微水电的新时代

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摘要：开发商必须承担新建分散式发电联网的经济责任，这将限制自由化市场中微水电的发展。

　　关键词：微水电 新时代

　　开发商必须承担新建分散式发电联网的经济责任，这将限制自由化市场中微水电的发展。有两种新的方法可以有利于微水电项目的联网。

　　私有化分散式发电（DG）正在全世界许多自由化电力市场上取代国有的集中式发电。欧盟的可再生能源条例和政府的激励措施，如欧盟可再生能源契约，正鼓励着包括微水电在内的可再生能源的开发。这些可再生能源一般都集中在人口稀少、用电负荷较小的地区，这意味着未来新建电站将与中低压配电网相连接。在过去，这些地区的配电网是依据供电负荷随输电线路延伸而减少的原则来设计的，尽量保证用户的供电质量在指定的范围内。

　　分散式发电的联网会根本改变配电网的运行。当分散式发电容量等于或大于当地负荷时，可能会对电网的潮流分布和电压调节造成比较大的影响。对分散式发电的联网必须进行评估，以便对当地电力供应安全和质量造成的影响进行定性和定量的分析。尽管有许多减少负面影响的方法，然而在现行的商业体制下，开发商将为其实施承担很大的经济负担。经济上的原因将使潜在的方案失去吸引力，从而限制了自由市场上微水电的发展。

　　本文阐述了分散式微水电与配电网联网带来的影响，并分析了已有的防范措施。讨论了两种有利于微水电联网的新方法。第一种方法允许配电网运行人员（DNO_s）决定可以并入现有配电网的电站容量，防止资产闲置和／或者无偿地被占用。第二种方法讲述了在保证当地供电质量的同时，允许更多电力输送到配电网的一种微水电运行方式。这些方法将有助于在发达国家的自由市场或者欠发达国家的农村地区实现微水电的联网。

　　配电网

　　过去，配电网用来将电能从高压输电网输送给低压用电户。农村地区配电网的共同点是，这些电网都由中长距离的架空线延伸至偏远农村地区的用电户（称为辐射状馈线）。随着架空电线向末端延伸，人口的密度和用电负荷也在减少，输送负荷的电网容量也随着距离的延伸而适当减少。变压器额定值和导线截面积也相应减小，同时线路的阻抗随之增加。系统的设计和运行都基于电网有功和无功的潮流是单方向的，从输电网流向负荷终端。同时，也充分考虑到用电户的负荷形式和日负荷、季节负荷的变化，所以电网潮流是可以预测的。当负荷变化时，配电网一般是靠调整变压器的自动分接开关来保持次级电压处于设定值。为了弥补线路电压降，保证终端用户的电压水平，配电网运行人员通常将变电站电压在基准额定电压11kV的基础上调高几个百分点。对于电压水平，英国的电力输送条例中规定：1kV至132kV的系统，电压水平应该保持在额定值的±6％范围内。因此，配电网的规划通常将电网设计在额定值的±3％电压范围内。

　　在集中规划的年代，用户的要求、损耗和一些偶发情况是通过提前安排输电网向配电网送电来解决。在自由化市场上，分散式发电站可以按照地理位置合理布置，利用可再生能源或其它资源发电，向配电网提供不受限制的、不间断的能源。分散发电与配电网外围的连接将形成一个与单向、可预测潮流分布根本不同的运行方式。按发电机的类型和额定容量的不同，有功和无功功率潮流可以双向流动。而且，开发和连接不稳定的可再生能源将形成间断的、不可预测的电网潮流。

　　分散型微水电的出现，对配电网的运行产生了非常大的影响，包括：

　　—双向潮流分布，超出设备的热额定值；

　　—减少电压调节，影响供电质量；

　　—增加了短路和故障；

　　—改变了暂态稳定；

　　—影响了保护和配合。

　　潮流分布、热额定值和损耗

　　分散发电机与一个25km长、32mm2横截面积的铜质馈线辐射型电网的简单而具有代表性的4（a～d）种连接方式。此输电网通过一台1MVA变压器间隔向一个当地负荷送电。当地负荷（农用）的峰值为400kW，功率因数为0.98.容量范围从（a）0到（d）1MWA（0.9滞后功率因数）的不同容量的分散发电机分别连接到馈线终端。

　　a.当没有连接分散发电机，即容量等于0时，当地负荷完全靠输电网络供电。所有设备都在热限值内运行，架空线的线损为19kW.

