1.3 分布式发电与并网技术
当分布式电源接入电网并网运行时，在某些情况下可能对配电网产生一定的影响，对需要高可靠性和高电能质量的配电网来说，分布式发电的接入必须慎重。因此需要对分布式发电接入配电网并网运行时可能存在的问题，对配电网的当前运行和未来发展可能产生正面或负面影响进行深入的研究，并采取适当的措施，以促进分布式发电的健康发展。分布式发电接入配电网时，除基本要求外，还需要满足一些其他要求，主要包括对配电网事故情况下的响应要求、电能质量方面的要求、形成孤岛运行方式时的要求、控制和保护方面的要求以及投运试验的要求等。
1.3.1 分布式电源接入配电网存在的问题
（1）影响电压
若要保证电能的质量，必须将电压保持在特定的范围内。将分布式电源接入配电网会极大地影响配电网馈线上的电压。与分散在多个节点上相比，聚集在同一节点上的相同渗透率的分布式电源，对电压的支持效果会更明显。在稳定状态下，配电网馈线的每处负荷节点上的电压都会变高。
（2）影响继电保护
分布式电源接入配电网时，为保证设备的正常运作，在发生故障时要切断电网中的分布式电源。在架空线和地下电缆的混合线路中切断分布式电源，变压器会空载运作，电缆与线圈发生铁磁谐振，出现不规则的高电压和大电流，此时会极大地影响电力设备的安全和功能。
（3）影响配电网规划
分布式发电会影响发电系统的负荷预测和规划，增加其不确定性，并增加配电网规划工作的难度和复杂性。分布式电源接入配电网会在某种程度上变更配电网的内部结构和运作方式。因此，为保证电网的安全性和稳定性，应该把分布式电源单元集中到现成的配电网中，统一调配分布式电源。
1.3.2 分布式电源接入配电网的基本要求
1）与配电网并网时，可按系统能接受的恒定功率因素或恒定无功功率输出的方式运行。分布式发电本身允许采用自动电压调节器，但在运行电压调节时应遵循已有的相关标准和规程，不应造成在公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）处的电压和频率频繁越限，更不应对所联配电网的正常运行造成危害。一般而言，不应由分布式发电承担PCC处的电压调节，该点的电压调节应由电网企业来负担，除非与电网企业达成专门的协议。
2）采用同期或准同期装置与配电网并网时，不应造成电压过大的波动。
3）分布式发电的接地方案及相应的保护应与配电网原有的方式相协调。
4）容量达到一定大小（如几百千伏安至1MVA）的分布式发电，应将其连接处的有功功率、无功功率的输出量和连接状态等方面的信息传给配电网的控制调度中心。
5）分布式发电应配备继电器，以使其能检测何时应与电力系统解列，并在条件允许时以孤岛方式运行。
6）与配电网间的隔离装置应该是安全式的，以免设备检修时造成人员伤亡。
1.3.3 分布式发电与电能质量
分布式发电其实对电能质量有一些有利的影响，比如当系统中关联负载较大时，分布式电源能够及时快速地提供电能，使系统尽可能减少故障，从而提高电网的稳定性。同时，分布式电源的接入提高了接入点的短路容量水平，增加电网强度，降低电压波动与闪变。分布式电源的接入减少了馈线中的传输功率，同时加上DEG无功出力的支持，对负荷节点起到电压支撑的作用。而且，分布式电源与电能质量调节器的优化配置可以实现统一控制，如分布式发电设备应用到配电系统柔性交流输电技术中去，不仅提高了电能质量水平，而且减少了设备投资。但是，DG的渗透也给配电网电能质量水平带来了严重的影响。DEG会引起一些电力扰动，如电流的剧烈变化引起的瞬变、发电机组输出功率的周期性变化导致的电压波动、发电机有功和无功功率变化引起的长时间电压变动、单相发电机组引起的不平衡问题、短路电流水平增大引起的不平衡问题、短路电流水平增大引起的电压暂降特征的改变等。与分布式发电相关的电能质量问题主要考虑以下方面。
1．供电的暂时中断
在许多情况下，分布式发电被设计成当电网企业供电中断时作为备用发电来向负荷供电，较典型的情况是采用柴油发电机作为备用电源。但从主供电源向备用电源转移往往不是一种无缝转移，开关切换需要一定的时间，所以可能仍然存在一定时间的中断。
如果正常运行时，分布式发电与电网企业的主供电电源并列运行，情况有可能好一些，但需要支付一定的成本费用，并且还要受到容量和运行方式的限制。如果分布式发电处于热备用状态，且与系统并列运行或同时还带部分负荷，一旦系统出现故障，若分布式发电容量太小，或转移的负荷太大，则可能需要切除部分负荷，也可将负荷分组，在电源转移时仅带少量不可中断的负荷，否则会引起孤立系统电压和频率的下降并越限，无法维持正常运行。
