分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的研究

姚文博

摘 要：隨著分布式電源在配電網(wǎng)的滲透率日益增加，分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量影響愈發(fā)突出。通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)中的分布式電源技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，詳細(xì)分析了分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)造成的電壓偏差與波動(dòng)，諧波污染以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因與危害，在此基礎(chǔ)之上，深入探討了分布式電源的接入對(duì)改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)與作用。

關(guān)鍵詞：分布式電源；電能質(zhì)量；配電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來(lái)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電負(fù)荷總量急劇增長(zhǎng)，集中式大容量的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)一些無(wú)法忽視的弊端逐漸暴露出來(lái)：大面積停電事故屢發(fā)不止，偏遠(yuǎn)地區(qū)輸電費(fèi)用過(guò)高，無(wú)法靈活跟蹤負(fù)荷變化等。此外，世界性的能源危機(jī)與環(huán)境污染，讓各國(guó)對(duì)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)等問題日益重視?；谝陨显?，為了減少遠(yuǎn)距離輸電的電能損耗，就地實(shí)現(xiàn)能源的開發(fā)與利用，一種高效、靈活、清潔的新型發(fā)電技術(shù)—分布式發(fā)電成為了電力系統(tǒng)的新興研究熱點(diǎn)，引起了世界范圍內(nèi)科學(xué)研究工作者的廣泛關(guān)注和研究。

然而，隨著分布式電源在電力系統(tǒng)中的不斷滲透，分布式電源接入對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)等方面的影響相繼暴露出來(lái)。其中，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于電能質(zhì)量的要求不斷提高，而許多電能質(zhì)量新問題也隨分布式電源的接入而產(chǎn)生，因此，通過(guò)研究分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響將更好地指導(dǎo)我們?nèi)绾纬浞职l(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用以及維護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性具有重大的意義。

1.分布式電源技術(shù)

分布式電源，通常是指接入35kV及以下電壓等級(jí)，容量為數(shù)千瓦至幾十兆瓦的小型模塊式、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些小容量的發(fā)電裝置可以直接連接在配電網(wǎng)上，甚至可以直接安裝在每個(gè)居民家中，主要包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備、光伏發(fā)電等。

相對(duì)于傳統(tǒng)的大容量集中式發(fā)電廠，分布式電源的優(yōu)勢(shì)在于可以充分開發(fā)利用各種分散存在的可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能等）和清潔能源（如天然氣），對(duì)節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)和人類可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。其次，分布式電源容量較小，接入電網(wǎng)的操作簡(jiǎn)單，控制靈活，直接接入用戶附近，可以大大減少輸電線路的電能損耗。除此之外，分布式電源非常適合為那些遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的如海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，形成獨(dú)立的發(fā)用電系統(tǒng)，非常具有實(shí)用價(jià)值。

2.分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

電能質(zhì)量指的是導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差。電能質(zhì)量的內(nèi)容包括電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、頻率偏差、電壓偏差、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、諧波、電壓暫降等。分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在電壓偏差和波動(dòng)，諧波污染和三相不平衡。

2.1 電壓偏差

電力系統(tǒng)電壓偏差是指網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)的實(shí)際電壓值同該處的額定電壓值之差，一般以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示：

電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中規(guī)定：10kV及以下電壓等級(jí)的供電電壓偏差范圍為額定電壓的±7%。

集中供電的傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)一般呈輻射狀，在配電線路上，電能從電源向負(fù)載單方向流動(dòng)。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電壓沿著配電線路是逐漸降低的。而分布式電源接入后，相當(dāng)于在負(fù)荷側(cè)接入電源，對(duì)原來(lái)電網(wǎng)中電源的供電需求會(huì)降低，導(dǎo)致配電饋線上的傳輸功率減小。除此之外，由于分布式電源輸出的無(wú)功支持，會(huì)使配電饋線上的各節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高，一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓便因此產(chǎn)生偏差，電壓偏差的程度取決于分布式電源接入的位置及容量的大小。

配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓偏差，許多設(shè)備的正常運(yùn)行將會(huì)受到影響，使生產(chǎn)線程序紊亂，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。實(shí)際電壓偏高，將對(duì)設(shè)備造成過(guò)電壓，威脅設(shè)備絕緣，降低設(shè)備使用壽命。實(shí)際電壓偏低會(huì)造成敏感設(shè)備停止運(yùn)行或不正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法重啟，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)正常工作會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。

2.2 電壓波動(dòng)

電壓波動(dòng)是隨著系統(tǒng)中的波動(dòng)負(fù)荷而產(chǎn)生的一種電壓隨機(jī)變動(dòng)。電壓波動(dòng)衡量方法為為電壓方均根值曲線上相鄰的兩個(gè)極值之差，然后與系統(tǒng)額定電壓的比值。

