分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量評估指標研究

左向紅，陳斌，張嘯宇，余瀟瀟

（1.國網(wǎng)北京經(jīng)研院，北京 100055；2.北京燃氣能源發(fā)展有限公司北京 100101；3.美國羅切斯特大學，美國紐約；4.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100005）

分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量評估指標研究

左向紅1，陳斌2，張嘯宇3，余瀟瀟4

（1.國網(wǎng)北京經(jīng)研院，北京 100055；2.北京燃氣能源發(fā)展有限公司北京 100101；3.美國羅切斯特大學，美國紐約；4.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100005）

結合分布式發(fā)電系統(tǒng)的運行特點，基于分布式發(fā)電項目對電能質(zhì)量的影響分析研究，得到了適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)供能對電能質(zhì)量影響的評估方法。提出了分布式發(fā)電系統(tǒng)供能時對電能質(zhì)量的影響量化指標，并結合實際案例進行了分析。結果表明，該方法可以有效地評估分布式發(fā)電系統(tǒng)對電能質(zhì)量的影響，具有顯著的實用性。

分布式發(fā)電系統(tǒng)；電能質(zhì)量；量化計算方法；評估指標

隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和人們對環(huán)境保護的重視，電力系統(tǒng)將面臨巨大的改革，分布式發(fā)電（distributed generation，DG）是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，而電能質(zhì)量問題是任何發(fā)電方式都避免不了的問題。隨著分布式發(fā)電的發(fā)展和電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越嚴格，對電能質(zhì)量的評估也愈顯重要。

電能是由供、用雙方共同保證質(zhì)量的特殊商品，是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱且互差120°。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱，負荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在。因此，產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。

分布式發(fā)電系統(tǒng)分為孤網(wǎng)和并網(wǎng)2種運行模式。孤網(wǎng)運行下，需根據(jù)電能質(zhì)量國家標準以及用戶用能設備的要求，來制定電能質(zhì)量的評價指標；并網(wǎng)運行下，則需要考慮分布式電源引入配電網(wǎng)后，可能會對配電網(wǎng)產(chǎn)生潛在的影響，有可能會引起的電能質(zhì)量問題包括：電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓三相不平衡、頻率偏差、諧波畸變和直流注入等[1-2]。分布式發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子裝置并網(wǎng)會產(chǎn)生諧波、三相電流不平衡，輸出功率的隨機性易造成電網(wǎng)電壓波動、閃變。準確全面地對電能質(zhì)量進行綜合評估，對實現(xiàn)分布式電源按電能質(zhì)量分質(zhì)定價上網(wǎng)具有重要意義。

因此，隨著分布式發(fā)電的迅速發(fā)展，有必要對分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量建立1套準確的評估體系，以保證分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，確保用戶和公共配電網(wǎng)的配用電安全。