2．电压调节
由于分布式发电的发电机具有励磁系统，可在一定程度上调节无功功率，从而具有电压调节能力。因此，一般认为分布式发电可以提高配电网馈线的电压调节能力，而且调节速度可能比调节变压器分接头或投切电容器快，但实际上并非完全如此。
当分布式发电远离变电站时，对变电站母线电压的调节能力就很弱；有些发电机采用感应电机（如风力发电机），可能还要吸收无功，而不适用于电压调节；逆变器本身不产生无功功率，需要由其他无功功率设备作补偿；电网企业往往不希望分布式发电对公共连接点处的电压进行调节，因为担心其对自己的无功调节设备产生干扰；在多个分布式发电之间有时也会产生调节时的互相干扰；小容量的分布式发电通常也无能力进行电压调节，而往往以恒定功率因数或恒定无功功率的方式运行；大容量的分布式发电虽然可以用来调节公共连接点处的电压，但必须将有关信号和信息传到配电系统的调度中心，以进行调度和控制的协调。问题是分布式发电的启停往往受用户控制，若要来承担公共连接点处的电网调节任务，一旦停运，公共连接点处的电压调节就有可能成问题。
3．谐波问题
采用基于晶闸管和线路换相的逆变器的分布式发电会有谐波问题，但采用基于IGBT和电压源换相的逆变器越来越多，使谐波问题大大缓解。后者有时在切换过程中会出现某些频率谐振，在电源波形上也会出现高频的杂乱信号，造成时钟走时不准等。这种情况需要在母线上安装足够容量的电容器，将高频成分滤除。由于分布式发电的发电机本身有时也会产生3次谐波，如与发电机相连的供电变压器在发电机侧的绕组是星形的，则3次谐波就有可能形成通路。若该绕组是三角形的，则3次谐波会在绕组中相互抵消。
4．电压暂降
电压暂降（Voltage Dip或Voltage Sag）是最常见的电能质量问题，分布式发电是否有助于减轻电压暂降，取决于其类型、安装位置以及容量大小等。
1.3.4 分布式电源并网规程
分布式电源可以独立地带负荷运行，也可与配电网并网运行。一般而言，并网运行对分布式发电的正常运行无论从技术上看还是从经济上看均十分有利，目前分布式发电在电网中的比例越来越大，并网运行的方式逐渐成为一种普遍的运行方式。当其并网运行时，对与之相连配电网的正常运行会产生一定影响，反之，配电网的故障也会直接影响到其本身的正常运行。为了将分布式发电可能产生的负面影响降低到最小，并尽可能发挥其积极的作用，同时也为了保证其本身的正常运行，按照一定的规程进行极为重要。为此，世界上的一些发达国家和专门的学会、标准化委员会，如IEEE、IEC以及日本、澳大利亚、英国、德国等纷纷制定相应的并网规则和规程，中国也开展了这方面的工作。
这里特别指出的是，IEEE主持制定了IEEE 1547—2003《分布式电源与电力系统互联标准》，并以此作为美国国家层面的标准。该标准于2003年获得批准并发布实施。IEEE 1547规定了10MVA及以下分布式电源并网技术和测试要求，其中包含7个子标准：IEEE 1547.1规定了分布式电源接入电力系统的测试程序，于2005年7月颁布；IEEE 1547.2是IEEE 1547标准的应用指南，提供了有助于理解IEEE 1547的技术背景和实施细则；IEEE 1547.3是分布式电源接入电力系统的监测、信息交流与控制方面的规范，于2007年颁布实施，促进了一个或多个分布式电源接入电网的协同工作能力，提出了监测、信息交流以及控制功能、参数与方法方面的规范；IEEE 1547.4规定了分布式电源独立运行系统设计、运行以及与电网连接的技术规范，该标准提供了分布式电源独立运行系统接入电网时的规范，包括与电网解列和重合闸的能力；IEEE 1547.5规定了大于10MVA的分布式电源并网的技术规范，提供了设计、施工、调试、验收以及维护方面的要求，目前尚是草案；IEEE 1547.6是分布式电源接入配电二级网络时的技术规程，包括性能、运行、测试、安全以及维护方面的要求，目前尚是草案；IEEE 1547.7是研究分布式电源接入对配电网影响的方法，目前亦是草案。
日本2001年制定了JEAG 9701—2001《分布式电源相容并网技术导则》，对分布式发电的并网起到了很好的指导作用。
1.3.5 分布式发电并网的控制和保护
