分布式发电的配电网探讨范文

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《电气制造杂志》2014年第七期

1发展DG的重要意义

l）经济性。分布式发电可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，从而可提高能源的利用效率(达70%~90%)。由于分布式电源的并网，减少或缓建了大型发电厂和高压输电网，从而节约投资。同时，也使得输配电网的潮流减少，相应地降低了网损。2）环保性。因分布式发电通常采用天然气做燃料或以氢气、太阳能或风能为能源，故可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力。大量就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了树木的砍伐，有利于环保。3）能源利用的多样性。分布式发电可利用多种能源，如清洁能源(天然气)、新能源（氢）和可再生能源（风能和太阳能等），并同时为用户提供冷、热应用方式，因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。4）调峰作用。夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等热电冷三联供系统，不但可解决夏季的供冷与冬季的供热需要，同时也提供了一部分电力，由此可对电网起到削峰填谷作用。此外，也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补作用。5）安全性和可靠性。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，由此可提高供电的安全性和可靠性。6）有助于电力市场的建设。分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电的分步式发电，能够发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制，促进电力市场的进一步开放，且能满足供电方对经济性以及用电方对供电可靠性的更高要求。

2DG对电网的影响

2.1DG在配电侧的规划

DG是以资源和环境效益最大化、以能源利用效率最大化来确定方式和容量的新型能源系统，这与国外的电源规划普遍采用按发电机组优化的模型是有所区别的。DG规划在电力市场环境下，既要满足追求经济利益，也要倡导置身电力环保。由于DG的引入影响到配电网的节点电压、线路潮流、短路电流和网络可靠性等多方面，且其影响程度与DG的位置和容量密切相关，因此在规划方案中，必须要合理选择DG的位置和容量以便充分发挥DG的效益。文献[3]基于DG对配电系统的电压稳定性具有重要影响这一特点，建立了一种考虑静态电压稳定约束的分布式发电规划模型，提出了基于遗传算法的模型求解方法。该方法随着规划的系统规模变大，优化的整数变量维数提高，导致计算量非常大，且该方法采用的是编号来表述分布式电源的额定容量，有一定的误差。为了提高计算速度，文献[4]引入了启发式算法来简化变量的复杂性。它以DG投资费用和向输电网购电费用最小为优化目标对联网DG系统进行规划，确定各DG类型最优投入容量，但它没有考虑分布式电源如何在系统中接入到合适位置。文献[5]建立了含分布式电源的配电网扩展规划模型。以配电网扩展费用、DG发电费用和从常规电源购电费用之和最小为目标函数，考虑到遗传算法的全局搜索能力强，因此也是采用遗传算法来求解分布式电源位置和容量。文献[6]鉴于孤岛运行可最大化利用DG发电能力并提高供电可靠性这一优点，探讨了分布式电源在孤立电网的规划模型。文献[7]指出了分布式电源在配电网规划中需要解决的几大问题，并将DG的规划分为两种情况：在电力网络中的布点规划和考虑DG的配电网扩展规划。文中以线路平均功率损耗最小目标函数分析确定分布式电源在径向馈线上的最佳位置；对于DG在网状结构中位置的确定，则是通过比较DG安装在不同母线上时的潮流损耗的大小来判断的。文中的分析没有考虑分布式电源的容量的最优化配置问题，且其模型的建立也比较简单，忽略了地理因素和经济性。地理因素对于DG在配电侧的规划是很重要的。除了上面这些方法，本文提出基于GIS信息系统的分布式电源在配电侧的规划。采用GIS信息系统，可以更直观地知道哪些地方适合安装什么类型的DG，所安装的容量应该限制在什么范围，以及配网扩展增容时哪些地方可以适合再安装DG等，从而能简化遗传算法搜索的复杂性和费时性。需要指出的是配电网中引入少量的DG对整个电网不会构成太大的影响。只有当电网中存在较多的DG或大容量的DG单元时，一旦DG的引入不当则有可能影响系统的可靠性和稳定性，并使电能质量恶化。因此，DG在电网中的渗透极限是多少，电网对具有很强随机性的发电装置（如风力发电装置）的承载极限是多少，这些问题在今后的规划中都应该考虑。