　　b.当连接一个分散发电机，容量达到300kW时，输电网络的供电负荷减少，馈线的线损也同时减少。一个好处是，减轻馈线的供电负荷可以使配电网运营人员延迟将来负荷增长而必须进行的电网升级改造。

　　c.当分散发电机容量达到600kW，发出的电量超过当地负荷需求时，虽然线路和变压器负载仍在热额定范围内，但电能将通过馈线返送到变电站，线损又会增加。

　　d.如果分散发电机容量增加到900kW，返送的电量又将使线损增加，而且超出它们原来的数值。在发电机容量较大，而当地负荷较小的情况下，返送电量将超过变压器或者架空线的热额定值。

　　由分散发电容量增加而造成的热限制通常首先发生在变电站设备中，如：变压器和开关柜，或者出现在电站容量比当地负荷大出几倍、而电网线径迅速变小的幅射状网络的终端。然而，更为经常的情况是，发生在电网末端的电压波动是首要的限制因素。

　　电压调节

　　当有功功率（P）和无功功率（Q）一起从输电网络流经馈线时，如馈线电阻为R，电抗为X，则沿线的压降大致计算为：

　　电流经馈线流向负荷时，在变电站和当地负荷之间形成一个电压差。当一台分散发电机的接入造成电流逆向流动时，在发电机和负荷端将出现电压抬高的现象。在输电状态，X值比R值大得多，电压波动是由无功电流造成的。然而在R与X相当（甚至R大于X）的配电网中，电压波动便同时受到有功和无功电流的影响。因此，在配电网终端、相对较高的线路电阻可以限制分散发电机有功功率的输出。电网、负荷和分散发电容量再次表明分散发电机对电压的影响。a～d条件下的当地电压情况可以描述为：

　　a.在没有分散发电机输出时，当地负荷端的电压为0.98pu，通过变压器调节，变电站电压为1.03pu；

　　b.当一台容量为300kW的分散发电机使送电负荷减少时，线路压降减少，当地电压升至1.02pu；

　　c.一台600kW容量的分散发电机将导致电流逆向流动，当地电压抬高并超过变电站电压（达1.06pu）；

　　d.一台900kW容量的分散发电机使电压进一步抬高，导致当地电压达到1.10pu，大大超过规定限值。这将启动过电压保护，从而断开分散发电机。

　　上述例子说明，馈线的反向电流决定电压的升高。当现地负荷比较大，分散发电机容量能够满足时，电压抬升便会较小。如果现地负荷减小，譬如一夜之间，过多的分散发电量输送到电网，那么电压抬升将加剧。造成变压器的分接开关（如果有的话）动作，或者过电压保护动作断开分散发电机。电压抬升的结果将大大限制连接到偏僻农村地区输电网络的分散发电容量。后面将阐述如何解决问题的办法。

　　故障水平

　　当电网发生短路故障时，所有的发电机都将提供故障电流。因此，电网的开关设备和分散发电机都要同时承受电网和分散发电机提供的故障电流。当接入点距输电网络较远时，线路阻抗增加，电网提供短路电流减少。当分散发电机接入后所提供的故障电流超过现有电网开关设备的允许值，必须更换开关设备。

　　暂态稳定

　　在负荷变化或者电网结构改变而形成的暂态过程中，分散发电机接入电网的能力取决于电网的地理位置、干扰性质以及分散发电机的特性。在暂态情况下，电网的稳定性减弱。一些分散发电机有助于系统恢复稳定，因此对配电网运营人员和开发商有利，这样的电站应该保持与电网的连接。而那些不能帮助系统恢复稳定的电站应该与电网断开。就整个系统的稳定性而言，目前分散发电机的发展水平不会有问题，但当可再生能源分散发电容量增加到2010年或者2020年的目标要求时，情况可能会有所改变，它将替代如今维持电网整体稳定的高储能热电厂。

　　保护动作和配合

　　在建分散发电机之前，配电网安全的运行是靠安装在电源、开关以及负荷处的保护装置的动作和配合来保证的。它保证了在传统配电网运行方式下用户的完整、可靠的供电。保护方案大多是为单向电流设计和配合的，若应用于双向电流将导致不稳定或者误动作。虽然可以通过调整设定值使分散发电机运行期间能获得有效保护，但当分散发电机停机时，也必须保证有效的保护动作。这种平衡的结果可能使电网失去以前的更严密的保护，因此必须仔细地进行评估。