分布式发电并网系统包括两个含义：在分布式发电和电网之间建立设备之间的物理连接，即硬件；分布式发电与外界形成电气连接手段。同时，依靠这些电接触的硬件，也可以实现分布式发电单元的监控、控制、测量、保护和调度功能。每个分布式发电在电网系统中的应用不一定包含所有组件，具体由市场需求选择，技术特点以及相关规范和标准驱动。分布式发电网络有两个方面的问题：一是网络本身的结构和性能；二是分布式发电在电网之后对电力系统的运行、控制和保护等方面的影响。
当分布式发电与配电网运行时，有时配电网会出现故障，此时为使其与配电网配合良好，除了配电网本身需要配备一定的控制和保护装置外，分布式发电也应配备能检测出配电网中故障并作出反应的装置和保护继电器。
分布式发电系统应配备什么样的保护装置，与容量的大小和系统的复杂程度有关。但至少应配备有过电压继电器和欠电压继电器，主要检测电网侧扰动，以判断配电系统是否有故障存在。另外，还须配备高/低频继电器，以检测与电网相连的主断路器是否已跳开，即是否已形成孤岛状态，因为主断路器断开后会产生较大的频率偏移。过电流继电器的配置取决于不同类型的分布式发电提供故障电流的能力。有些电力电子型分布式发电在故障时并不能提供较大的短路电流，采用过电流继电器就不合适。对于较大容量的分布式发电和较复杂的系统，除了上述保护装置外，还可配备一些其他继电保护装置，如用于防止发电机因不平衡而损坏的负序电压继电器，防止发电铁磁谐振的瞬时过电压（峰值）继电器，用于检测单相接地故障防止发电机成孤岛运行方式的中性线零序电压继电器，用于控制主断路器闭合的同步继电器。
除了上述主要用于发电机并网的保护装置外，发电机本身也应该安装一些保护装置，如快速检测发电机接地故障的差动接地继电器，以及失磁继电器、逆功率继电器、发电机过电流继电器等。发生故障时，分布式发电配备的故障检测继电器在经过一定的时延将其与系统解列。
1.3.6 分布式发电并网运行时与电网的相互影响
1．对电能质量的影响
在分布式电源并网技术的实际应用过程中，需要根据实际情况对其中存在的问题进行有效分析，从而有效地改善电能质量。
（1）电压调整
由于分布式发电是由用户来控制的，因此用户将根据自身需要频繁地启动和停运，这会使配电网的电压常常发生波动。分布式发电的频繁启动会使配电线路上的潮流变化大，从而加大电压调整的难度，调节不好会使电压超标。未来的分布式发电可能会大量采用电力电子型设备，电压的调节和控制与常规方式会有很大不同（有功和无功可分别单独调节，用调节晶闸管触发角的方式来调无功，且调节速度非常快），需要相应的控制策略和手段与其配合。若分布式电源为采用异步电机的风电机组，由于需要从配电网吸收无功功率，且该无功功率随风的大小和相应的有功功率变动而波动，因此电压调节变得困难。
（2）电压闪变
当分布式发电与配电网并网运行时，因由配电网的支撑，一般不易发生电压闪变，但切换成孤岛方式运行时，如无储能元件或储能元件功率密度或能量密度太小，就易发生电压闪变。
（3）电压不平衡
如电源为电力电子型，则不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压。
（4）谐波畸变和直流注入
电力电子型电源易产生谐波，造成谐波污染。此外，当分布式发电无隔离变压器而与配电网直接相连，有可能向配电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附近机械负荷产生转矩脉动（Torque Ripple）。
2．对继电器保护的影响
1）分布式发电须与配电网的继电保护装置配合。配电网中大量的继电保护装置早已存在，不可能做大量的改动，分布式发电必须与之配合并尽可能地适应。
2）可能使重合闸不成功。如配电网的继电保护装置具有重合闸功能，则当配电网故障时，分布式发电的切除必须早于重合时间，否则会引起电弧的重燃，使重合闸不成功（快速重合闸时间为0.2～0.5s）。
3）会使保护区缩小。当有分布式发电功率注入配电网时，会使继电器原来的保护区缩小，从而影响继电保护装置的正常工作。
4）使继电保护误动作。传统的配电网大多为放射型，末端无电源，不会产生转移电流，因而控制开关动作的继电器不需要具备方向敏感功能，如此当其他并联分支故障时，会引起分布式发电分支上的继电器误动，造成该无故障分支失去配电网主电源。
3．对配电网可靠性的影响
分布式发电可能对配电网可靠性产生不利的影响，也可能产生有利的作用，需要视具体情况而定，不能一概而论。
（1）不利情况
