基于運行方式分析的微電網(wǎng)電能質(zhì)量研究

潘漢廣

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211000）

0 引言

微電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)中的微電源包括2類，一類是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，另一類是采用電力電子裝置與大電網(wǎng)相連的電源。其中，第2類電源又分為直流電源和高頻交流電源。

由于微電網(wǎng)的電源接在用戶側(cè)，且微電源多采用電力電子裝置接入，其結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，因此，微電網(wǎng)實際應(yīng)用中必須考慮其自身的特殊性。只有通過研究微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點及運行模式，才能進行微電網(wǎng)電能質(zhì)量的相關(guān)分析。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點

從微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以看出，微電網(wǎng)具有如下特點：

（1）一般微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)的形式為單點接入，即從配電網(wǎng)側(cè)看，微電網(wǎng)可作為可控的負(fù)荷或發(fā)電單元。這種即插即用的形式，使微電網(wǎng)中各種分布式電源得到了充分的利用，減少了分布式電源直接接入對大電網(wǎng)造成的影響，有利于電網(wǎng)的管理與運行，同時減少了大型發(fā)電廠的備用容量，也能降低輸電線路的損耗。

（2）具有并網(wǎng)模式和孤島模式2種工作模式。并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)、微電網(wǎng)均能供電，微電網(wǎng)能夠與配電網(wǎng)實現(xiàn)能量交換。當(dāng)電能質(zhì)量不能滿足用戶要求或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)與主網(wǎng)隔離，運行于孤島模式。

（3）由于微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)受天氣條件影響很大，因此，需要根據(jù)實際地理條件對分布式電源的位置進行選擇，實現(xiàn)因地制宜。

2 微電網(wǎng)運行模式與控制要求

微電網(wǎng)主要有4種運行模式：2種穩(wěn)態(tài)運行模式（并網(wǎng)運行、孤島運行）以及2種過渡狀態(tài)。2種過渡狀態(tài)分為正常運行下的微電網(wǎng)與主網(wǎng)解列、并列以及采用黑啟動恢復(fù)時微電網(wǎng)從停運轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的狀態(tài)。

正常運行狀況下，微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式，即與低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運行；當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或不能滿足電能質(zhì)量要求時，微電網(wǎng)將與大電網(wǎng)隔離，靜態(tài)開關(guān)斷開，即微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u運行模式，以確保對敏感負(fù)荷和重要負(fù)荷的不間斷供電。因此，靜態(tài)開關(guān)和微電源是微電網(wǎng)的2個關(guān)鍵元件。微電網(wǎng)中每個微電源出口都具備電壓控制器和功率控制器，因此，在大電網(wǎng)出現(xiàn)問題時，各微電源在能量管理系統(tǒng)或自身控制方式下，不斷對輸出電壓進行調(diào)整，減少系統(tǒng)中形成的無功環(huán)流。當(dāng)故障消失后，微電網(wǎng)重新并入大電網(wǎng)正常運行。

3 微電網(wǎng)電能質(zhì)量研究

微電網(wǎng)可以與大電網(wǎng)互為補充，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，并滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量多樣化的需求。但是隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展，微電源種類和數(shù)量也不斷增多，微電網(wǎng)本身存在的電能質(zhì)量問題不容忽視。以下將對影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的因素進行分析。

3.1 諧波

造成微電網(wǎng)諧波問題的主要原因分為3類：微電源電力電子接口、配電網(wǎng)的諧波滲透以及微電網(wǎng)中非線性負(fù)荷。微電網(wǎng)中大多數(shù)微電源或儲能裝置經(jīng)電力電子裝置接入配電網(wǎng)，由于所采用的電力電子元件不同，可能產(chǎn)生不同的諧波。微電網(wǎng)的高滲透率也會導(dǎo)致配電網(wǎng)諧波水平上升。另外，對于已具有較高諧波水平的配電網(wǎng)來說，并網(wǎng)模式下，低壓配電網(wǎng)中的諧波會由公共連接點滲透到微電網(wǎng)中，影響微電網(wǎng)正常運行，并可能導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。此外，微電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷會注入大量的電流諧波，如不及時進行治理，將可能導(dǎo)致公共連接點電壓波形發(fā)生畸變。

3.2 電壓波動和閃變

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中電壓波動和閃變主要歸因于負(fù)荷無功功率的波動。而在微電網(wǎng)中，除了負(fù)荷的影響，自然因素也會影響光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力，最終引起電壓的波動。下面分析電壓波動產(chǎn)生的機理。

圖1為微電網(wǎng)并網(wǎng)運行等效電路圖。其中，U·1為微電源的出口電壓相量，U·2為配電網(wǎng)電壓相量，Z為線路阻抗。

圖1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行等效電路

令R為線路電阻，X為線路電抗，P為線路傳輸?shù)挠泄β剩琎為線路傳輸?shù)臒o功功率，S為線路傳輸?shù)目傄曉诠β?，則有如下公式：

取U·2與實軸重合，其相量圖如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電壓相量圖

從圖2可以得到：

則電網(wǎng)電壓波動為：

微電源一般距離用戶較近，且傳輸線以低壓為主（R>>X），所以又存在公式（8）：

通過上述分析可知，電壓波動主要與微電源輸出的有功功率和無功功率有關(guān)，又由于微電源出力主要以有功功率為主，所以微電網(wǎng)并網(wǎng)電壓波動問題主要是由微電源輸出功率波動引起的。

3.3 電壓暫降

電壓暫降是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量下降中最為嚴(yán)重的問題。微電網(wǎng)電壓暫降的問題主要是由微電網(wǎng)和大電網(wǎng)2個方面所導(dǎo)致。

首先，微電網(wǎng)中微電源自身啟停以及輸出電能波動，都會影響配電網(wǎng)中用戶的電壓質(zhì)量。特別是可再生能源發(fā)電的微電源，它們受自然因素影響較大，通常情況下發(fā)電量不穩(wěn)定，甚至在一些特殊情況下會出現(xiàn)頻繁啟停，此時將會對配電網(wǎng)的電壓造成沖擊，直接影響到用戶的正常用電，使用戶遭受不必要的損失。

其次，微電網(wǎng)一般距離負(fù)荷比較近，位于配電網(wǎng)的末端，極易受到配電網(wǎng)暫態(tài)及其他擾動的影響。如只有主網(wǎng)電壓嚴(yán)重失衡時，微電網(wǎng)接入主網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)才會斷開；若主網(wǎng)失衡程度沒有嚴(yán)重到觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)動作，微電網(wǎng)必然受到大電網(wǎng)的影響，導(dǎo)致公共連接點處出現(xiàn)不平衡電壓。不平衡電壓出現(xiàn)時，將會降低對用戶的供電可靠性以及電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文主要介紹了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點以及運行方式，并針對微電網(wǎng)中可能影響電能質(zhì)量的因素進行了深入分析，希望能對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究起到參考借鑒作用。

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