适应分布式电源接入的配电网主动管理技术研究

【摘要】大量分布式电源并网运行可能会引起电网电压偏移、电压波动和“闪变”等问题，可能会给电网供电质量和安全运行带来威胁。本文系统分析了分布式电源接入后的电压上升效应，阐述了主动配电网技术及其控制策略，旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率，能源结构等问题。

【关键词】分布式电源；配电网；主动管理；对比分析

1.引言

随着电力市场逐渐解除管制，以及环境保护的呼声日益高涨，分布式电源（DG）在电力系统中的应用得到了越来越多的关注。目前，国家电网分布式电源（含小水电）总规模已迅猛发展至3436万千瓦。同时，金太阳示范工程、《关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》、国家电网公司《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》等利好政策的出台，将加快推动分布式光伏的应用。大量接入分布式光伏发电后，传统辐射状的无源配电网络将变成一个充满小型电源的有源网络，大量分布式电源并网运行可能会引起电网电压偏移、电压波动和“闪变”等问题，可能会给电网供电质量和安全运行带来威胁[1-2]。过去，对配电网采取相对简单的电力调度和电网管理模式，配电线路一般只在首端安装保护监测设备[3-4]，这样不能适应分布式电源大量使用、用户自建电源大量发展的需要。此外，低压电网离用户最近，新增电源容易造成安全隐患。目前，电网侧尤其是配电网仍然存在可再生能源消纳能力不足、一次网架薄弱、自动化水平不高、调度方式落后以及用电互动化水平较低等问题，严重制约了可再生能源的高度渗透，不利于能源结构的优化调整。针对这一现状，本文分析了分布式电源接入后的电压上升效应，阐述了主动配电网技术及其控制策略，旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率，能源结构等问题。

2.分布式电源接入配电网

电压上升效应是制约DG接入电网的关键因素，本文以图1所示的简单配电系统为例来定性分析DG接入电网对电压的影响。配电系统连接有载调压变压器T1，母线1通过阻抗为Z的架空线与母线2相连，负荷、发电机和无功补偿装置连接在母线2上，负荷的有功和无功（PL和QL），发电机的有功功率和无功功率（PG和QG）以及无功补偿装置的功率（QC）都用箭头进行了标注。

图1 简单配电系统

母线2的电压U2可近似表示如下：

（1）

式中：X是电抗。

主动管理控制、分布式发电机、负荷、有载调压的设定U1和无功补偿对母线2上电压U2的影响可以根据式1定性分析。对无源配电网，最大允许并网发电容量可通过分析最坏情况确定。通常，电压上升最大值在发电量最大（PG=PGmax）且负载最小（PL=QL=0）的情况下出现，为简便起见，假定功率因数为1（+QG+QC=0）。在这些极端条件下电压可表达为：

（2）

母线2可接入的最大发电容量受母线2的最大允许电压U2max制约，可以从式3看出：

（3）

另外一个决定最大允许并网发电容量的重要参数是网络阻抗Z中电阻R。在功率因数假定为1的情况下，不必考虑电抗X。当然，也可以通过网络建设来降低网络阻抗，减小电压的升降。

3.配电网主动管理控制策略

DG在电力系统汇总的渗透率预计在未来的几年中将显著增长，为了使它们实现经济有效并网，配电网需要在控制、运行和规划方面发生根本性转变。DG的出现使配电网由传统的被动电网转变为主动电网，在被动电网中潮流是单向的，由电压较高的输电网流向电压较低的负荷端；而在主动电网中则有可能出现反向潮流。国网公司在国际大电网会议提出主动配电网技术后，积极开展了配电网智能化领域的技术和管理创新探索，以提高分布式电源的接入能力。配电网主动管理技术就是在对配电网二次系统参数（电压和电流）实时测量的基础上对DG和配电网设备进行实时监控，具体措施包括主动故障等级管理、主动电压控制和主动潮流管理等，有助于实现发电与负荷和辅助服务之间的平衡。本文以DG接入产生的电压上升效应为例，重点分析以下主动管理控制策略。