2.2DG在配电侧的运行分析

2.2.1含有DG单元的系统建模分布式供电系统接入配电网，使得原有的配电系统由一个单电源辐射状网络变为一个高度交叉联接的遍布电源和用户的互联网络，因此研究各分布式电源接入配电网的模型是研究分布式供能系统的配电网运行与控制特性的基础。文献[8]将分布式供能系统分为分布式电源和分布式储能系统，根据它们不同的发电原理综述了各自接入电网的数学模型。准确地预测风力机的功率输出是建立风机模型的关键。风机模型的功率输出取决于风速。目前一般采用Weibull模型来对风速进行描述统计。并网风机一般使用异步风机，文献[9]给出异步风机的P-Q-V模型，如图1所示。通过对图1的分析，考虑转差，得出风机输出功率、功率因数的表达式，并推出转差S的表达式，在给定风速的情况下，就可以得到风机在每个时刻输出的有功功率和吸收的无功功率，并据此推算出功率因数。通过并联电容器的实时投切，就可以使功率因数限制在允许范围内。太阳能光伏发电的随机特性建模则与光照强度密切相关。一般光照强度由Beta分布来模拟，因此输出功率也满足Beta分布。除此外，文献[10]还给出了单个光伏电池的数学模型，如图2所示。串联的光伏电池数为n，并联模块数为m的光伏阵列输出功率为燃料电池输出的电能为直流，与配电网连接时需要通过逆变器控制转化为交流，它接入配电网的模型如图3所示。Us是配网侧电压，通过逆变器控制参量m，δ来控制有功功率和无功功率的输出，与常规发电机调节功率的原理类似，在潮流计算中作PU节点来处理。蓄电池是目前最重要的分布式储能装置，它接入配电网的模型如图4所示。蓄电池本身的电流是直流点，接入电网需要使用换流器。一般通过控制相差和逆变器的输出幅值来调节蓄电池与电网的有功功率和无功功率的交换。为便于对电网的运行和控制进行分析，从系统的观点而言，需要对不同发电原理的分布式电源构建一个统一的模型。文献[11]采用统计学的ISing模型建立一种包含大量DG单元的超大型电网数学模型方法。但是DG的不确定性及形式容量的多样性的建模研究成果目前还并不多。

2.2.2计及DG的潮流计算电力系统运行情况的分析首先要对系统进行潮流计算。在各种分布式供电模型建立后，则需要开始计算潮流。独立性和随机性是分布式发电的主要特性，传统配电网运用的确定性潮流算法已经不能反映系统的全面情况，必须采取新的解决方法，本文简单阐述如下两种方法及原理。一是利用负荷跟踪控制保证馈线上的潮流不变，这样就可以延续传统的潮流算法。文献[12]以一个接有太阳能光伏发电单元和风力发电系统的配电系统为例，提出一种基于多控制系统的负荷跟踪控制方法，通过协调控制柴油机发电系统和储能电容器组的输出量，来补偿光伏发电和风力发电系统的输出变化及负荷变化，从而使线路上潮流不变。但是由于是利用计算机网络通信来加以控制，故存在通信延迟的缺点。二是新的潮流算法——随机潮流。文献[13]对接入分布式电源的配电侧，通过采用基于半不量法的随机潮流算法，考虑分布式发电的出力随机性，运用概率统计方法处理系统中的随机变化因素，给出系统运行电压、支路潮流等概率分布情况，深刻揭示系统运行状况，从而为系统安全运行决策、配电网电压影响提供完整信息。为了求解配电侧的随机潮流，文献分别建立了风力发电系统（weibull分布）、太阳能发电系统（Beta分布）以及负荷系统（正态分布）的随机模型。但它的计算过程只考虑了节点功率的随机扰动，忽略了线路的随机停运情况。计算了潮流，就可以研究分布式发电对系统稳态运行的影响，也就能为分布式发电并网后对系统影响的评估奠定基础。

2.2.3DG联网运行的分析方法与控制理论（1）动态仿真分析法能够直观且具有强说服力地分析分布式发电系统并网运行特性、运行经济性以及可靠性的必要工具，无疑是数字仿真技术。文献[14]提出了分布式发电系统对传统电力系统仿真技术所带来的挑战，主要包括分布式发电系统的建模、配电网络拓扑结构的改变和以往数值算法分析的受限等。为了解决这些问题，从理论上将分布式发电系统仿真详细地分成了分布式发电建模、分布式发电系统稳态分析、分布式发电系统暂态仿真、分布式发电系统稳定性分析以及分布式发电系统快速仿真5个部分。但是当前的Matlab/Simulink、Pss/E等软件都不是专门针对分布式发电系统而开发的，所以并不能很好地解决这些问题，需要改进和完善的地方还很多。文献[15]利用仿真方法分析分布式电源接入配电网的电压暂降问题（影响动态电能质量的因素之一）。文中取4母线系统，把DG形式分为同步发电机形式DG和逆变器形式DG，分别对其做参与和不参与系统电压调节的情况进行算例仿真比较，最后得出结论。同步形式DG由于功率发生机理上的原因，不能有效地抑制电压暂降，逆变器形式的DG，功率响应速度较快，能够有效地抑制电压暂降。（2）智能电网[16]在2006年11月4日发生在欧洲的大停电分析表明，风力发电和其他分布式发电装置的基于保护的投切（而非全系统范围的协调性投切），是加剧大系统崩溃的原因之一。但是如果当时配电网建立的是智能电网，并使用来自广域的INAS(智能网络)的实时数据，FSM（快速仿真与模拟软件）就可从全系统的利益出发，来协调这些INAS的控制功能，则能够避免类似的连锁效应。在上面的案例中，体现了智能电网对集中和分布式发电并存的配电网具有很强的支持、协调和自愈功能。智能电网是一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到了实时监控，能够保证从发电厂到用户端之间的每一点上的电流和信息的双向流动。文献[17]通过对接入混合分布式电源装置的配电网进行分层，各个层次引入智能化来进行管理和控制。智能电网支持高比重的分布式电源，它通过协同的、分布式的控制，以及高级的自动化系统把分布式电源无缝集成到电网中央并协调运行，利用分布式电源来优化系统性能，而在发生重大系统故障时可利用它们进行局部供电，这样来提高系统的整体性、效率性和灵活性。目前，智能电网与分布式能源的兼容能力还有待提高，其相关的研发课题也需要深入。除此外，电力电子技术和继电保护的发展对分布式发电接入电网的运行和控制也有着重要作用。

