【干货】分布式光伏发电如何配电网协调发展？

一、总述

能源和环境的危机，促进了太阳能等新型可再生能源的开发利用。分布式光伏发电充分发挥了光伏发电与分布式 2 种技术的综合优势，成为了新型可再生能源开发利用的重要方式。但分布式光伏发电的接入，给配电网的安全稳定运行带来了潜在的威胁。为保证配电网的可靠运行，一般采用严格限制分布式光伏发电接入容量，并对接入实施严格规范的方法。例如，我国目前分布式电源接入电网的技术规范规定，“分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的 25%”。这类方法虽能避免分布式光伏发电接入可能对配电网产生的不利影响，但也从根本上限制了分布式光伏发电的发展。

主动配电网(active distribution network，ADN) 作为一个新的概念，于2008年由国际大电网会议(CIGRE) 提出，其核心是分布式可再生能源从传统的被动消纳转变为主动引导与利用。主动配电网通过对分布式光伏发电、储能以及负荷进行联合调控，减小分布式光伏发电对配电网造成的不利影响，从而提高配电网接纳分布式光伏发电的能力，被认为是解决分布式光伏发电接入问题的有效途径。

主动配电网已经成为国内外学术和工程应用技术研究的重点领域，其在为分布式光伏发电发展创造广阔空间的同时，也为传统配电网带来全新的技术和管理变革，是提升电力系统智能化水平的重要手段。分布式光伏发电和主动配电网技术虽然有着密切的内在联系，但在发展进程以及关注点上也有一些区别，相互协调则更有利于促进二者的共同发展。

二、分布式光伏发电

光伏发电可分为输电侧并网和配电侧并网2 种基本模式(独立供电系统可以看作是配电侧并网模式的特例) 。输电侧并网技术一般应用于大规模电站，发电装置产生的电能集中并入电网，由电网统一调度使用;在配电侧并网系统中，发电装置规模较小，就近接入配电网，产生的电能一般被就地消纳。容量相对较小的配电侧并网发电，更习惯被称为分布式发电。

分布式光伏发电具有简便灵活、适用区域广、维护简单等优点，更可以因地制宜，充分利用建筑屋顶和闲置土地进行设计和建设，对土地资源的消耗以及生态环境的影响相对较少。由于就近接入既有配电网，对接入要求相对比较简单，加上产生的电能一般供本地负荷使用，避免了输电线路长距离传输的损耗，电能的利用效率也更高。正是由于这些优点，分布式光伏发电受到了国家政策层面的重视。与此同时，由于分布式光伏发电的一些固有特性，也给配电网带来了以下影响与挑战。

首先，与传统配电网负荷的单向潮流不同，分布式光伏发电装置的接入将在配电网中形成双向潮流;另外，太阳能辐射强度的随机波动性，直接决定了分布式光伏发电装置输出功率的可预测性和可调度性差。因此，分布式光伏发电将对配电网的电压特性、继电保护、短路特性等产生影响，对配电网是一个潜在的不稳定因素。

其次，分布式光伏发电产生的电能，一般都需要利用电力电子装置进行电能变换后才能并入电网，而电力电子装置工作产生的谐波，可能对电网的电能质量产生不利影响。另外，电力电子装置在动态调节和控制惯性、过载能力、故障穿越能力等方面，与传统发电机有很大的差异，也被看作是电网稳定运行的潜在风险。当分布式光伏发电接入容量的比例较小时，这些特性差异对电网的影响可以忽略，而随着接入容量比例的不断增加，其对电网稳定性的威胁也越来越显著，并终将达到电网难以耐受的程度。

最后，分布式光伏发电在投资和产权主体，以及建设位置分布上更倾向于分散，应用环境以及客户的需求也更加多样化，调度和控制的要求更加简便灵活和多变。如果沿用传统电力系统相对集中的规划、设计建设以及管控模式，将在很大程度上限制分布式光伏发电技术优势的发挥。因此，分布式光伏发电的推广应用，给配电网运营管理以及相关行业技术标准和规范的制定与执行都提出了新的要求。

为了充分发挥分布式光伏发电在新型可再生能源开发利用战略中的重要作用，就必须解决分布式光伏发电大规模接入可能对配电网规划建设、安全稳定运行以及运营管理等产生各种不利影响，这不仅需要政策的支持，更离不开新技术的支撑。