分布式電源受氣候和環(huán)境的影響較大，其輸出的不確定性會(huì)造成所接電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的電壓波動(dòng)。其中以風(fēng)能、太陽(yáng)能受環(huán)境的變化影響最為嚴(yán)重。在正常運(yùn)行情況下，如果環(huán)境突然發(fā)生變化，如光伏池板上空突然有烏云飄過(guò)，或者忽然刮起大風(fēng)等，都會(huì)造成這些分布式電源輸出功率發(fā)生變化，進(jìn)而使電網(wǎng)產(chǎn)生電壓波動(dòng)。

配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，將引起照明燈光閃爍、電視機(jī)畫面亮度變化，引起人的視覺不適和疲勞，進(jìn)而影響視力；還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，危害電機(jī)運(yùn)行和壽命；此外，電壓波動(dòng)還會(huì)影響對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的工藝或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

2.3 諧波

供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性交流信號(hào)量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù)。波形畸變現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由電力電子設(shè)備，以及其他非線性負(fù)荷造成。國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）中規(guī)定0.38kV低壓配電網(wǎng)的諧波電壓總畸變率上限為5%。

由于分布式電源一般通過(guò)換流器等電力電子設(shè)備并網(wǎng)。如光伏發(fā)電需要使用逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟姴⒕W(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電需要使用變頻器控制其受風(fēng)速影響的電壓和頻率進(jìn)行并網(wǎng)。而電力電子設(shè)備作為典型的非線性負(fù)荷，電力電子器件頻繁的導(dǎo)通與關(guān)斷容易在其開關(guān)頻率附近產(chǎn)生大量諧波分量，這些諧波電流注入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成諧波污染，并且越靠近開關(guān)頻率，諧波分量就會(huì)越大。

分布式電源接入導(dǎo)致的配電網(wǎng)諧波污染會(huì)使電網(wǎng)元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，影響各種電氣設(shè)備的正常工作，如使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使電纜和電容器等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化，以致?lián)p壞。除此之外，諧波還會(huì)干擾通信，造成自動(dòng)化裝置誤動(dòng)作。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，諧波會(huì)引起電網(wǎng)中的局部諧振，使對(duì)應(yīng)次數(shù)的諧波放大，上述危害大大增加，引起嚴(yán)重事故。

2.4 不平衡

理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應(yīng)有相同的幅值，且相位角互差120°，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡系統(tǒng)。電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱故障，或者三相元件或負(fù)載不對(duì)稱等都會(huì)造成電力系統(tǒng)三相不平衡。電力系統(tǒng)中采用不平衡度描述電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度，用電壓或電流負(fù)序分量與正序分量的方均根值百分比表示。國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量三相供電電壓允許不平衡度》（GB/T15543-95）中規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連結(jié)點(diǎn)正常電壓不平衡允許為2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。

3.分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善

雖然分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來(lái)一系列不利的影響，但是由于其靈活的控制方式，分布式電源也存在改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的能力。

3.1 改善配電網(wǎng)電壓質(zhì)量

首先，分布式電源安裝在電力用戶附近，既能方便地實(shí)現(xiàn)有功功率就近提供，也能方便地進(jìn)行無(wú)功功率就近補(bǔ)償，可以大大減少輸電損耗。分布式電源的接入會(huì)增大配電網(wǎng)的短路容量，配電網(wǎng)中因負(fù)荷波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)會(huì)得到一定的抑制和削弱。其次，分布式電源的并網(wǎng)變流器控制靈活，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂疲梢钥刂平尤朦c(diǎn)電壓，等效于并入STATCOM，通過(guò)對(duì)并網(wǎng)變流器的控制，在實(shí)現(xiàn)電能的傳輸轉(zhuǎn)換的同時(shí)，在一定程度上還會(huì)靈活地改善配電網(wǎng)內(nèi)的電壓質(zhì)量。另外，很多分布式電源在接入電網(wǎng)時(shí)都配備一些相應(yīng)的補(bǔ)償裝置，來(lái)改善因分布式電源投入而引起的電能質(zhì)量問題。

3.2 增加系統(tǒng)可靠性

由于分布式電源的容量較小，位置較為分散，控制較為靈活，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，分布式電源能夠迅速地進(jìn)行投切，因此具有應(yīng)急和備用功能，增加系統(tǒng)可靠性。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源不僅能夠繼續(xù)保持運(yùn)行，還可以轉(zhuǎn)做備用電源，在適當(dāng)控制條件下會(huì)盡可能時(shí)間短的投入使用，對(duì)減小停電范圍、縮短停電時(shí)間都具有很大幫助，從而增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結(jié)論

（1）分布式電源作為一種高效、環(huán)保、靈活的新型發(fā)電技術(shù)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（2）由于分布式電源出力的波動(dòng)性以及并網(wǎng)機(jī)組的非線性，分布式電源的接入將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成電壓偏差、電壓波動(dòng)、諧波污染、三相不平衡等電能質(zhì)量影響。

（3）由于分布式電源和電力用戶距離近，容量小，數(shù)目多，位置分散，控制靈活，對(duì)改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，增加系統(tǒng)可靠性具有潛在優(yōu)勢(shì)。

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