　　联网研究

　　当开发商申请与电网连接时，要对单个分散发电方案的影响进行详细的评估。配电网运营人员要考虑最差运行条件下与电网的连接情况，以保证在所有的正常分散发电和电网运行方案中不影响用户的供电质量。例如，在假设分散发电机以最大容量运行，但当地负荷却为最小（一般峰荷需求的25％）的前提下，进行电网潮流分析。选择这些条件，是因为他们代表了反向电流最大以及电压波动最大的情况。特别对于农村地区，这也是连接分散发电容量的最重要限制条件。

　　如果英国打算利用可再生资源的开发来满足其2010年和2020年的电力需求，则所有的能够成为与电网连接进行分散发电，并且技术和经济上都可行的微水电站址都要考虑进行开发。在分散发电对配电网有负面影响的时候，应该以鼓励开发的态度去解决、而不是对开发商和配电网运营人员进行财政处罚。

　　减小影响

　　分散发电开发商和配电网运营人员可以采取很多方法来减小未来微水电开发给电网带来的负面影响，它们依赖于初始条件。如果已经有可能要超出设备的热定值或故障水平时，一般没有什么好的办法，可以采用更换额定容量更大的设备。分散发电机，特别是微水电厂有很大的潜力，通过降低损耗，提供更可靠、更稳定、更安全的电力输出，使农村电网收益。然而，为了取得这些效益，配电网运营人员在追求商业利益的同时，需要主动地对电网进行管理。在任何情况下，最经常遇到的障碍以及改进方法是保持当地电压稳定在一个指定的范围内。减小影响的策略包括以下几个方面：

　　—限制发电机输出；

　　—减少初级变电站电压；

　　—增加无功功率；

　　—导线升级改造；

　　—提高接入系统电压。

　　对以上策略进行了探讨，给出了它们的影响结果。分析过程中没有考虑已经由马斯特斯很好阐述了的距离或中间负荷的影响。最高电压抬升是在一台容量为600kW的分散发电机满负荷输出（功率因数为0.9），当地负荷为lOOkW（最大负荷的25％）的情况下造成的。在这种情况下，电压超出6％限值近4个百分点。

　　限制发电机输出

　　应用水轮机调速器中的负荷限制来改变有功功率，以避免电网电压的波动，是可能的。方法虽然有效，但影响发电机的输出，一般只适用于偶然发生，或者采用其它方法投资太大等情况。显示在有功功率输出限制在300kW时，电压保持在限值内。该输出功率是在没有采用其它防范措施的情况下能够达到的最大输出功率。

　　减少初级变电站电压

　　降低变电站初级设定电压可以提高波动前的电压。显示该措施使电压直线下降，但它仍然不允许在保证电压不受干扰的情况下发电机满负荷运行。虽然可以通过调整电压设定值到0.99pu，使发电机达到满负荷输出，但这样做是不允许的，因为如果发电机输出减少（或者分散发电机跳闸），用户的电压可能会降至接近或者低于最低电压限制。对简单电网可以采用智能控制和有功管理来恢复系统电压，但对于大型的农村电力系统是行不通的。

　　增加无功功率

　　配电网运营人员通常要求分散发电机按给定的功率因数运行，功率因数是由电网接受或者提供无功功率的能力决定的。同步发电机可以输出或者吸收无功功率，正常情况下按给定的功率因数运行，它们也可以按照电压控制方式运行，对电网提供支持。标准异步发电机只能吸收无功功率，这虽然能够减少电压升高，但是电网必须提供无功功率。开发商在输送有功功率中得到的经济效益将部分冲抵配电网运营人员收取的电网提供无功功率的费用。发电机满负荷运行，以0.9的功率因数吸收电网无功功率。电压变化率和当地电压显著下降，避免了干扰。