3DG对电力市场的影响

电力市场化带来了电力行业的重大革新，分布式发电则促进了电力行业的重大技术革新。两者共同作用使电力行业呈现了全新的面貌。电力工业解除管制和电力市场的兴起，促进了各种分布式发电的兴起，尤其在全球环境倍受关注的今天，用户对绿色电力的需求和选择将会更有力地促进风力、太阳能等可再生能源的发展。而分布式发电的接入将加强电力市场的激烈竞争，给传统的电网带来一定的冲击，具体表现在：集中式发电模式被打破，用户可以选择不同的电力供应商；电价计价模式要发生改变；用户侧和管理计划变得复杂。当然，DG的接入最重要的是影响电价。当越来越多的用户选择分布式供能方式，必然会与传统的电力市场电价计算模式产生冲突，从而不可避免地造成用户自备分布式发电与供电商之间的经济利益冲突。文献[18]结合电力市场理论中的市场出清电价（MCP—marketclearingprice）分析用户自备DG与供电商之间的博弈关系，提出一种基于MCP的利益分配模式，从而使双方达到共赢的目的。但是该方法并没有精确分析DG对现有电网带来的冲击，没有对其设置合理的罚函数。文献[19]考虑分布式发电参与电能市场时，配网内的分布式发电对配电网损的影响，基于此，以优化购电费用最小为目标建立了配电公司的购电模式，从而得到市场下电价的合理确定。除电价外，含有DG的电力市场中配电公司的中长期购电策略，用户如何选择最优的供电商方案，以及DG参与辅助服务市场的相关问题还有待下一步的研究。

4DG研究的展望

目前，在全球范围内DG相关技术研究的热潮还在持续增温。对DG研究领域进行展望主要的方向有两个，一是DG装置本身技术的发展与完善以及新型绿色可再生能源发电装置的开发；二是DG装置的快速渗透对现有电网的影响以及交互作用机理的研究。后一个研究方向，其交互作用机理错综复杂，需要进行多层次、多方面的深入研究。1）针对分布式能源电力系统的规划与运行，研究如何确定配电网中不同类型DG的安装地点、安装容量以及渗透极限，以保证系统经济性和安全性综合最优化；研究分布式能源电力系统的随机潮流模型和算法、分布式能源电网的电压和无功控制策略，以及改进和提高系统承受随机电能能力的方法；研究随机发电功率与常规发电功率的协调控制方法，找到系统的最佳运行点。2）针对各种新型DG装置提供电能的方式和特点，研究含有DG高度渗透系统的建模方法，研发太阳能、风能等分布式能源能量随气象条件变化的规律，建立含有随机能量预测的概率模型、电网发电量预测模型、系统的可靠性评估模型以及经济性评估模型。3）针对含有分布式能源的电力系统的保护与控制，研究各种运行状况下以及各种网络结构下DG对电网稳定性以及可靠性的影响，以及相应的控制策略；研究DG对FACTS及控制装置的影响以及控制策略；研究故障发生时含有DG的馈线解列后，由DG维持隔离区域恢复供电的控制方法。4）由于DG通常归不同所有者拥有，其运营具有较强的独立性。因此需要建立能够对DG实现全面监测、控制和调度的新型SCADA体系，研究含有分布式能源的新型电力系统控制中心。5）研究DG与智能电网的兼容性，提高整个系统运行的效率、安全性、经济性和灵活性。6）研究DG对现有电力市场机制的影响以及投资体制，建立新型的用电和供电管理体系，完善相应的电力法规，提高质量，降低费用。

5结束语

随着分布式发电技术水平的提高，各种分布式发电成本的降低，以及智能电网的进一步研究和推广，分布式发电作为集中式发电的一种重要补充，和大电网发电相结合必然成为一种趋势。分布式发电的应用前景十分广阔，因此相关部门应该加大对该方面研究的重视程度及支持力度，使得这项研究工作同欧美国家一样得到更深层次的展开。

作者：梁永超单位：广东电网公司湛江供电局