分布式能源的电力并网问题探讨

一、引言

当前，世界电能生产、输送和分配的主要方式是集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统，这种方式提供世界90%以上的电力负荷供电。这种容量越来越大的电网具有很大优点，但也存在一些弊端[1]，一方面是不能灵活跟踪负荷的变化，现实中短期负荷的激增导致电力供应不足，社会上有“电荒”的惊诧，但是这种不足持续时间很短，使负荷曲线波动很大，为解决这种短时峰荷建造发电和输电设施时得不偿失的。随着负荷峰谷差的不断扩大，电网的负荷率正逐年下降，发电输电设施的利用率有下降趋势。另一方面是电力系统越庞大，事故发生的概率就越高，大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电，造成十分严重的破坏和影响。美国加州2004年8月14日的大停电就是一个典型例证。 为了适应现状，补充并完善大规模集中发电输电的不足，直接安置在用户附近的分布式发电装置（Distributed Generation，简称DG）在近些年越来越受到人们的重视。分布式发电具有小型化、对建设场所要求不高，不占用输电走廊，施工周期短，能够迅速应付短期的电力需求，日高供电可靠性等等一些优点。DG如果采用清洁燃料为能源的热电冷联产系统则可以构筑一个高效综合能源利用系统，降低了温室气体和污染物的排放，其核心是通过冷热电联供技术融合了发电技术，蓄能技术和需求则管理技术于一体，达到资源效益最大化、资金和环境代价最小化[2]。DG机组与现有电力系统并网运行可以有效保证其经济运行，并且大大提高供电的可靠性，并网后多余的电量可以向外输送，不足部分由电网补充，可以使发电机始终运行在一个比较经济的工况下，同时用户的用电质量可以得到很大改善，当电力系统出现异常故障的时候，DG机组也可以作为备用电源为重要负荷提供用电保障。 目前欧美日等发达国家正在积极开张分布式发电项目，并将其作为新增负荷的主要提供者。而我国发展相对缓慢，一些政策法规尚不健全，尤其是并网标准上还是空白，使得投资商不愿新建不能并网的小电源。小电源对电网的干扰问题一直作为电力部门拒绝小电源并网的理由之一，在欧美等西方国家无论从技术研发还是到工程应用都已完善解决了分布式能源的电力并网问题，DG并网得到政府的鼓励和支持。

虽然中国政府现在没有积极鼓励和支持DG并网的推广，但是由于小电源本身的灵活性、稳定性和经济性，在国内已经有许多有益的尝试，上海、北京、武汉、广州都有比较成功的案例，其中浦东机场是一个比较突出的成功案例。有鉴于DG供电的稳定性和一定的经济性，我们招商局光明科技园有限公司正着手准备在深圳市宝安区光明科技园14平方公里园区内探讨建设DG供电的可行性。

本文试图借鉴国外成熟标准并结合国内电网运行对小电源技术要求的具体情况，综合论述了小电源并网的技术要求，探讨小电源并网的可行性，从电力供配电系统方面分析小电源并网对电网的影响以及应采取的相应措施，为光明科技园DG供电技术提供理论基础支持。

二、 DG机组并网基本技术要求

1并网定义

所谓并网运行就是指分布式发电装置在正常的开机状态下，与常规配电网络在主回路上存在电气连接，DG机组和配电网的连接点一般称为“公共连接点”（简称PCC）。电气连接包括电缆直接连接、经过变压器，经过逆变器等方式。

2 并网方式

DG机组并网运行的按照功率交换方式分类可分为普通并网和并网不上网两种。前者DG机组可以向电网输送多余功率，而后者严格禁止DG机组的功率外送，即PCC处功率流向只能是从电网流向DG用户

3 并网电压

一般DG机组都是在35KV电压等级以下的配电系统并网，根据并网DG机组容量不同，要选择不同的并网电压。设DG机组容量为S，电压为U，电流为I，则三者满足S=√3UI，I=S/√3U，可见在机组容量一定的情况下，为了减小电流.要相应提高机组电压。因此选择适当的并网电压是为了将在PCC点的注入电流控制在合适的范围之内。各个国家和地区根据自身电网特点都对DG机组并网电压都有所规定。中国现有的一些DG项目的情况如表1所示，通过这些项目的试点运行我们可以积累运行经验，根据各个地方的电网特点制定出适合本地网络的DG机组并网电压，使机组运行在一个安全合理的电压水平上。

