分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與能效管理研究

岳宇

摘 要：分布式發(fā)電系統(tǒng)可將可再生能源和小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，按照就近原則進(jìn)行分配，可有效達(dá)到節(jié)省能源的效果。本文主要論述了分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與能效管理，搭建及準(zhǔn)確、實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，探究最有效地控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源最大化利用的目的。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電系統(tǒng);電能質(zhì)量;能效管理

引言：

電力工業(yè)是國(guó)家的基礎(chǔ)行業(yè)，與人民的生產(chǎn)生活有緊密聯(lián)系，時(shí)下傳統(tǒng)能源匱乏、霧霾等問題正逐漸加劇，使用清潔能源是未來發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)家的大力支持下，分布式發(fā)電被廣泛運(yùn)用，從特殊場(chǎng)合朝著商業(yè)化的方向發(fā)展，形成大電網(wǎng)和分布式發(fā)電相結(jié)合的新方法。

一、分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)分析

電網(wǎng)的最佳狀態(tài)是在安全性與可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，但電力設(shè)備的非線性負(fù)荷運(yùn)行與電網(wǎng)的不對(duì)稱性易引起電壓偏差、頻率波動(dòng)等各種問題，為用戶造成較大損失，在某種程度上降低了電網(wǎng)的安全系數(shù)，因此，需對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握電能質(zhì)量參數(shù)信息至關(guān)重要。

（一）電壓有效值

在整個(gè)電力系統(tǒng)之中，電壓是非常關(guān)鍵的物理量，電壓的正常與否與系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)息息相關(guān)，甚至影響到用戶的生命與財(cái)產(chǎn)安全，可使用定義法對(duì)電壓有效值進(jìn)行測(cè)算，從定義角度進(jìn)行推導(dǎo)。其推導(dǎo)公式為。在探究電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量時(shí)，還具有一個(gè)重要的指標(biāo)，即電壓偏差，是指當(dāng)電力系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)改變后，實(shí)際的測(cè)量電壓和電網(wǎng)系統(tǒng)中的額定電壓不符[1]。

通過研究系統(tǒng)電壓質(zhì)量，有利于電網(wǎng)規(guī)劃改造技術(shù)的發(fā)展，修正無功電壓曲線，一般情況下，電壓合格率有三種計(jì)算方式，分別為：一，測(cè)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓合格率;二，測(cè)量主系統(tǒng)電壓合格率;三，監(jiān)測(cè)供配電系統(tǒng)的電壓合格率。

（二）電流頻率偏差

因?yàn)殡娋W(wǎng)系統(tǒng)中的頻率不斷發(fā)生著改變，供電系統(tǒng)的有功功率和實(shí)際需要的有功功率難以實(shí)現(xiàn)平衡，這會(huì)引起系統(tǒng)中的頻率出現(xiàn)變化，這種變化即頻率變化，是指實(shí)際頻率和標(biāo)稱之間的差異。公式為Δf=fr-fs，在正常運(yùn)行狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，其允許的誤差是0.2赫茲，若系統(tǒng)容量偏小，則允許誤差為0.5赫茲，頻率的正常與否決定著電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，還存在著很多物理量用以衡量系統(tǒng)頻率是否正常，比如頻率合格率。

（三）三項(xiàng)不平衡度

供電系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，三項(xiàng)不平衡度的允許值要小于概率衡量值的95%，若系統(tǒng)存在較大波動(dòng)，要和系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的算術(shù)平均值對(duì)比，當(dāng)波動(dòng)范圍較小時(shí)，保證在概率值95%以內(nèi)即可，短時(shí)允許值是在任何時(shí)候都不可超過的極限，確保自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作。一般情況下，三項(xiàng)不平衡度要用到正序和負(fù)序分量方均根值，公式為。

（四）電壓波動(dòng)與閃變

電力系統(tǒng)中的供電電壓不斷變化，電壓調(diào)幅波會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律性或隨機(jī)性變化，一般來說波動(dòng)范圍在0.95至1.05pu之間。波動(dòng)值能夠標(biāo)識(shí)電壓波動(dòng)特性，可通過電壓極大值與極小值、標(biāo)稱電壓表示出來，公式為，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，在不超過10kV的低壓配電網(wǎng)中，相比于平穩(wěn)時(shí)的電壓波動(dòng)是2.5%，中壓電網(wǎng)是2.0%，超過220kV則為1.6%，若動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)值高于3%時(shí)，持續(xù)時(shí)間低于200毫秒，最高不超過4%。閃變包括瞬時(shí)閃變視感度S（t）、短時(shí)閃變值Pst長(zhǎng)時(shí)閃變值幾種參數(shù)P1t。S（t）能夠表示瞬時(shí)值與時(shí)間的相互關(guān)系，瞬時(shí)值曲線可應(yīng)用在閃變?cè)u(píng)估中，一般情況下，閃變覺察率為50%。負(fù)荷有著一定的隨機(jī)性，電壓波動(dòng)的檢測(cè)事件一般超過10分鐘，Pst為表示電壓波動(dòng)特性的參數(shù)，可制作出函數(shù)CPF曲線，通過5個(gè)典型值進(jìn)行求解。P1t是通過短時(shí)閃變值的綜合求解得出[2]。

（五）互感器通道矯正

有很多算法被應(yīng)用在電力系統(tǒng)分析過程中，比如Prony算法、希爾伯特黃變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。對(duì)互感器進(jìn)行建模，將分布式發(fā)電系統(tǒng)互感器參數(shù)進(jìn)行函數(shù)辨識(shí)，因?yàn)閷?shí)際中互感器仿真運(yùn)算所得到的波形會(huì)夾雜著諧波，造成失真，需借助算法進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)互感器通道的校正。