1 電能質(zhì)量評估的一般方法

對電能質(zhì)量的評估，既需要健全的各類電能質(zhì)量的單項評估指標，又需要能反映電能整體性能的綜合評估指標。目前，國內(nèi)外對部分電能質(zhì)量干擾制定了衡量指標及約束標準。近年來由于電壓暫降、短時斷電等暫態(tài)電能指標對用電負荷造成的影響日益得到重視，盡管當前未有相應的國家標準對這2個指標作出限制和規(guī)定，國際標準上也仍是空白，但這2個暫態(tài)指標也被國內(nèi)外專家納入到電能質(zhì)量評估之中。這些標準對電能質(zhì)量單項指標的允許限制做了明確規(guī)定，成為了電能質(zhì)量單項指標評估的參考標準。但單項指標的評估從不同程度上忽略了不同電能質(zhì)量之間的相互聯(lián)系，也忽略了用戶對不同電能質(zhì)量問題的敏感度。因此，在電力市場環(huán)境下，針對不同的用電客戶對電能質(zhì)量進行綜合評估更具有實際意義。電能質(zhì)量綜合評估的焦點是如何科學、客觀地將一個多指標問題綜合成一量化的指標的問題。目前對電能質(zhì)量的綜合評估定量方法主要有利用模糊原理[3-4]、模糊綜合判別方法[5-6]對電能質(zhì)量進行量化綜合評估，有的方法結合了概率統(tǒng)計與矢量代數(shù)等數(shù)學方法[7]，或引入權重矢量、可變權重[8-9]綜合評估方法。針對電能質(zhì)量綜合評估不確定性與高維、高度非線性的特點，有些評估方法中將智能算法應用到了電能質(zhì)量綜合評估中，如遺傳算法、利用徑向函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡[10]等方法。對電能質(zhì)量進行優(yōu)劣排序分析，多維電能質(zhì)量現(xiàn)象向一維進行加權歸并，但由于電能質(zhì)量各單一指標客觀上的不相關性，導致相對權重難以確定，在數(shù)學模型或訓練樣本上均不同程度地受到人為主觀因素的影響，使評定結果存在一定的不確定性和不可理解性，市場可操作性差。法國國家電力公司以電能質(zhì)量各分類現(xiàn)象（包括電壓中斷、電壓暫降、暫升、諧波、幅值偏差、不平衡等的翠綠色供電合同）限值為基礎，作監(jiān)測結果的比值歸一化處理，并定義監(jiān)測點綜合指標IG為歸一后的最大值[11]。在此基礎上，文獻[12]針對連續(xù)性電能質(zhì)量問題（包括電壓閃變、幅值偏差、諧波、不平衡4種，未提及頻率偏差和電壓中斷）進一步定義了監(jiān)測點綜合指標（unified power quality index,UPQI）。文獻[13]針對電壓偏差、電壓暫降、不平衡、諧波現(xiàn)象，提出以各供電公司單項指標的平均值為基準，將各公司的單項指標歸一化處理，實現(xiàn)了各供電公司的電能質(zhì)量評比排序。

分布式發(fā)電系統(tǒng)并入配電網(wǎng)后，由于DG自身的特殊性、機組出力的變化等原因，會給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來影響，電壓波動、三相不平衡和直流注入是需要其引起電能質(zhì)量變化的主要內(nèi)容，需要從這些方面對DG進行分析與評估。文獻[14]針對DG電能質(zhì)量綜合評估的特點提出了不同的方法。文獻[14]提出利用突變決策方法綜合評估DG的電能質(zhì)量，該方法基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合評估方法，僅僅只是變換了應用場景。文獻[15]采用雙基準法，克服了單一指標的缺點，但評估結果未體現(xiàn)DG電能質(zhì)量綜合評估的特點。文獻[16]依據(jù)(data envelope analyse，DEA)和超效率模型，提出了分布式電源電能質(zhì)量綜合評估體系，包括分布式發(fā)電系統(tǒng)投運前的電能質(zhì)量分析和投運后電能質(zhì)量的監(jiān)測，但未對分布式發(fā)電系統(tǒng)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)條件下評估指標進行全面的整合，未涉及電壓暫降等評估指標。

各種綜合評估方法都在一定程度上反映了電能質(zhì)量水平。綜合的電能質(zhì)量評估的關鍵是各項評估指標的權重值的確定，權重值的確定將對評估結果產(chǎn)生很大的影響，如何克服權重值取值過程中人為主觀因素的不良影響，以用戶需求為第一準則，提出電能質(zhì)量綜合評估方法成為評估重點。

2 分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的評估方法

本文所分析的DG是接入負荷端的小型用能系統(tǒng)，對于電力系統(tǒng)來說屬于典型的分布式電源接入配電網(wǎng)，因而本文所分析的電能質(zhì)量評估考評對象是分布式發(fā)電系統(tǒng)，評估的目的不是對負荷的電能質(zhì)量評估，而是針對DG系統(tǒng)并入前后的電能質(zhì)量變化情況的評估，從而剔除因為負荷的差異而引起的電能質(zhì)量差別，作為DG并入后電能質(zhì)量評估的方法。本評估方法包括電能質(zhì)量的單項評估和綜合評估：

1）單項評估。針對某一個電能質(zhì)量問題或?qū)ζ淠硞€特征進行量化而得到考核值的過程。結果的表現(xiàn)形式就是該項電能質(zhì)量的單項指標，評估結果就是指標值。