表1 中国部分DG机组并网电压

4接入容量

当DG机组接入电力系统之后，会引起系统内潮流发生变化。为了使这种变化处于一定可控的范围内，要对DG机组的容量进行限制。由于DG机组的启动和停机具有随机性，不受电力系统调度部门的控制，所以如果机组单台容量过大，那么它的启动和停机则会对其周围的用户用电造成比较大的影响；例如感应发电机需要从电力系统中获得无功支持才能正常运行，当它启动时会造成电压突然下降，而它运行时吸收大量无功，使得线路上的无功电流和无功损耗都会增加。同样的道理，如果在―条馈线上，DG机组占有很大比例，则说明该馈线的负荷对DG机组的依赖性就很大，那么如果机组出现故障，则用户需要从电力系统中获取电能，此时馈线上的电流就会比平时增大很多，给安全供电带来了隐患。在美国德州的DG并网规定中限制DG机组的总容量不能超过最大负荷的25%，同样是出于限制DG机组启动停机的冲击和保证其他一般用户安全可靠用电的目的。

三、DG机组运行参数要求

由于DG机组的容量比较小，容易受到负荷变化的影响，而且分布式发电属于新兴技术，某些控制和运行措施还不完善，还在进一步发展，例如逆变器装置还存在换相失败的可能。因此DG机组并网可能会给电力系统带来一些不稳定因素，其主要表现就是在电能质量上。当DG机组与电力系统并网运行时，机组向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量都应受到控制，在电压、波动、频率、谐波和功率因数方面满足实用性并符合标准，当出现偏离标准（电压凹陷、瞬断等）的越限状况，应将DG系统与电网分离。为了减小并网带来的影响，保证一般用户的用电利益，各国在分布式电源并网条例中都对运行参数做出了明确的规定。

1 DG机组运行电压范围

当DG机组接入配电系统后，它的运行将直接影响输配电网络为一般用户提供用电的电能质量。 供电电压是供电电能质量的重要指标，供电部门有责任保证供电电压保持在规定的范围内。一些工业用户的感应电动机在电压跌落到―定程度以后，会停止转动，吸收大量无功，将使电压进一步降低。如果一个电力系统处于重载，负荷接近临界状态，无功电源已达极限，系统很小的电压降低或负荷稍微增加都将打破平衡，导致局部系统的电压失稳，最终是整个系统的电压崩溃。而当电压升高时，负荷运行的电流会增大，导线的发热不能及时散发会加速绝缘老化等，有些负荷可能会由于超出其设计电压承受力而损坏。因此DG机组接入不能使得PCC点的电压超出正常运行范围。当DG系统接入电力系统之后，在局部地区由于多出了一个电源会造成局部电压被抬高，有可能超出规定的正常范围，为此需要DG机组做出调整，降低出口电压，或减少机组出力。而对于使用感应发电机的风电厂等，由于其运行要吸收无功功率，可能会造成线路无功损耗加大，从而使线路电压下降。对此应该加装SVC等无功补偿装置，控制电压的跌落。尽管电压稳定是整个系统的问题，但它开始于某一负荷点电压质量恶化，并向全系统扩展。所以各个国家和地区对于DG与电网连接点的电压都有明确的要求：表2中详细列出了电压要求的具体内容（注：在加州11kVA以上机组可规定专门的电压运行范围，如果没有则按照88%到110%之间的原则运行）。当电压超出正常范围后，为了保护整个系统的安全，避免DG机组运行使电压偏差加剧的情况出现，DG机组要在规定的时间内和电网分离。

表2 DC运行电压范围的规定

2 电压波动和闪变

在交流电力系统正常运行时，由于负荷的变化可能引起公共连接点的电压快速波动，由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”作为衡量电压波动危害程度的评价指标。随着大量的基于计算机系统的控制设备和自动化程度很高的用电设备相继投入使用，工业用户对电能质量的要求越来越高，甚至几分之一秒的不正常就可造成巨大的损失。 采用感应发电机的DG机组，机组启动的时候会从电网中吸收大量无功，造成电压的跌落，引起闪变。对于一般的DG机组，由于其机组容量小，惯性小，容易受到负荷变化的冲击。有仿真计算的结果表明，当DG机组强制跟随负荷变化调整机组出力时，如果机组的控制系统调整不当，调整量与实际负荷的变化并不匹配，使得分布式电源跟随负荷变化进行动态调节，此时会造成发电机出口处电压的幅值在很长的时间内保持周期性波动，频率在6-7Hz之间。而对于不包含分布式发电的网络，尽管负荷随机扰动同样可能会引起电压的波动，但因网络内有无动态调节设备，系统很快就会达到新的稳定平衡点，而不会出现长时间的持续小幅波动。

为了减少DC并网而带来的电压闪变，美国德州、纽约和加州对闪变的要求执行IEEESl9标准，即折算到配电变压器的高压则不能超过额定电压的3%。为了减少PCC点的电压的波动，DG机组应该运行在一个比较平稳的状态，减少出力调整次数。