　　上述所有方法均具有可操作性，对分散发电收益和当地供电质量会有影响。余下的防范措施会使分散发电机的开发费用大大增加，但对运行的限制却较少。

　　导线升级改造

　　用较大截面积的导线替代现有的架空导线将减少线路阻抗并限制电压升高。遗憾的是，架空导线截面积的增加和重量的增加，都要求更换或者重新架设线杆或者线塔，来满足线路的要求。如此一来，费用随之增加。给出了用130mm2铜导线更换现有32mm2导线的影响。可以看到，电压升显著下降，电压将维持在规定的限值内。

　　提高接入系统电压

　　电压提高，在给定有功和无功功率的情况下电流可以减小，这样电压升高也比较低。相应地，对容量比较大的分散式发电机，在电压不受干扰的情况下只能简单地直接与低压电网相连，而且电网运管人员会要求它接到高一级电压的电网上。这就可能意味着要建一个升压站，并延伸到33～132kV系统，将不可避免地大大增加投入，因此这只能适用于容量较大的分散式发电系统。

　　对变化的管理

　　每一种防范策略都会有相关的费用发生，要么直接由分散发电开发商来承担运行费（例如，出力限制、吸收无功），要么由开发商和／或配电网运营人员承担投资费用。作为连接条件，配电网运营人员可以要求开发商支付采取防范措施发生的所有费用。这种做法被称为“深度收费”，可能会大大增加项目的投资，特别是要进行线路升级改造时。在许多情况下，特别是对小项目而言，经济上是不可行的，从而限制了微水电和其它可再生能源的开发。现在正考虑采取另外一种“影子收费”办法，其中，配电网运营人员将为电网升级改造支付必要的费用，然后从发电机收取系统使用费（DuoS），但是配电网运营者必须仔细分析可再生能源资源的开发量和开发商可提供的投资保证。

　　整体发展微水电和其它可再生能源的风险来自于现行的“先来者先受益”的开发策略。如今，一旦签订并网协议，开发商接入电网的权力便可得到保证。有了此保证，在同一地区以后的开发必须不能影响已经联网的分散发电。这就意味着一个早期的、甚至容量相当小的项目将阻止同一地区其它大型站址的开发，大大地“遏制”了电网的发展。如果不予以纠正，这种现象将导致开发商纷纷“猎取容量”，获取联网保证。

　　另外一个相反的影响与电网升级改造投资的合理性有关。当开发商和／或配电网运营者投资建立一个新的连接时，不可能按照分散发电的精确容量进行设计、确定和设备安装。谨慎的设计或者采用标准的电厂额定值将为新电网的调整留有一定的余度。虽然开发商可能已经同意投资，但是随后可能会申请支付较低的联网费用来获取这些余量，因为电网已经完成升级改造了。这些问题会进一步使分散发电复杂化，并限制了对分散发电的开发，同时也提出了对有计划的和整体开发需要。

　　新的方法

　　从以上分析看出，如果开发商或者配电网运营者准备投资进行分段电网改造，那么对单个电网连接的许多限制就应该减少或者免除。这不可能促进配电网络地区微水电或其它可再生资源的充分开发。必须有一个更完整的电网开发策略，按照电网发展要求，尽量考虑在电网基础设施投资水平明确的情况下，为分散式发电提供尽可能多的联网机会。同时，对接入电网现有的、或新增地区的分散发电厂应该进行控制，以充分利用在电压波动限制允许范围内的电网联接。下面一部分将描述英国爱丁堡大学能源系统研究所为解决这些难题而进行的两项相关的研究。此项工作在配电网电压区域管理研究UMIST中作为补充联合内容。

　　使分散发电最大程度地接入配电网

　　苏格兰最近开展的对输电网的研究已经为在电网中大规模投资开发可再生资源提供了大量的定位信号。他们已经确认了可再生能源能被现有和已升级的输电网接纳的区域。不是所有新的开发都将并入主网，它们中的大部分将和次级电网或配电网连接。由于大量的母线、较大的电压影响范围、许多热限值的和故障水平的限制，对配电网在一个小范围内开展类似研究，其工作量是非常大的，而且耗费时间。为了整体扩展分散发电的接入，需要在电网内从3种开发方式中来决定可能的容量。

　　理论上最简单的方法通过评估满足以上限制，确定一个区域内可能联网的分散式发电容量和某一个简单接入点———但是甚至在配电网的一小部分内，也可能有几百条母线。这就要求开发一个专门的模拟经理控制电网潮流分析软件进行自动重复工作，不然要耗费人工研究的时间。分析结果随后可以很快获得，但可能会比较理想化，因为他们不考虑相临电网中新的分散式发电联网前的影响。