2）綜合評估。電能質(zhì)量的綜合評估就是在分析單項指標的基礎上，把部分或全部電能質(zhì)量問題及某項電能質(zhì)量的多個特征量按屬性合成一個有機的整體，進而得到其考核值的過程，結果表現(xiàn)形式可以是電能質(zhì)量的綜合考核指標或綜合評級。根據(jù)評估所包含的內(nèi)容可以分為單項電能質(zhì)量指標多參數(shù)綜合評估和多項電能質(zhì)量綜合評估。

對于孤網(wǎng)運行的DG系統(tǒng)，其電能質(zhì)量的評估則是DG供電情況的單項評估和綜合評估，這種評估受負荷的影響較大，因而只體現(xiàn)DG供電對負荷的電能質(zhì)量需求的滿足度，難以作為評價DG運營優(yōu)劣的指標。

鑒于電能質(zhì)量監(jiān)測點的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)受電源、負荷等多種因素影響，采用DG系統(tǒng)的項目很難直接利用采集點的數(shù)據(jù)分析評估DG供電電能質(zhì)量，最有效的評估則應該是DG并入配電系統(tǒng)前后，分別對配電系統(tǒng)進行對比評估。對于含DG的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量評估，將分析2類指標：第一類是電能質(zhì)量變化量指標，即量化DG并入后，電能質(zhì)量水平的變化程度；第二類是系統(tǒng)影響指標，這類指標對安裝單位DG功率后，評價電網(wǎng)性能（在電能質(zhì)量水平方面）變化的程度是非常有用的。這些指標的計算既可以針對監(jiān)測點，又可以針對整個系統(tǒng)，計算結果為評價DG的并入對電能質(zhì)量的影響提供了合適的尺度。

若某項評估電能質(zhì)量指標為XDG，假設DG并入前的值為XNO_DG，DG并入后的X值為XDG，則相對于DG并入前的值，指標X在DG并入前后的變化百分比X_V定義為

上式用于量化新的發(fā)電電源并入后電能質(zhì)量水平改善或降低的程度?；谏鲜娇梢砸銎渌兓恐笜耍疚囊灾C波畸變?yōu)槔o出監(jiān)測點指標和系統(tǒng)指標。此類指標變化量的概念可以擴展到所有電能質(zhì)量指標，如電壓暫降和電壓不平衡指標等。

對于諧波畸變，監(jiān)測點變化量指標有：

1）單次諧波電壓95%概率值的變化量。

2）總諧波畸變率95%概率值的變化量。

3）平均總諧波畸變率變化量。

DG并入后，母線j的h次諧波電壓95%概率值的變化量Uh95_Vj定義為：

式中：Uh95DG，j為DG并入后，母線j的h次諧波電壓的95%概率值；Uh95NO_DG，j為DG并入前，母線j的h次諧波電壓的95%概率值。

類似的描述可擴展至母線j的總諧波畸變率95%概率值的變化量指標THD95DG，j和平均總諧波畸變率變化量ATHD_Vj。

這些監(jiān)測點指標的定義均是以概率的形式表示的。這種量化方法對分析含DG的電能質(zhì)量非常合適。實際上，線性負荷需求、網(wǎng)絡結構和非線性負荷的運行方式等經(jīng)典不確定性已經(jīng)影響了實際配電網(wǎng)系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，在此基礎上DG還帶來了額外的可再生能源的隨機特性。

同理，可以得出系統(tǒng)平均總諧波畸變率的變化量、系統(tǒng)平均總諧波畸變率比值指標的變化量計算式。含有DG單元的配電系統(tǒng)中，用DG單元功率的電能質(zhì)量水平來評價系統(tǒng)性能的變化是非常有意義的。將各類電能質(zhì)量系統(tǒng)指標的變化除以DG的總安裝功率PDG，即可得到這一類指標：

