Impact Analysis of Distributed Generation on Power Network in China Southern Five Provinces

从不同国家分布式电源装机比例来看，北欧国家往往会占50%甚至更高，欧美发达国家占15%～25%，东亚国家占3%～5%，以此不同地区的装机比例对南方五省进行分析，发达及条件好的省份对应于装机比例高的地区，欠发达及条件差的省份对应于比例低的地区。另外，从我国燃气分布式电源规划层面看，结合南方五省(广东、广西、云南、贵州和海南)的能源规划、分布式电源规划以及近期项目开展工作，设想南方五省燃气发电情景规模如表1所示。

从光伏发电的情景规模来看，全国及各个省份均制定了相关中长期新能源利用规划，南方五省主要以分布式光伏发电为主。结合南方电源发展情况，以高方案为基准，低方案为参照，光伏发电情景规模见表2。

根据南方五省区各类发展情景规模设想，结合各省高峰负荷的分布特性，以广东省为例，分析和计算不同情景下DG对南方电网规划和建设的影响，见表3。

根据分析计算，DG的建设将有利于南方电网总投资的减少，对电网的规划也会带来较大影响。

在建设条件上，南方五省的电源条件、电网特性存在较大差异，且主力机组的标杆电价不同，各个省区不同情景下DG对电网建设的影响有所差异。在未来五省区DG规模越来越大的情况下，对电网规划建设、电力供应的影响越来越大，因此在DG充分发展的同时做好与电网企业规划建设的协调工作，则能避免社会资源重复，达到高效利用能源资源的目标，真正发挥分布式电源的作用。

随着大量的分布式电源接入配电网，传统的配电网规划已很难适应，配电系统结构和运行也产生很大的影响，主要表现在以下几方面：

1)部分DG与传统电厂相比，其输出受气候等自然条件影响经常波动且无法调节，具有明显的随机特性，有必要研究此类DG并建立相应模型。

2)由于大量用户安装并使用DG，加大了负荷增长的预测难度。

3)DG发电机节点的增加，使得寻找最优网络布置方案更加困难。

4)DG位置(位于负荷或变电站节点上)的不同，会影响线路的负载能力。

5)随着DG容量的逐渐增加，会影响整个系统的潮流分布，甚至出现逆向潮流。

6)由于DG机组类型及能源的多样化，配电网中难以确定合理的电源结构。

随着新时期电力工业的发展，DG并网趋向明显，传统配电网规划面临新的挑战和要求，因此在规划最优配电网方案时需考虑DG并网带来的影响。文献[2]通过协调因子来影响和指导DG的合理布局，提出了一种促进DG与配电网协调规划的新模式，在保障DG投资商与供电公司一定利益前提下，实现了社会效益的最大化。

DG的接入改变了配电网的故障电流大小、分布和原有继电保护装置的基础条件，必然对配电网继电保护造成影响。

1)对传统电流保护的影响。DG不同的接入容量及位置会对配电网保护装置产生不同的影响。随着DG接入容量的增大，上游保护流经的短路电流逐渐减小，保护范围缩小；而对下游保护起助增作用，DG容量越大作用越明显，下游保护范围增大。因此，有必要对配电网保护装置进行整定和协调，使DG与之配合和适应。文献[3]从两个层面给出了DG并网点、并网后配电线路的保护原理和算法，提出了含DG并网的配电线路新型保护整定和配置原则，构建了DG与配电网协调配合的保护体系架构。

2)对低压脱扣的影响。当DG接入配电网时，其投入、退出和运行均可能导致公共连接点附近的电压波动，同时也将增加电压暂降事件发生的概率，导致低压脱扣装置经常动作，从而造成负荷的损失。对于DG的突然退出运行而使系统电压波动的情况，文献[4]首先利用禁忌搜索法对电容器组进行优化组合，其投入可以抑制系统电压的波动。

DG不同运行方式会对配电网供电可靠性带来不同的影响，视具体情况而定：

1)若DG作为备用电源接入，可部分消除电网的过负荷和堵塞，提高电网的输电裕度。当DG具有低电压穿越能力，则在系统发生故障时还能继续运行，并起到缓解电压骤降的作用，提高系统对电压的调节性能。

2)若DG并网运行，则有可能降低系统的供电可靠性。当DG不具备低电压穿越能力，系统发生故障时要求切除该DG，当其所接线路故障重合时，不但不能起到电压支持的作用，反而加重电压跌落；且若DG没及时跳闸脱网，造成的非同期重合会引起保护误动、设备受损，线路无法及时恢复运行，反而增加了停电时间。

要使DG并网能够提高配电网供电可靠性，则需考虑新的因素，如孤岛的出现。文献[5]提出配电网孤岛划分策略，建立了含DG的新型配电网供电可靠性评估模型，通过算例验证了DG的接入能使配电网的供电可靠性大大提高。

当中低压配电网中分布式能源容量达到较高的比例^[6]时，要实现配电网的功率平衡与安全运行，并保证用户的供电可靠性和电能质量有很大困难，因此在实际的DG并网项目中，需预先计算好不同接入点的最大接入容量。本文以分布式光伏接入为例，考虑电压质量约束和短路电流限制，对DG接入的渗透率指标P_t进行分析。