　　可再生能源分散式发电厂联网申请数和英国开展的活动数量意味着开发是一项并行的活动。在电网的同一地区，可能会有许多申请要求并入有时不同的、有时相同的一个接点。电网的相互依赖性、容量范围以及开发位置意味着决定全面接入是一个大型的多角度的问题，而不是重复模拟。哈里森和华莱士已经运用通常用于输电线研究的优化潮流（OPF）技术，来为模拟经理确定分散式发电厂穿越部分或者全部电网的最大接入同时性。它全面考虑了对（所有）邻近地区的开发，但对整体而言，却不容乐观，因为一些可能从不开发的地区是不必扩展的。

　　通过模拟理论对优化潮流技术更加实际的应用，促进了配电网选定地区内的方案研究。电网接入和分散式发电的开发能够按时间顺序，同时成倍地开发。这不仅能够确定最大可接入容量，而且可以对电网资产的闲置和无偿占用进行调查。配电网运营者和微水电开发商可以运用这些技术来最大程度地联网，明确电网升级改造的需求，并防止电网的资产闲置和无偿占用。

　　新发电机控制技术使并网和运行最大化

　　同步发电机可以在电压控制或者功率因数控制的模式下运行。虽然功率因数控制过去常常是必须的，一些配电网运营者已允许在电网的薄弱部分进行分散发电电压控制运行，来提供一些电压的输出。这必须进行仔细的评估，因为大容量的分散发电机会引起电网的电压控制系统产生回应。然而，当与变化的现地负荷相互协调，电网的薄弱部分接入并允许电厂持续运行，如果分散式发电机把功率因数控制和电压控制结合起来，会给开发商带来很大的收益。

　　华莱士和基普拉奇开发了一种混合电压／功率因数控制算法，它结合了两种方法的特点。它的正常运行方式是按一个预置、恒定的功率因数输出功率。但是，一旦当地电压超过限制（还在指定限值内），控制器将顺利地转换到电压控制模式，将电压控制在限值内。当情况发生变化并允许电压下降，又恢复到功率因数控制。此控制器的应用能使低负荷期间输出较大出力，而在高负荷期间提供电压支持。

　　大量的模拟试验比较了采用典型的功率因数控制系统和新型的混合系统水轮发电机的运行状况。与其相似的11kV电网一天内的负荷需求变化。在功率因数控制方案（APFC－红线）和混合控制方案（AVPFC－蓝线）下电网潮流和当地电压的变化结果。对功率因数控制模式下的运行状况进行了大量的观察。首先，在低负荷期间（4：30～7：30A.M.），电压将升高超出最高限值，接着发电机断开，造成大量的发电损失。其次，在16：30～19：30P.M.期间，过多的当地负荷使电压降至最低电压限值以下。低电压保护断开分散发电机，造成电压进一步下降，在缺乏电压控制的情况下，配电网运营者将从输电网中吸取更多的电力。然而在混合控制模式下，电压能够持续保持在限值内，使发电机保持与电网连接并输出电力。

　　参考文献：

　　[1]哈里林，华莱士。《配电网中发电容量最大化的新技术》，爱丁堡大学能源系统研究所工作论文，2002

　　[2]HMSO.《电力输送法规（Amdt2）》，1994

　　[3]马斯特斯。《电压升高：嵌入式发电和11kV架空输电线路联网的大问题》，IEE电力工程杂志第16卷第一期，2002.2.5～15

　　[4]苏格兰执行委员会。《可再生能源发电对苏格兰输电网的影响》，2001.10

　　[5]华莱士。《嵌入式发电方案保护》，IEE可再生能源系统联网学术研论会。1999.11.9，1？1～1？5

　　[6]华莱士，基普拉奇。《通过智能控制无功功率，减少配电网中嵌入式发电机的电压干扰》，第五届国际电力系统管理控制会议，2002，210～215作者为英国爱丁堡大学工程电子学院能源系统研究所的加瑞特·哈里森博士、阿雷斯泰兹·基普拉奇先生和罗宾·华莱士博士，地址：英国爱丁堡，梅费尔德路，帝王大厦，EH93JL.

　　（译自InternationalWaterPowermDamConstruction，Nov，2002）