其中，給出的影響系統(tǒng)指標ISIX是非常有意義的。例如，在規(guī)劃層面上，不但可以表征在何處并入DG單元可以最大程度地改善電力擾動，而且還可以對比DG不同容量、結構和并入方式下的電能質(zhì)量影響。當然，完全認識DG的影響需要將推薦的指標和DG并入后的傳統(tǒng)指標值聯(lián)系起來。為了不失指標描述的一般性，可基于諧波畸變等單項電能質(zhì)量指標來定義影響系統(tǒng)的指標ISIX。

3 分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量評估指標的選取

電能質(zhì)量包括3個方面：頻率質(zhì)量、電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量。其中頻率質(zhì)量包括頻率偏差；電壓質(zhì)量包括電壓偏差、三相不平衡度、電壓波動、電壓閃變、諧波畸變和電壓暫降；電流質(zhì)量包括三相不平衡度、波形畸變。

針對DG系統(tǒng)的特點，DG系統(tǒng)容量相對公共電網(wǎng)很小，在并網(wǎng)情況下頻率由系統(tǒng)決定，基本不影響供能頻率，孤網(wǎng)運行則需考慮；因此，在針對DG項目供能的電能質(zhì)量評估時根據(jù)需要，可考慮選擇頻率監(jiān)測與評估指標，不區(qū)分并網(wǎng)與否則建議選取頻率偏差指標。電壓偏差是一個比較重要的指標，DG發(fā)電機組的并入往往可以改善配電網(wǎng)的電能損失和電壓降落，可以作為一個重要的指標體現(xiàn)DG系統(tǒng)接入的優(yōu)點；三相不平衡往往是由于單相發(fā)電造成的，對于三相發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)來講，沒有明顯的問題，但對于單相發(fā)電系統(tǒng)來講，一般是需要考慮這項指標的；發(fā)電機輸出功率的周期性變化以及有功、無功變化將導致電壓波動，但一般是指風速或太陽光照的變化引起其輸出變化或感應發(fā)電機的投入或退出，而三相同步發(fā)電機組在并網(wǎng)運行時并不會作為閃變源；諧波畸變是發(fā)電機輸出特性的一個重要指標，其并入會改變系統(tǒng)的背景波形畸變；電流三相不平衡以及波形畸變往往是由于負荷造成的，因此本文不推薦將其作為評估指標。由于DG系統(tǒng)的并入增大了公共電網(wǎng)的短路水平，從而引起電壓暫降特征的改變，因此建議將電壓暫降作為評估指標。綜上所述，是否考慮列入監(jiān)測分析計算的評估指標，需根據(jù)DG的具體情況以及用電側關注度情況來綜合分析后確定。以微型燃氣發(fā)電機為例，其建議作為變化量電能質(zhì)量評估指標的建議如表1所示。

表1 分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量評估指標選取表Tab.1 Selection table of power quality evaluation indices of distributed generation

4 案例分析

如圖1所示的配電系統(tǒng)，計算電能質(zhì)量的測試點變化量指標，從而評估分布式發(fā)電并入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。在各節(jié)點負荷特點以及發(fā)電機組特性具體掌握的情況下，可開展DG發(fā)電機組并入前的預評估，以作為機組基于電能質(zhì)量影響的容量選擇與并入點確定方案比選，本案例僅考慮在這些電能質(zhì)量評估計算條件不掌握的情況下的基于監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的項目運營評估，算例按并網(wǎng)階段對比DG并入前后電能質(zhì)量變化量來表征其影響情況，選取電壓偏差、諧波畸變2個對比指標。

圖1 系統(tǒng)接線示意圖（圖中DG機組接入母線6，主要負荷在母線3、4、5、6）Fig.1 Wiring Connection Diagram（DG is connected to bus 6,and loads are connected to buses 3,4,5,6）

1）電壓偏差。根據(jù)電能質(zhì)量評估計算方法，利用式（1）計算，根據(jù)監(jiān)測到的電壓數(shù)據(jù)采樣點數(shù)值，DG未并入階段的平均電壓偏差為-3%，DG并入階段的平均電壓偏差為-1%，則利用式（1）計算得出電壓偏差變化量指標為66.7%。根據(jù)此結果可以看出，DG的并入較大程度改善了電壓偏差情況。

