微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題淺析及建議

李　樂，馬保慧

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微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題淺析及建議

李樂1，馬保慧2，3

（1．新疆城鄉(xiāng)建設(shè)工程設(shè)計有限公司，新疆烏魯木齊830011；2．天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；3．大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，甘肅天水741020）

摘要：簡單介紹了微電網(wǎng)的基本知識及其特性。以某長期并網(wǎng)運行的風(fēng)電場為例，從電能質(zhì)量角度分析了微電網(wǎng)的電能質(zhì)量特點，并對微電網(wǎng)并網(wǎng)后電能質(zhì)量的改善提出了建議。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；電能質(zhì)量；閃變；諧波；電壓不平衡

1　引言

當前，高速發(fā)展的電力系統(tǒng)進入了智能電網(wǎng)時代，為了確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，負荷中心必須擁有一定比例的供電電源，形成電能就地平衡的運行模式。在這樣的需求之下，集中了電源、負荷及調(diào)節(jié)控制為一體的微電網(wǎng)應(yīng)運而生。微電網(wǎng)運行控制的核心是“自治獨立，協(xié)調(diào)互助”。本文在介紹微電網(wǎng)基本特點的基礎(chǔ)上著重分析微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題。

1．1微電網(wǎng)

微電網(wǎng)是由分布式發(fā)電（DG）、負荷、儲能裝置及控制裝置構(gòu)成的一個可控的獨立發(fā)電系統(tǒng)。微電網(wǎng)中DG和儲能裝置并聯(lián)在一起，直接作用在用戶側(cè)。微電網(wǎng)具備完整的發(fā)、輸、配電功能，又可以認為它是配電網(wǎng)中的一個“虛擬”電源或負荷。對于大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可視為大電網(wǎng)中的一個可控單元，對于用戶側(cè)來說，微電網(wǎng)可獨立滿足用戶側(cè)的特定需求。

1．2微電網(wǎng)的種類

微電網(wǎng)可按照交直流類型分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)，分別如圖1～圖3所示。從整體上看，交直流混合微電網(wǎng)是特殊電源接入交流母線，故仍可看作是交流微電網(wǎng)。

微電網(wǎng)也可按功能需求分為簡單微電網(wǎng)、多種類設(shè)備微電網(wǎng)和公用微電網(wǎng)，還可按用電規(guī)模分為簡單微電網(wǎng)、企業(yè)微電網(wǎng)、饋線區(qū)域微電網(wǎng)、變電站區(qū)域微電網(wǎng)和獨立微電網(wǎng)等。

圖1　直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2　微電網(wǎng)入網(wǎng)電能質(zhì)量要求

2．1一般性要求

分布式電源是指不直接與集中輸電系統(tǒng)相連的35kV及以下電壓等級的電源，主要包括發(fā)電設(shè)備和儲能設(shè)備。分布式電源向負荷和電網(wǎng)所提供的電能，在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、電壓波動和閃變等方面應(yīng)滿足相關(guān)的國家標準。同時，當并網(wǎng)點的諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、電壓波動和閃變等滿足相關(guān)的國家標準時，分布式電源應(yīng)能正常運行。

分布式電源應(yīng)在并網(wǎng)點裝設(shè)滿足《IEC61000-4-30》標準要求的A類電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。10kV-35kV電壓等級并網(wǎng)的分布式電源，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)應(yīng)能夠遠程傳送到電網(wǎng)企業(yè)，保證電網(wǎng)企業(yè)對電能質(zhì)量的監(jiān)控。380V并網(wǎng)的分布式電源，該并網(wǎng)點的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置應(yīng)具備一年及以上的存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)能力，必要時供電網(wǎng)企業(yè)調(diào)用。

2．2頻率偏差限值

分布式電源的頻率偏差應(yīng)滿足GB／T15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》的規(guī)定。

頻率合格率的計算公式如下：

表1　頻率偏差限值表

2．3諧波

分布式電源并網(wǎng)后，注入公共連接點處的諧波電流、諧波電壓應(yīng)滿足GB／T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定。

2．3．1電流諧波

分布式電源所連公共連接點向電網(wǎng)注入的諧波電流分量（方均根值）的允許值不應(yīng)超過表2中的規(guī)定值。按此電源協(xié)議容量與其公共連接點上發(fā)／供電設(shè)備容量之比控制分配。

表2　注入公共連接點的諧波電流允許值

2．3．2電壓諧波

表3　公用電網(wǎng)諧波電壓限值

220kV公共連接點的諧波電壓總畸變率參照110kV電壓等級，以2．0%作為限值。

2．4閃變限值

分布式電源并網(wǎng)后，公共連接點處的電壓波動和閃變應(yīng)滿足GB／T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》的規(guī)定。

表4　閃變限值

電力系統(tǒng)公共連接點，在系統(tǒng)正常運行的較小方式下，以一周（168h）為測量周期，所有長時間閃變值Plt都應(yīng)滿足閃變限值的要求。

2．5電壓不平衡

分布式電源并網(wǎng)后，其公共連接點的三相電壓不平衡度不應(yīng)超過GB／T15543-2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》規(guī)定的限值，公共連接點的三相電壓不平衡度不應(yīng)超過2%，短時不超過4%，其中由各分布式電源引起的公共連接點三相電壓不平衡度不應(yīng)超過1．3%，短時不超過2．6%。

3　實例淺析

3．1項目簡介

下面以安徽某內(nèi)陸低風(fēng)速風(fēng)電場為例，介紹微電網(wǎng)的電能質(zhì)量特點。該風(fēng)電場是風(fēng)速低于6米／秒的低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電項目，整個發(fā)電場共有132臺1500千瓦的發(fā)電機組，該項目總?cè)萘繛?47．5兆瓦，分五期建設(shè)。規(guī)劃每期49．5兆瓦，目前五期均已建成并網(wǎng)發(fā)電。該風(fēng)電場220kV升壓站通過220kV來寶線接入滁州供電公司220kV寶橋變電站。在220kV來寶線裝設(shè)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置ION7650，采集到的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳至主站安徽電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3．2頻率偏差分析