三、主动配电网关键技术

主动配电网是一个可以综合控制分布式资源(分布式电源、负荷和储能装置等) 的配电网，它使用一个灵活的网络拓扑控制系统潮流，并且在合适的监管环境和准入协议下，使得分布式资源能在一定程度上为配电系统提供支持，体现为“主动规划、主动控制、主动管理、主动服务与全面感知”。主动配电网可以被看作是一个“智能配电系统”，其推广应用，将对于提高电力系统整体的调度控制性能具有积极的作用。

主动配电网的关键技术涉及电力系统、电力电子、储能、自动控制以及网络通讯等多个领域，包括:

(1) 柔性组网技术: 结合配电网连接方式及设备型式，利用各种电力电子装置，通过柔性变压、双向潮流控制、电能质量治理、不间断供电等多种柔性控制技术，为电网提供灵活调节能力，使交流、直流、交直流混合等多种网络结构发挥各自优势，互联共存，提升分布式光伏发电接纳能力、供电可靠性和供电能力。

(2) 保护技术: 基于模式识别、多信源、大数据等技术，通过直流保护、自适应保护、网络保护等技术，实现故障的准确判断、可靠隔离和故障区段的准确识别。

(3) 储能技术: 根据不同储能形式在规模、功率密度、能量密度、转换效率、速率、寿命、成本、可用性、技术成熟等方面的优缺点，针对规模化储能系统，将不同的储能介质结合使用，通过对不同储能方式配比优化设计和功率协调控制，发挥各自优势，实现混合储能系统的高效、经济和可靠运行。

(4) 能量管理技术 (energy management system，EMS) : 通过先进传感器网络和智能终端技术，实现对电网运行状态、电源及负荷特性的识别，在单元层面预测电源出力、充放电需求、负荷需求，达到配电网系统完全可观可控; 基于多源大数据平台，通过协同优化技术，实现主动配电网“区域自治、全局优化”。

(5) 即插即用技术: 基于标准化接口，结合感知元件和信息交互技术，管理本地与配网间的信息和电力双向流动，具有自检测、自诊断、自保护功能，能够被配电网自动识别，并在线自动纳入管理。

(6) 新能源接入电压控制技术: 新能源接入增大了电压调节难度。通过本地和全局电压协调控制，一方面对本地电压控制环节和控制能力进行实时跟踪和实时预测，向系统预报本地无功需求和无功可调节量，由系统进行全局优化; 另一方面根据系统指定的电压控制值，通过本地各无功电压控制环节的联合控制，保证接入点新能源接入的电压安全。

(7) 可再生能源高渗透区域谐波治理技术: 为了适应大量间歇波动性可再生能源、电力电子装置、不平衡和非线性负载接入，需解决这些单元之间引起的谐波超标和谐振问题。利用可再生能源并网变流器、有源滤波器等电力电子装置吸收谐波，并为系统提供一定的阻尼抑制谐振，保证配电网的安全稳定运行和高质量供电。

基于以上技术特征，主动配电网可按照稳定和可靠运行的要求，将内部的分布式发电装置、储能装置、负荷等的特性进行统一规范和设计，并通过联合调度和控制，在确保系统稳定运行的基础上，实现分布式光伏发电的宽限接入; 通过主动管理和控制，鼓励各种不同的电力用户积极参与电网互动，同时可以接受大电网统一调度，实现内部负荷及多种能源的优化配置，为电力用户提供安全、可靠、优质、经济和环保的电力供应。正是主动配电网的上述特点，使其在分布式光伏发电装置与电力系统之间建立起一个“政策、规范和控制的缓冲层”，较好地平衡主动配电网内部分布式光伏发电与外部传统电力系统在管控模式、技术标准以及利益格局方面的差异，提高电网接纳分布式光伏发电的能力。

四、分布式光伏发电与主动配电网的协调发展

传统电力系统作为高度复杂系统的代表，习惯采用集中统一的规划建设和运营管理模式，并强调通过对涉网线路、设备、用户、政策以及标准等的统一管控，确保电力系统的安全稳定。与此形成鲜明对比的是，分布式光伏发电的特点和优势却体现在“分散独立、灵活自治”。将分布式光伏发电当作“不稳定因素”加以严格限制，或是当作“劣质电源”“另眼相看”，对其接入设置过多技术门槛和附加条件，有可能严重制约分布式光伏发电应用的发展; 而要求电网无条件宽限接纳分布式光伏发电的接入，对分布式光伏发电装置的技术性能缺乏必要的约束，势必会大大增加电网升级改造的投资，反过来还是会阻碍分布式光伏发电的应用推广。因此，需分布式光伏发电与主动配电网协调发展，方可达到相互促进的目的。