2）諧波畸變。根據(jù)監(jiān)測到的電壓數(shù)據(jù)采樣點數(shù)值，DG未并入階段的總諧波畸變率為2.5%，DG并入階段的總諧波畸變率為2.4%。則利用式（1）計算出電壓總諧波畸變率變化量指標為4%，根據(jù)此結果可以看出，DG并入對電壓畸變的影響較小。

3）綜合評估。這些變化量指標表征了DG并入后對電壓偏差、諧波畸變的影響，在單項指標的基礎上應對項目并入后的綜合電能質(zhì)量變化量有一個綜合評價?？刹捎弥饔^賦權法或客觀賦權法或兩者相結合來確定DG并入后對電能質(zhì)量的變化量指標。

本算例采用主觀賦權與客觀賦權法相結合提出的典型權重值如表2所示。由表2可知，本算例采用綜合權重法結論選取電壓偏差、諧波畸變的權重值分別為0.13375、0.1885，理論分析評估計算如表3所示。一般情況下，為正值則表示DG并入未降低用電電能質(zhì)量，值大于5則對電能質(zhì)量有改善，大于10則較大程度上改善了電能質(zhì)量，負10及以下則評定為降低了用電電能質(zhì)量，需要采取措施改善電能質(zhì)量，具體可以結合用電設備關注情況調(diào)整相應權重及考量計算指標范圍。

表2 典型方法提出的各電能質(zhì)量指標權重表Tab.2 Weights of different power quality evaluation indices

表3 案例計算綜合評估計算表Tab.3 Complex evaluation table of the case study

5 結論

本文對分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的評估方法及評估指標進行了研究，得到了分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的單項評估和綜合評估方法，提出了分布式發(fā)電系統(tǒng)的評估指標，并闡述了指標的選取依據(jù)。結合實際案例對該評估方法和指標進行了應用分析，得到結論如下：

1）對分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的評估，最有效的評估方法應是對分布式發(fā)電系統(tǒng)并入公共電網(wǎng)前后，公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量變化程度的評估，評估指標應包括2類：反映電能質(zhì)量水平變化程度的電能質(zhì)量變化量指標國；反映單位功率DG并入后，配電網(wǎng)性能變化程度的系統(tǒng)影響指標。

2）針對分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量評估，是一種基于有無對比的變化量評估，評估指標選取范圍要根據(jù)分布式發(fā)電項目本身的特點以及用能側的需求來綜合確定，一般情況下有效的評估指標包括：電壓偏差、電壓波動與閃變、諧波畸變、電壓暫降等。

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（編輯 董小兵）

Research on the Power Quality Evaluation Indices of Distributed Generation

ZUO Xianghong1，CHEN Bin2，ZHANG Xiaoyu3，YU Xiaoxiao4
（1.State Grid Beijing Economic Research Institute，Beijing 100055，China；2.Beijing Gas Energy Development Co.，Ltd.，Beijing，100101，China；3.University of Rochester，New York，USA；4.Global Energy Interconnection Development and Coorporation Organization，Beijing 100005，China）

Considering the operation characteristics of distributed generation and the impact of distributed generation on powerquality，a new methodology ofpowerquality evaluation has been proposed in this paper.The method quantitatively evaluates the impact of distributed generation on power quality in real time.According to the results of various case studies，the methodology is verified to be able to effectively evaluate the impact of distributed generation on power quality，guide on the optimal selection of power network interconnection proposals，and appraise the business operation of distributed energy resources.

distributed generation；power quality；method of quantized calculation；synthetic evaluation index

2016-09-25。

左向紅（1975—），女，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)分析與規(guī)劃研究工作；

陳 斌（1975—），男，博士，高級工程師，主要從事分布式能源項目開發(fā)、建設及運營管理工作；

張嘯宇（1993—），男，碩士，主要研究方向為人工智能技術及其應用；

余瀟瀟（1986—）女，博士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、電力市場分析預測和智能電網(wǎng)新技術研究。

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2014AA051901）。

Project Supported by the National High-Technology Research and Development Program（“863”Program）of China（2014AA051901）。

1674-3814（2017）04-0099-06

TM933

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