3.1 削减有功输出

削减有功输出控制电压是通过约束分布式发电的有功输出来限制电压上升的，因为最大输出功率和最小负荷同时出现的概率低，对于功率输出的约束时间一般比较短。如果系统中接入了容量较大的发电厂，采用削减分布式发电的输出功率方法就比较经济，在约束作用时间之外的时间里，较高的输出功率能补偿发电削减带来的暂时性影响，约束作用时间一般对应低负荷情况，电价预计会相对低廉。比较式3和式4，可以看出削减有功PGcurt将对影响最大允许并网容量PGmax。

（4）

3.2 无功管理

无功补偿可有效制约电压上升效应，增加并网容量，在薄弱电网中尤为明显。

网络吸收的无功功率可以表示为：

（5）

低负荷情况下可接入的最大容量可表示为：

（6）

3.3 协调电压控制

通过主动调节有载调压变压器的分接开关并将配电网的电压维持在一定范围内，可以增加分布式发电并网容量。

有载调压变压器可以调节电压U1。其下限值U1min与最大发电容量PGmax的关系如下：

（7）

4.应用对比分析

配电网主动管理中实施以上控制策略的好处，可以通过比较不同电源装机容量的年发电量及其相应收益来量化。下面重点针对上述3种主要控制策略的应用情况进行对比分析。

削减有功输出：这种控制策略在发电机接入R/X比值高的弱电网时尤为有效，如果允许并网容量较大，在有限时间短削减发电机输出功率会更加经济并且不需要加强网络建设投资，这种策略更适用于风力发电，因为当高发电与低负荷同时出现时就需要削减输出功率。

无功管理：消耗无功功率有利于控制电压上升效应，尤其是在分布式发电的弱网架中更是如此，为此，需要在连接处安装如静止无功补偿器等无功补偿设备。但是，目前还没有人把无功管理作为增加分布式发电的穿透功率的一种手段进行亚久，主要是采用优化潮流的方法说明无功管理的潜在优势。

区域有载调压变压器的电压协调控制：协调电压控制策略对增加风力发电在配电网中的并网容量十分有利，目前配电网的电压控制主要通过有载调压变压器来实现，电压控制方案通常是基于简单的恒电压策略或根据线路负载来决定电压水平。但这些电压控制方案是为严格意义上单向潮流的无源电网所设计的，在多向潮流的有源配电网中，这种就近控制电压的方案有着固有的不足，实现上限制了配电网的开放程度和容纳能力，从而降低了允许并网容量，因此需要采用区域有载调压变压器控制方式，来使区域电网电压维持在规定的范围内。

5.结论

含分布式电源的配电网智能化需要解决一系列的问题，本文重点介绍配电网主动管理的概念，分析了一些重要的控制策略，有助于在电网管理者、系统运行人员、供电用户以及能源供应商之间找到一个平衡点，为未来主动配电网成为一个开放、公平和绿色的配电网奠定了基础。配电网主动管理能极大地提升电网对绿色能源的兼容性以及对已有资产利用的高效性，是未来智能配电网的发展趋势。

参考文献

[1]程浩忠，张节潭，欧阳武.主动管理模式下分布式风电源规划[J].电力科学与技术学报，2009，24（4）：12-18.

[2]Currie R A F，Ault G W，Foote C E T.Fundamental research cha11enges for active management of distribution networks with high levels of renewable generation[C].Proceedings of Universities Power Engineering Conference，Bristol，2004.

[3]Shafiu A，Bopp T，Chilvers I.Active management and protection of distribution networks with distributed generation[C].Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting，Denver，United States，2004.

[4]张节潭，程浩忠，姚良忠等.主动管理在含有分布式电源的配电网中的应用[J].电力科学与技术学报，2008，23 （1）：18-23.

作者简介：杨梅（1980―），吉林四平人，硕士，工程师，现供职于甘肃省电力设计院，主要从事电力系统及其相关工作。