3 运行频率范围

保证频率稳定是电网运行的关键任务之一。整个电网是一个同步系统，要求所有节点的频率必须保持一致，这样系统才能稳定运行。DG机组并网运行其发电网频率保持一致。

DG机组由于容量比较小，占系统比例很少，因此可以说DC机组的启动和停机对于系统的频率没有太多影响。但是电力系统的变化频率会对DG机组造成影响。使用同步发电机的DG机组，在并网运行的时候，发电机运行的频率要和电网频率保持一致，这就要求DG的控制系统能够监测电网频率，并调整发电机转速。广东某个分布式发电机组，由于控制系统比较简单，只能设定发电机频率为50Hz，当电网的频率不准确或者机组不准确时，二者频率出现偏差。由于机组不能主动调节，从而造成转子扭荡，在长期运行的过程中发生了转子被扭断的事故。

由于电力系统中一点的频率失常会向其它方向发展，进而导致整个系统崩溃。为了保证电力系统安全稳定运行，并保护并网的DG机组，各个国家和地区都对DG并网处的频率有严格的要求，见表3（注：加州规定对于大于11KVA容量的DG机组，可以配有调频运行的装置，当系统发生严重容量短缺的时候能够起到援助作用。

表3 DG机组运行频率要求

4 电压和电流谐波

理想的电力系统，应该能够提供标准的工频正弦波形电压给用户。但实际上，由于非线性负荷等谐波源的存在，电网中存在谐波。谐波会增加谐波有功和无功，降低电压，浪费电网容量，使电量计量不准；还会造成电容器等电力元件产生过流、升温、击穿等事故；同时谐波还会对继电器保护设备产生影响，造成误动。

在有些DG机组中，例如太阳能电站、做燃机机组等，使用逆变器与电网相连。由于逆变器中电力电子开关器件频繁开通和关断，在其开通和关断的过程中都会给系统带来围绕开关频率附近的谐波分量。一般的逆变器都选用三相六桥臂的设计方案，它会带来6脉冲逆变器固有的6n±1次诣波。

正因为谐波危害较大，并且DG机组可能会给电力系统带来谐波污染，因此对于DG机组并网谐波问题上做出明确现定。在电压谐波方面，美国三个州对DG机组都采用IEEESl9标准，某单次谐波不能大干基波的3%，谐波总量不超过基波的5%。

5 功率因数

电力系统保持电压稳定，需要系统中有充足的无功功率支持。由于DG机组运行时间随机性比较大，当DG机组退出运行时，配电网络中会有无功损失。此时用户负荷的无功需求就要电力系统来满足，如果系统中不能瞬时提供足够的无功，就会导致电压下降，系统失稳。为了减少配电系统对于DG机组的无功依赖，保证机组退出运行后系统电压仍然稳定，DG机组要在高功率因数下运行。同时在DG机组和电网并网处应当加装无功补偿装置。表4给出了各个国家和地区对功率因数的要求。

表4 功率因数规定

结 论

我国现在正处在经济高速发展的阶段，对电力的需求增长迅速，前些时候华中和华东电网的重要负荷地区都出现了不同程度的缺电现象，多年未使用的“拉闸限电”政策又不得不重新使用。要弥补如此大的电力缺口，单靠新建大型电站在速度上远远不能满足要求，因此多多建设分布式电源，以缓急供电紧张问题以成为当务之急。我国的分布式发电起步较晚，发展相对缓慢，在某些大中城市已建和在建的DG项目比较少。并且由于缺少相应的并网条例，使得建成的机组不能正式的和电网并网发挥最大效能，而计划中的项目则不知道该如何申请并网。

目前中国对DG的并网运行还没有正式的国家规定，但是对一般的电厂运行的电能质量标准有强制性的国标。这些国标有：GBl2325―90电能质量 供电电压允许偏差；GBl2326-2000电能质量 电压波动和闪变；GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波；GB/T15543―1995电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T15945―1995电能质量 电力系统频率允许偏差等等。这些国标涵概了电能质量要求的全部内容。在制定DG机组并网和运行规则时，完全可以参考上述国标，对DG机组运行的电能质量提出限制。

目前许多国家和地区都提倡分布式电源并网运行，并且制定了相关的并网规定。本文对分布式发电设备并网的关键技术做了详细的讨论。从目前各个国家和地区分布式电源运行状况来看，DG并网在技术上是可行的，只要设备选型得当，运行良好，不会影响配电网络的安全运行。

参考文献：

[1]程明《新能源与分布式电源系统（上）》电力需求侧管理2003年03期

[2]华贲，岳永魁，田中华 我国发展分布式能源的迫切性、意义及前景，Internatiaoal Workshop on Promotion of CHP/Trigengeration & Collaborative Potentials in Chinese Market，April 2004，Hangzhou.