分布式電源并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

焦能

近年來(lái)，以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和大力的推廣。分布式發(fā)電由于受到自然條件的限制，其輸出功率具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響

近年來(lái)，以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和大力的推廣。一方面，分布式電源的環(huán)境友好性和循環(huán)再生性為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染提供了幫助；另一方面，人們也注意到了分布式發(fā)電由于受到自然條件的限制，其輸出功率具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

目前分布式電源的容量都比較小，在現(xiàn)有的裝機(jī)水平下，分布式電源不會(huì)對(duì)大電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但隨著分布式電源的發(fā)展，如果這種小型機(jī)組的數(shù)量達(dá)到一定水平，就有可能影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的特性。分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行，目前主要發(fā)生在配電網(wǎng)，其對(duì)電能質(zhì)量的影響表現(xiàn)為如下兩個(gè)方面：對(duì)電壓波動(dòng)的影響及諧波問(wèn)題。

一、對(duì)電壓波動(dòng)的影響

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，有功、無(wú)功負(fù)荷隨時(shí)間變化會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)。如果負(fù)荷集中在系統(tǒng)末端附近，電壓的波動(dòng)會(huì)更大，一般盡量避免這種情況的發(fā)生。而對(duì)于分布式電源而言，其對(duì)接入點(diǎn)電壓波動(dòng)的影響程度主要取決于分布式電源有功功率的變化情況。主流分布式電源包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏發(fā)電以及燃料電池等，各自運(yùn)行特性差異較大，造成有功功率波動(dòng)的因素較多，歸納起來(lái)大致有三種情況。

（一）輸入能量變化及其它外界干擾

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組、光伏電池板等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，外界自然能源輸入的變動(dòng)是造成分布式電源輸出功率變化的主要原因。為了提高分布式電源的發(fā)電效率，很多機(jī)組采用了最大功率追蹤控制，而不是定功率控制，當(dāng)外界資源條件發(fā)生變化時(shí)其輸出功率必然隨之變動(dòng)。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，輸入功率來(lái)自風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)提供給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率與風(fēng)速有關(guān)，而風(fēng)速的變化是由自然條件來(lái)決定的，隨機(jī)性較強(qiáng)。一旦風(fēng)速快速變化，則風(fēng)電機(jī)組的輸出功率必將劇烈變化。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的有效風(fēng)速范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可以盡量減少風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)，但是也不易保持絕對(duì)的功率恒定。此外，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)受到風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)以及偏航誤差的影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而造成輸出功率的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組所在的電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓波動(dòng)。

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，其核心部件光伏電池板的最大功率點(diǎn)會(huì)隨著光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的變化而改變，一旦天氣發(fā)生劇烈變化，必將引起光伏電池輸出功率的明顯變化。此外，“熱斑效應(yīng)”也會(huì)造成光伏電池輸出功率的變化。

（二）不受電網(wǎng)控制的分布式電源起動(dòng)和停運(yùn)

分布式電源的起動(dòng)和停運(yùn)與自然條件、用戶需求、政策法規(guī)、電力市場(chǎng)等諸多因素有關(guān)。分布式電源的調(diào)度和運(yùn)行，往往由電源的產(chǎn)權(quán)所有者來(lái)控制，而分布式電源的產(chǎn)權(quán)所有者往往不是電網(wǎng)公司，而是用戶自己或者其它經(jīng)營(yíng)主體。這樣就可能出現(xiàn)分布式電源隨機(jī)啟停甚至頻繁起停的情況。

例如，分布式電源的所有者根據(jù)自己的用電情況自由決定何時(shí)啟動(dòng)和停機(jī)，或者以贏利為目的，只在電價(jià)高于發(fā)電成本時(shí)才開(kāi)啟機(jī)組，在峰荷過(guò)后退出。隨著分布式電源數(shù)目的增多，這種情況對(duì)發(fā)電上網(wǎng)功率的影響也不容忽視。

（三）輸入能量變化及其它外界干擾

對(duì)于燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組等輸入燃料流量可控的分布式電源來(lái)說(shuō)，輸入能量是基本恒定的，一般不會(huì)因?yàn)檩斎肽芰康牟▌?dòng)造成輸出功率的明顯變化。

典型的往復(fù)式引擎驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組——同步柴油發(fā)電機(jī)，其氣缸存在點(diǎn)火熄滅過(guò)程，因此會(huì)出現(xiàn)輸出功率波動(dòng)現(xiàn)象；為此國(guó)家在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中提出了一定的技術(shù)規(guī)范，要求往復(fù)式驅(qū)動(dòng)引擎的發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)電壓小于0.5%。

燃料電池可以通過(guò)對(duì)燃料輸入控制、反饋控制等方法對(duì)電源輸出進(jìn)行控制，但是其對(duì)控制系統(tǒng)的精確度要求很高，實(shí)際使用過(guò)程中，可能存在一些參數(shù)的偏移，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而也將導(dǎo)致功率輸出的波動(dòng)?？刂破鞯乃惴ê蛥?shù)整定可能導(dǎo)致分布式電源輸出功率的周期性波動(dòng)。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式發(fā)電機(jī)組，輸出必須滿足熱量的需要，而且功率的變化速度也是有時(shí)間限制的，在供熱需求發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)引起分布式電源發(fā)電功率的變化。

以上講的是分布式電源接入后，可能引起電壓波動(dòng)。但合理利用分布式電源，使其與當(dāng)?shù)刎?fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行，即當(dāng)負(fù)荷增加（或減少）時(shí)，分布式電源的輸出量增加（或減少），也可以抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