①大系统停电时，由于燃料（如天然气）中断或失去辅机电源，部分分布式发电会同时停运，这种情况下无法提高供电的可靠性。②分布式发电与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动，反而使可靠性降低。③不适当的安装地点、容量和连接方式会降低配电网可靠性。
（2）有利情况
①分布式发电可部分消除输配电的过负荷和堵塞，增加输电网的输电裕度，提高系统可靠性。②在一定的分布式发电配置和电压调节方式下，可缓解电压暂降，提高系统对电压的调节性能，从而提高系统的可靠性。③特殊设计分布式发电可在大电力输配电系统发生故障时继续保持运行，从而提高系统的可靠性水平。
一般而言，人们相信分布式电源系统能支持所有重要的负荷，即当失去配电网电源时，分布式电源会即刻取代它从而保证系统电能质量不下降，但实际上很难做到这一点，除非配备适当且适量的储能装置。燃料电池的反应过程使其本身难以跟随负荷的变化做出快速反应，更不用说在失去配电网电源时保持适当的电能质量，即使是微燃机、燃气轮机等也难以平滑地从联网运行方式转变到孤岛运行方式。
4．对配电系统实时监视、控制和调度方面的影响
传统配电网的实时监视、控制和调度是由电网统一来执行的，由于原先配电网是一个无源的放射形电网，信息采集、开关操作、能源调度等相对比较简单。分布式发电的接入使此过程复杂化。需要增加哪些信息，这些信息是作为监视信息还是作为控制信息，由谁执行等，均需要依据分布式发电并网规程重新予以审定，并通过具体的分布式发电并网协议最终确定。
5．孤岛运行问题
孤岛运行往往是分布式电源（分布式发电）需要解决的一个极为重要的问题。一般而言，分布式发电的保护继电器在执行自身的功能时，并不接受来自于任何外部与之所连系统的信息。如此，配电网的断路器可能已经打开，但分布式发电的继电器未能检测出这种状况，不能迅速地做出反应，仍然向部分馈线供电，最终造成系统或人员安全方面的损害，所以孤岛状况的检测尤为重要。
当配电系统采用重合闸时，分布式发电本身的问题也值得关注。一旦检测出孤岛的情况，应将分布式发电迅速地解列。若远方配电网的断路器重合，分布式发电的发电机仍然连接，则由于异步重合带来的冲击，发电机的原动机、轴和一些部件就会损坏。这样，分布式发电的存在使配电网的运行策略发生了变化，即采用瞬时重合闸使配电网将不得不延长重合闸的间隔时间，以确保分布式发电能有足够的时间检测出孤岛状况并将其与系统解列。这说明当配电网故障，分布式发电有可能采取解列运行方式时，解列后再并网时的不同期问题成为减小对配电网和分布式发电本身的冲击所需要解决的主要问题，为此必须有一定的控制策略和手段来给予保证。
6．其他方面影响
（1）短路电流超标
有些电网企业规定，正常情况下不允许分布式发电功率反送。分布式发电接入配电网侧装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但当配电系统发生故障时，短路瞬间会有分布式发电的电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平，可能使配电网的开关短路电流超标。因此，大容量分布式发电接入配电网时，必须事先进行电网分析和计算，以确定它对配电网短路电流的影响程度。
（2）铁磁谐振（Ferro-resonance）
当分布式发电通过变压器、电缆线路、开关与配电网相连时，一旦配电网发生故障（如单相对地短路）而配电网侧开关断开，分布式发电侧开关也会断开，假如此时分布式发电变压器未接负荷，变压器的电抗与电缆的大电容可能发生铁磁谐振而造成过电压，还可能引起大的电磁力，使变压器发出噪声或使变压器损坏。
（3）变压器的连接和接地
当分布式发电采用不同的变压器连接方式与配电网相连时，或其接地方式与配电网的接地方式不配合时，就会引起配电网侧和分布式发电侧的故障传递问题及分布式发电的3次谐波传递到配电网侧的问题，而且，分布式发电侧保护继电器也会检测到配电网侧故障而动作，由此可能引起一系列问题。
（4）调节配合
配电网电容器投切应与分布式发电的励磁调节配合，否则会出现争抢调节的现象。
（5）配电网效益
分布式发电的接入可能使配电网的某些设备闲置或成为备用设备。例如，当分布式发电运行时，其相应的配电变压器和电缆线路常常因负荷小而轻载，这些设备成为它的备用设备，导致配电网的成本增加，电网企业的效益下降。另外，还可能使配电系统负荷预测更加困难。