选取南方某一线城市供电配网(每个配网网格含N组“三供一备”接线)，对每回辐射型接线的渗透率指标进行仿真分析。为了反映该城市电网的实际情况，仿真过程中外部110 kV系统的系统容量定为2 127.218 MVA，从而确保变电站低压侧母线短路电流控制在18 kA左右。另外，光伏发电按线路额定容量的最大装机容量为7.638 MVA，变压器容量为63 MVA。

DG注入的无功和有功会对配网电压产生影响，就地负荷投入越多，接入点电压降低越多。为了有效考核DG对接入点电压的影响，在线路载流量不越限和本地负荷为零的情况下，需通过潮流计算确定接入点电压不超标下的DG渗透率指标。

该城市供电网络覆盖区域内，110 kV主变低压侧母线的出线数为16回，多回线接入时，如图1所示，接入点分布得越均匀，对各级母线电压抬升的影响越小。

Figure 1.  Multi Loop Access Simulation Model Considering the Constraint of Voltage Quality

以考虑线路载流量不越限时的光伏最大接入容量为基准，每降低5%进行一次计算，获得不同容量下接入点的电压，与标准电压10 kV比较(电压偏差为标称电压的±7%)。结果表明，在A点处接入的DG容量为该回线路额定容量的70%时，接入点的电压偏差正好满足要求，若B点再接入DG，则会导致A点母线处的电压偏差超标，若将DG均匀的分布到16回线上，经过仿真分析，当每回线上接入的DG容量均为1.312 MVA时，各级母线的电压偏差均符合要求，此时主变台区的渗透率最大值Pt_max(v)＝1.312×16/63＝33.3%。

确保电缆线路输送容量不越限，逐一分析不同容量的光伏接入10 kV用户侧母线和变电站10 kV母线时的各级母线短路电流值，并与所规定的母线电流水平比较(110 kV、10 kV母线短路电流不超过40 kA、20 kA)，确定光伏接入容量的限制。

通过分析，单回线接入时各级母线短路电流均不超标，渗透率最大值达到100%。若16回线均接入DG，考虑到所有出线DG提供短路电流，采用等值合并处理方式，将接入到变电站低压侧的其他线路和光伏电源归并，其模型如图2所示。

Figure 2.  Multi Loop Access Simulation Model Considering the Restriction of Short Circuit Current

结果表明，在光伏总装机容量不超过主变容量的前提下，各级母线的短路电流水平均不超标，可见对于光伏电源接入，在只考虑各级母线短路电流限制下，主变台区的渗透率最大值P_t，max(s)＝100%。

图3是光伏接入农网400 V配网侧示意图，接入点近区负荷规模为600 kW，10 kV/0.4 kV变压器容量为1.25 MW。

Figure 3.  Wiring Diagram of Photovoltaic Device and Storage Device

系统配置5台额定功率为250 kW的光伏设备，在3 s、6 s、9 s、12 s、15 s时刻并网，对应总出力分别为0.25 MW、0.50 MW、0.75 MW、0.10 MW、1.25 MW。仿真过程中，接入点电压变化曲线如图4所示。

Figure 4.  Voltage Curve of Grid-connected Point of Photovoltaic

由仿真曲线可知，当光伏总出力增至1 MW，母线电压越限，即光伏电源渗透率大于80%将会引起接入点电压越限。

目前DG单位容量的投资比常规发电机组高很多，同时气价较高，因此分布式发电仍不具有成本优势，推行分布式电源即使充分考虑电网建设成本的减少，仍会提高南方五省区用户的电力使用成本。

图5是南方各省煤电标杆电价，以此为基准，增加考虑以预测电价进行估计，对南方五省区分布式能源各类发展情景下电力成本的增加进行计算，结果见表4。

Figure 5.  Benchmarking Coal Electricity Price of the Southern Five Provinces

从电网公司角度来看，同时考虑售电收益减少、入网费用以及电网投资的减少，DG建设将对电网的经济效益产生不利影响，为确保电网公司合理收益水平，需将成本转嫁给DG，这将为分布式能源实现合理的综合经济效益水平造成较大压力。因此分布式能源建设需要电网企业来主导，积极主动与能源供应商、政府部门等进行规划建设协调工作，以取得更多社会资源的有效整合和相关电价政策，实现电网公司以及分布式电源的整体经济效益。

分布式能源采用可再生能源及高效能源利用形式，在节约资源，降低排放能起到积极的作用。在计算分布式能源的综合效益时，还必须考虑环境效益，对南方五省区各类发展情景下的能源利用效率及CO₂排放的减少进行计算，结果见表5。

在南方电网能源结构调整，电网发展模式改变的情况下，未来DG快速发展将成为必然趋势。DG以其巨大的潜力不断进入电网的规划建设中，在提供先进的能源配置形式、提高供电可靠性和实现节能减排的同时，也不可避免的给传统电网带来了一定的冲击和影响。

因此，本文从南方电网DG不同发展规模的角度出发，分析总结了DG的接入对电网各方面的影响，对南方电网DG的长远发展提出以下建议：

1)DG的快速发展可减少未来输电网及高压配电网的建设规模，应建立DG规划协调机制，与电网及电力系统规划相兼顾和协调，实现能源资源的高效利用。

2)在配电网层面上，高渗透率的DG接入后，对电能质量、短路电流等会带来一定的问题，建议对短路电流进行校核，DG渗透率一般不超过70%。

3)从经济上看，DG在现行能源价格及补贴机制下面临着较大的生存压力，同时对电网的经营效益也将带来负面影响。应在燃料价格、电价机制、电网经营等方面出台有利政策，积极支持DG的发展。