（四）利用分布式電源抑制電壓波動(dòng)的優(yōu)勢(shì)

分布式電源的接入，提高了配電網(wǎng)整體的短路容量。這對(duì)抑制區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)的電壓波動(dòng)問(wèn)題起著積極作用。在出現(xiàn)負(fù)荷沖擊性投切等情況時(shí)，其電壓波動(dòng)大小相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)得到了削弱。

分布式電源往往就近接入電力用戶所在配電網(wǎng)，與負(fù)荷的距離較近能夠快速及時(shí)地提供電能。因此利用分布式電源，對(duì)動(dòng)態(tài)波動(dòng)的負(fù)荷進(jìn)行有功功率的就近提供、無(wú)功功率的就近補(bǔ)償較為方便，并且輸電損耗小。

分布式電源的并網(wǎng)換流器，與靜止無(wú)功發(fā)生器等電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置所用的電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)有很大程度的相似性，為兩類設(shè)備的優(yōu)化配置提供了可能性。

所以將分布式電源納入電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度理中，在用戶負(fù)荷突然變化時(shí)，對(duì)分布式電源的輸出功率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以補(bǔ)償或抵消負(fù)荷的功率波動(dòng)，可以達(dá)到抑制電壓波動(dòng)的效果。當(dāng)然，這需要資源條件允許并且分布式電源可以進(jìn)行宏觀調(diào)控。同時(shí)，采用定功率控制的分布式電源顯然無(wú)法做到改善電壓波動(dòng)，因此這對(duì)分布式電源的控制策略也提出相應(yīng)改進(jìn)要求。

需要指出的是，抑制分布式電源發(fā)電量而抑制電壓波動(dòng)并不可取，在分布式電源所在配電網(wǎng)中設(shè)置儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)，便可在不主動(dòng)降低分布式電源發(fā)電量基礎(chǔ)上，對(duì)負(fù)荷的功率波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而抑制電壓波動(dòng)。

綜上所述，分布式發(fā)電接入系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響屬于固有問(wèn)題，只要該分布式電源處于運(yùn)行狀態(tài)，其波動(dòng)的輸出功率就會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓造成影響，只是影響程度大小不同而已，在某些情況下電壓波動(dòng)已經(jīng)成為制約分布式電源裝機(jī)容量的主要因素。但是，如果控制合理，分布式電源也能夠抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。因此，全面系統(tǒng)地對(duì)分布式電源接入的電壓波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究，具有實(shí)際意義。

二、諧波問(wèn)題

在復(fù)雜的周期性振蕩中,包含基波和諧波。和該振蕩最長(zhǎng)周期相等的正弦波分量稱為基波（比如中國(guó)家庭用電220伏、50赫茲的正弦震蕩即為基波），相應(yīng)于這個(gè)周期的頻率稱為基本頻率。頻率等于基本頻率的整倍數(shù)的正弦波分量稱為諧波。

諧波會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)造成危害：使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率；在中性線上疊加出電流，使中性線發(fā)熱，甚至發(fā)生火災(zāi)；引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，上述危害進(jìn)一步加大；使繼保設(shè)備誤動(dòng)作，測(cè)量設(shè)備失準(zhǔn)等。此外，還會(huì)對(duì)通信、電子類設(shè)備產(chǎn)生干擾。

分布式電源是諧波源，在正常運(yùn)行時(shí)，所采用的一些電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一系列的諧波分量。分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致大量的電力電子轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到系統(tǒng)中，例如太陽(yáng)能光伏電池、燃料電池等并網(wǎng)時(shí)，需通過(guò)逆變器接入交流電網(wǎng)；微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出是高頻電壓，風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓頻率與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，這些分布式電源并網(wǎng)往往都要經(jīng)過(guò)變流器。這些變流器是通過(guò)電力電子器件的頻繁開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變換功能的，其輸入輸出關(guān)系具有明顯的非線性特征。

開(kāi)關(guān)器件頻繁的開(kāi)通和關(guān)斷容易產(chǎn)生一系列的諧波分量，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。其中開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波分量幅度較大，是優(yōu)先需要重視的諧波分量。另外，在分布式電源的特殊運(yùn)行情況下，例如三相不平衡、直流偏磁等非理想情況，也會(huì)造成諧波增加。

與傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波相比，分布式電源由于數(shù)量眾多，不同諧波源產(chǎn)生諧波不同，并且新能源接入使用的換流器的開(kāi)關(guān)頻率更高，使諧波本身的產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性更加復(fù)雜，更易引發(fā)諧波諧振以及穩(wěn)定性問(wèn)題。

其次，分布式電源接入電網(wǎng)，其參數(shù)具有較強(qiáng)的波動(dòng)性與隨機(jī)性，產(chǎn)生的諧波使電網(wǎng)參數(shù)隨時(shí)變化，諧波分析噪聲干擾大。并且，分布式電源離負(fù)荷近，產(chǎn)生的諧波對(duì)附近負(fù)荷供電質(zhì)量影響更明顯。由于接入配電網(wǎng)電壓等級(jí)低，阻抗標(biāo)幺值相對(duì)大，諧波電流產(chǎn)生的情況下，線路兩端的諧波電壓更明顯。

以上原因就使得分布式電源的接入對(duì)電網(wǎng)的諧波帶來(lái)了不可忽視且復(fù)雜的影響。分布式新能源并網(wǎng)在帶來(lái)諧波問(wèn)題的同時(shí)，若能合理接入，則能與電網(wǎng)背景諧波相互抵消、使網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相互匹配，降低電網(wǎng)的諧波水平和諧波諧振發(fā)生的幾率。