二、分布式發(fā)電系統(tǒng)的能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）電容分配

在制定電容容量的分配方式過程中，存在等容分配與不等容分配兩種方法，等容分配是當(dāng)系統(tǒng)總?cè)萘看_定后，將總?cè)萘亢侠矸殖蓭追?，若份?shù)多，則每組容量較小，電容數(shù)量也偏多，這種方法具有靈活的優(yōu)點(diǎn)，但所需成本偏高，并占地面積大。若每組的電容容量較大，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。

不等容分配是指各個(gè)小組的電容容量均不同，要按照具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況下，各組容量比例為1：2：4：8.這種方法還有助于提升系統(tǒng)性價(jià)比，并降低系統(tǒng)體積，適合用在分布式發(fā)電系統(tǒng)中。

（二）控制算法

無功功率檢測(cè)算法是基于電路原理基礎(chǔ)上得出的，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但只適用于正弦電路中，但分布式發(fā)電系統(tǒng)中包含很多非線性電子器件，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的諧波。

在設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償系統(tǒng)過程中，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)測(cè)出無功電流，瞬時(shí)無功功率為三項(xiàng)電網(wǎng)中最為常見的無功電流方法，要保證電壓對(duì)稱、并且電流未出現(xiàn)畸變，獲取無功功率比較簡(jiǎn)便，把有關(guān)功率設(shè)為零就可以，借助反變換可以將無功電流加入到三項(xiàng)坐標(biāo)系中，因?yàn)榉植际桨l(fā)電系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)較大，隨之要求也偏高，要保證準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，傳統(tǒng)方法雖然簡(jiǎn)便，但精度不足，不適合用在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，通過瞬時(shí)無功功率檢測(cè)法能夠迅速得到無功電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)電壓與無功功率的有效控制。

（三）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

使用計(jì)量芯片收集數(shù)據(jù)，借助專用芯片可以對(duì)信號(hào)開展高精密度測(cè)量，通過轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量進(jìn)行采集并傳輸，可同時(shí)測(cè)量三項(xiàng)電壓與電流信號(hào)。在系統(tǒng)中運(yùn)用電壓、電流互感器開展電氣隔離，避免系統(tǒng)中較大輸出電壓和電流導(dǎo)致芯片損壞，提升安全系數(shù)，利用互感器對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行收集，再傳輸至微控制器中實(shí)行測(cè)算。搭建抗混疊濾波器可提升電路穩(wěn)定性，并過濾不必要波形，還可在收集數(shù)據(jù)過程中降低溫漂，互感器中的取樣電阻是100歐姆，輸入信號(hào)量程大，可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，芯片收集互感器的信號(hào)，達(dá)到電氣隔離的目的。應(yīng)用低電平觸發(fā)復(fù)位子系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可利用復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)重新啟動(dòng)，在這個(gè)過程中，電容放電減小電壓，加入控制器，觸發(fā)控制器復(fù)位口低電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位效果[3]。

因?yàn)樵骷╇姷碾妷狠^小，并且為直流電，但常用為交流電，并且電壓較高，所以要加入變壓器進(jìn)行降壓，利用穩(wěn)壓芯片使電壓更穩(wěn)定，以免電壓不穩(wěn)對(duì)元器件造成影響。在電源后端放置發(fā)光二極管可以檢測(cè)電路的工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)通電后，燈亮意味著沒有問題，濾波整流后可得到5V的輸入電壓，再增設(shè)穩(wěn)壓電路，讓MCU能夠接收3.3V的工作電壓，適當(dāng)減少穩(wěn)壓器的輸入和輸出電壓，可避免由于因數(shù)值相差過多致使系統(tǒng)不穩(wěn)。

使用液晶顯示屏作為顯示模塊，具備并行與串行兩種通訊模式，內(nèi)置轉(zhuǎn)換電力，直接接入電源與底線，此模塊能夠直接處理數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了編程設(shè)計(jì)。計(jì)量芯片和微控制器經(jīng)過六條數(shù)據(jù)線相連，包括復(fù)位線、握手?jǐn)?shù)據(jù)線和四條SPI線，SPI線被用于傳輸數(shù)據(jù)，在編程過程中還要同I/O口相連。

（四）實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)投入實(shí)驗(yàn)，將12V大小的開關(guān)電源和系統(tǒng)連接，利用斷路器等方法保護(hù)回路，采用適當(dāng)方法精準(zhǔn)控制電容，當(dāng)負(fù)載和系統(tǒng)連接后，可自行對(duì)電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將電容加入電路中。投入電容后，需將功率因數(shù)變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行深入分析。

結(jié)論：

可再生能源可以有效解決能源危機(jī)與環(huán)境惡化的問題，但使用過程中存在很多問題，限制了發(fā)展，要加大研究力度，掌握可再生能源分布的規(guī)律，再運(yùn)用合適的方法進(jìn)行推廣，可大幅度提高使用效率，減少資源浪費(fèi)，開發(fā)能源互聯(lián)網(wǎng)，保障分布式發(fā)電系統(tǒng)的正常供電。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦迎雪.智能電力裝備控制系統(tǒng)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].信息技術(shù)與信息化，2021（03）：227-229.

[2]張琦，都成剛.逆變型分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（02）：119-123.

[3]羅威.論述分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化的影響[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2021（01）：19-21.