(1) 政策规划。

考虑到二者的特点，分布式发电与主动配电网的协调离不开政策法规的支持，并应该在规划设计阶段予以充分全面的考虑。结合不同地区的特点和需求，因地制宜制定分布式光伏发电和配电网发展规划，并鼓励针对不同的应用特点和需求，有针对性地开展技术攻关。

根据需求特点不同，目前分布式光伏发电与主动配电网有3种典型的应用模式: 在电网架构薄弱或者是缺电地区，以提高供电能力为主，重点解决提高电压稳定性、分布式光伏发电高渗透率接入、电压自适应控制、并离网切换和微网运行控制等技术; 在城镇地区，以分布式光伏发电高密度、多点分散接入为主，重点解决电能质量治理、潮流特性优化控制、利用储能提高能量利用效益等技术; 在工业区等区域，以分布式光伏发电大规模连片开发为主，重点解决远程调度、功率预测、继电保护等技术。

(2) 技术规范。

在分布式光伏发电与主动配电网协调发展的过程中，技术规范扮演着至关重要的角色。

在发展的早期阶段，技术特征集中体现为防止分布式光伏发电可能对电网带来的不利影响; 研究的重点在于提高改善分布式发电装置的性能，使其能够更好地适应配电网对稳定性和可靠性的要求，包括电能质量、电网适应性、故障穿越等，以减小分布式光伏发电对配电网的不利影响; 技术规范则更倾向于对分布式光伏发电系统( 包括并网发电装置以及接入等) 进行严格的约束，包括并网电能质量、对电网异常和故障的耐受性、故障穿越等。

随着分布式光伏发电的应用推广，单方面利用技术规范约束分布式光伏发电系统的弊端越来越显著。通过引入主动配电网技术对传统配电网进行升级，则可以在系统层面，从根本上解决分布式光伏发电对配电网的不利影响，使得分布式光伏发电的宽限接入成为可能，为分布式光伏发电的大规模推广应用创造必要的条件。在这个发展阶段，主动配电网将真正成为电网中一个智能节点(微网) ，并通过电网系统对主动配电网的集中调度，提高整个电力系统的可调度性及可靠性。

在主动配电网发展的高级阶段，技术特征集中体现在主动配电网内部负荷、分布式发电装置、储能装置以及能量管理系统之间的联合调控。而技术规范则更应重视引导传统配电网向主动配电网的进步，比如集中式储能装置的配置、通讯规约、功率调度控制策略以及故障保护等。

(3) 实验示范。

借助实验示范项目，对分布式光伏发电和主动配电网的一些核心关键技术进行验证和演示，不仅可以促进关键技术的研究，同时也能为相关技术的推广应用奠定基础，积累经验。在上面提及的分布式光伏发电和主动配电网 3 个典型应用中，结合各个应用的关键技术，可以有针对性地设计不同的实验示范项目。

在电网架构比较薄弱和电网供电能力不足的地区，重点实验功率和电压的实时控制，在外部电网出现较大异常和事故的情况下，甚至采用离网独立运行( 微网) ，使得局部配电网的供电可靠性和供电能力可以相对独立地得到改善。

在城镇中，重点实验主动配电网借助储能和负荷管理，充分考虑分布式发电装置灵活接入和分散运行管理的实际情况，基于整体要求设计电压和谐波控制策略，通过调节负荷、分布式光伏发电和储能装置的功率，控制配电网内部以及公共连接点(PCC点) 的功率和电压在允许范围内，从而确保配电网的安全、稳定和高效运行。

对于大规模连片分布式光伏发电，国内的工程应用案例较多，但功能比较简单，远没有充分开发。对此，可以依托已有项目，实验功率预测、光储互补等技术。

五、总结

借助主动配电网技术的支撑，分布式光伏发电可望实现宽限接入，并通过与储能装置、负荷的联合调控，发挥更大作用，具有更广阔的发展前景。主动配电网关键技术的研究是当前的热点，为了更好地促进分布式光伏发电和主动配电网的协调发展，应该在政策规划、技术规范和实验示范等多个方面，结合双方特点和要求，合理设计发展路径。