能产业，在中国产能严重过剩。

太阳能热水器早已在我国广泛应用，对于1台太阳能热水器，按照容量60L、每天将水温从20℃升高到80℃计算，每天转化的热能正好对应3600kWs，即1kWh(1度电)的能量，将其折合为电能，并考虑到80%的转换效率，则一天可节省电能约1.3度。而一台太阳能热水器的可利用面积大约为1m2，按照现在的技术水平装设100W容量的光伏电池，每天的利用小时数按照3h计算，一天才能发出300Wh，即0.3kWh(0.3度电)电能。

可见，在对太阳能的利用方面，太阳能热水器远比光伏发电效率高。另外，由于电热水器是居民家庭的主要负荷之一，采用太阳能热水器后的节能效果是会比较明显的;而且对于城市家庭而言，其居所大多为高层楼宇，每户拥有的楼顶面积非常有限，安装光伏发电设施远不如安装太阳能热水器，并且在支撑夜间用电的情况下，光伏发电还需要配套储能装置，使其更加不经济[12]。

因此，当前技术水平下，对于城市家庭而言，太阳能热水器可以等效为一个虚拟太阳能发电厂，对于节能减排可以发挥出更加积极的作用。当然，在非居民建筑，如工业企业、商店、学校、写字楼等的楼顶或屋面发展光伏发电，仍具有一定的可行性和应用价值。

4.结语

分布式电源接入配电网后对短路电流、继电保护、配电自动化故障处理、谐波和损耗的影响比较容易应对，对电压偏差和电压波动的影响比较明显，是制约配电网对分布式电源消纳能力的关键因素。

消纳分布式电源有3种策略，只要能够做到“大马拉小车”，自由消纳方式也具有很强的消纳能力，应优先考虑采用;在其不能全面满足要求时宜采用本地控制消纳方式;实在不得已才采用协调控制消纳方式，因为其依赖通信通道会使配电网变得比较脆弱。

对于城市家庭而言，每户屋顶面积较小，且太阳能热水器的效率更高，因此太阳能热水器比屋顶光伏发电更合适，它可以等效为一个虚拟太阳能发电厂，对于节能减排可以发挥出更加积极的作用。

作者简介

刘健，男，博士，教授，博士生导师，陕西电力科学研究院总工程师，百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴专家，国家电网公司科技领军人才，IEEESeniorMember，主要研究方向为配电网及其自动化技术。

魏昊焜，男，博士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化技术。

参考文献

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[12] Wei haokun, Liu Jian. Cost-benefit comparision between domestic solar water heater and building intergrated photovoltaic systems for households[J]. Applied Energy. 2014, 126(1):47-55

引文信息

刘健，魏昊焜.分布式电源应用若干问题探讨[J].供用电，2015,32(9)：9-12.