從表5上的數(shù)據(jù)可以看出，該風(fēng)電場并網(wǎng)運行過程中的頻率波動很小，全部在合格范圍內(nèi)。這是由于微網(wǎng)并網(wǎng)運行時頻率主要由主網(wǎng)來調(diào)節(jié)的結(jié)果。

表5　2012年1月-7月頻率測試數(shù)據(jù)

3．3諧波分析

由該電廠2012年1-12月的電流諧波THD、HR（2）至HR（25）測量數(shù)據(jù)可以看出，全年只有一個HR（2）B相最大值超標為38．77，如表6所示。而平均值、95值都沒有超標，說明這個最大值只是個偶然現(xiàn)象。2012年該風(fēng)電場其余諧波含量均在國標范圍以內(nèi)，無超標現(xiàn)象。

表6　2012年1-12月電流諧波數(shù)據(jù)（部分截?。?/p>

3．4閃變分析

在2012年7-12月半年之間，前后有9次閃變不合格。在7月19日、20日閃變最為嚴重，20日達到最大值，見表7記錄。這次較大的波動主要是和電壓波動相關(guān)。在7月20日電壓驟降為0之后在21日恢復(fù)，所以引起閃變達到了最大值。

表7　2012年7-12月閃變（長時）數(shù)據(jù)

3．5三相電壓不平衡

表8　2012年1-12月不平衡度數(shù)據(jù)

項目2012年不平衡度合格，只是在7月18-20日之間出現(xiàn)較大波動。最大值出現(xiàn)在7月18日，見表8，這也是和電壓驟降有關(guān)。

3．6實例總結(jié)

由以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，該風(fēng)電場最主要的電能質(zhì)量問題是電壓波動和閃變。諧波問題基本合格，這可能與該風(fēng)電場長期采用并網(wǎng)運行，并在諧波治理方面已經(jīng)采取了比較有效的補償措施有關(guān)。

4　電能質(zhì)量改善措施

在通常情況下，諧波和電壓波動及閃變?yōu)槲㈦娋W(wǎng)的主要電能質(zhì)量問題，故微電網(wǎng)的電能質(zhì)量優(yōu)化控制可以從下面兩個方面著手。

4．1諧波抑制

諧波來源主要有兩個：一是在微電網(wǎng)中由于有大量電力電子器件應(yīng)用于分布式電源，所以不可避免地會給系統(tǒng)帶來大量的諧波，這是微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波；二是并網(wǎng)后從電網(wǎng)向微電網(wǎng)滲透的大量諧波。所以抑制和消除諧波基本上有兩個途徑：（1）從改變非線性負荷本身性能考慮，減少它們注入系統(tǒng)的諧波電流，這主要針對諧波源為電力電子器件等；（2）裝設(shè)無源或有源諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源均是有效的。

4．2電壓波動及閃變的補償

配電網(wǎng)中負荷引起的電壓波動與負荷的無功功率波動成正比，與電網(wǎng)的短路容量成反比。微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，它的短路容量較大，微網(wǎng)中的電壓波動可以被限制在很小的范圍內(nèi)，但當微網(wǎng)獨立運行時，它的短路容量小，電壓波動可能變得比較嚴重。

建議從以下五個方面著手來提高電能質(zhì)量：（1）采用獨立回路供電。采用獨立回路供電后產(chǎn)生波動和閃變的影響范圍比較小，限制了其對其它負荷的影響；將分布式電源接入到有更大短路容量的母線上，可以大大降低其產(chǎn)生的電壓波動和閃變。（2）降低共用配電線路阻抗。其本質(zhì)也是通過增加短路容量的辦法。（3）提高供電電壓。電壓損失的百分比與電網(wǎng)額定電壓的平方成反比。因此，可以通過提高供電電壓來降低波動和閃變。在同樣功率波動下，采用1．05V供電產(chǎn)生的電壓閃變是采用0．95V供電電壓時的0．82倍左右。（4）采用靜止型無功功率補償裝置。（5）做好分布式電源和儲能裝置的配合。儲能裝置在一定程度上能夠有效地穩(wěn)定系統(tǒng)，起到過渡作用并降低波動的幅度和頻率，從而降低閃變。

5　結(jié)束語

本文結(jié)合目前傳統(tǒng)電網(wǎng)中電能質(zhì)量的特點對微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題和改善措施進行了淺析。由于微電網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)和運行特點以及其中所包含的眾多儲能設(shè)備、檢測控制設(shè)備等，這都使得微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題變得復(fù)雜并出現(xiàn)了許多新的特點，所以微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題仍然是未來微電網(wǎng)研究的一個重要方向。

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Analysis and suggestion of power quality problem in micro grid

LI Le1，MA Bao-hui2，3

（1．Xinjiang Urban and Rural Construction Engineering Co．，Ltd．，Urumqi 830011，China；2．Tianshui Electric Drive Research Institute Co．，Ltd．，Tianshui 741020，China；3．State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Equipment Technology，Tianshui 741020，China）

Key words：micro grid；power quality；flickering；harmonic；voltage imbalance

Abstract：The basic knowledge and characteristics of the micro grid are presented．The characteristics of the micro grid are analyzed from the perspective of power quality．Taking the long-time parallel operated wind farm as an example，the suggestions and summary for improvement of the power quality of the micro grid are given．

中圖分類號：TM727

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0051—04

收稿日期：2016-03-09