光伏发电接入电力系统还有一些特殊问题，根据日本和德国的家用光伏发电设备的安装情况和运行经验，大多光伏发电设备安装在居民屋顶，且大部分并网运行，但一般并不安装蓄电池等储能设备，如此会产生一定量的反向功率输入电网，此时会由于云层的变化而造成公共连接点的电压波动和电压升高，如与各相负荷连接的光伏发电设备数量不均匀的话，很容易产生不平衡电流和不平衡电压。由此，在大量安装光伏发电设备的情况下，无功补偿和调节手段显得极为重要。
因此，当分布式发电并网运行时，人们很关心它会对配电网产生什么样的影响，采取什么措施可将其负面影响减到最小。分布式发电的影响与其安装的地点、容量以及数量密切相关。配电网馈线上能安装分布式发电的数量，是与电能质量问题密切相关的，也与电压调节能力有关，在将来有大量分布式发电时，通信和控制可能成为关键。
1.3.7 分布式电源电能质量的改善方法
分布式电源的出现，尤其是风能和太阳能的利用，为我国配电网改革提供了方向。在分布式发电接入方式当中，必须要明确配电方式的优势，明确该配电方式对现有配电网的影响，并根据这些影响进行不断研究，最大限度地实现对电力系统的有效运行和合理控制，最终对电能质量进行改善，提升其经济效益和社会效益，推动我国分布式发电更好地发展，推动我国配电网朝着科学、绿色化方面改革。
（1）在配电设备上取得进一步突破
近年来，世界各国对分布式发电技术的关注越来越高，甚至有不少国家对分布式电网制订了相应的宏观发展计划。分布式发电要解决电量质量不稳定因素，可以从提升设备的性能入手。重点从提高抑制谐波、降低电压波动和闪烁以及解决三相不平衡方面的器件入手，改善现阶段分布式电源电量质量的问题。目前，在分布式电源中广泛应用的设备包括有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D-STATCOM）和固态切换开关（SSTS）等。APF能够有效补偿谐波，降低谐波污染；DVR能够很好地维持电压稳定。虽然这些设备能够保障发电设备的正常稳定与平衡，但是在实际工作中难免会出现误差影响分布式电源的质量。因此，需要在此基础上进一步改善现有的电子元件，争取将实际工作中出现错误的概率降为零。
（2）实行可行的研究方案及其思路
在西方发达国家的电网配备中，配电系统柔性交流输电（DFACTS）技术被广泛应用。DFACTS装置主要包括有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D-STATCOM）和固态切换开关（SSTS）等。DFACTS技术能够实现电路的科学控制，而分布式发电要想能够控制电能质量，必须要依靠DFACTS技术才能够得到有效控制。因此，在实际的分布式发电配网过程中，可以借助这种控电思路。
（3）注重传统电网与分布式发电相结合
分布式发电存在的诸多问题，单独靠分布式发电本身并不能解决所有的问题。因此，可以借鉴传统的配电网先进经验，将一些传统配电网中用以改善电能质量的技术引入到分布式发电中。这样不仅能够有效节约研究投入，而且能够为解决分布式电源电能质量的问题提供参考。由于实际工作中传统的电能质量提高方案并不一定完全适用于分布式发电，因此务必要注重二者有机结合的科学性，避免出现错误的指导和不合理的利用。
在我国，上海市电力公司和上海燃气集团公司联合制定了《分布式供能系统工程技术规程》，上海市政府于2005年8月发文要求在全市范围内贯彻实施这一规程。国家电网公司于2010年8月发布了《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW 480—2010》，规定指出接入系统原则为：①并网点的确定原则为电源并入电网后能有效输送电力并且能确保电网的安全稳定运行。②当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。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%。③分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不宜低于10。④分布式电源接入电压等级宜按照：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。经过技术经济比较，分布式电源采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时，可采用低一电压等级接入。但总体来说，我国在这方面的工作还比较滞后，特别是接入配电线路的DG的并网问题，没有可供参考的技术标准、规范，急需启动有关标准的制定工作。