分布式電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及其改善研究

查戰(zhàn)虎

（國網(wǎng)嵐皋縣供電公司，陜西 嵐皋 725400）

1 分布式電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

分布式發(fā)電一般是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效且可靠的發(fā)電單元。分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)和用戶來說用途較多，可承擔(dān)系統(tǒng)的基本負(fù)荷，還可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，同時為用戶提供電能和熱能。對于電力系統(tǒng)的運(yùn)行，分布式發(fā)電還起到電壓自動調(diào)節(jié)、系統(tǒng)穩(wěn)定、電氣設(shè)備熱起動以及旋轉(zhuǎn)動能貯備的作用。分布式發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電

分布式電源輸出功率較常規(guī)電廠低，通常為2～500 kW，其體積很小，很容易就能找到適合位置。在偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)，通過安裝小容量分布式電源充分利用本地能源或者就地發(fā)電方式為當(dāng)?shù)鼐用窆╇姡哂型顿Y少、建設(shè)周期短等特點(diǎn)。分布式電源具有靈活負(fù)載調(diào)整功能，在啟動過程中僅需要數(shù)秒，輸出功率可以根據(jù)小時進(jìn)行調(diào)整。因此，分布式電源在經(jīng)營上也是非常靈活。另外，分布式電源可以作為后備電源，向需要不間斷供電的客戶提供電力，保證供電可靠性，降低電費(fèi)開支。同時，分布式電源在大電網(wǎng)中的接入和切斷相對自主，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時利用斷路設(shè)備將分布式電源從電網(wǎng)中分離出來，分布式電源可以獨(dú)立地為用戶提供電力[1-4]。但是，分布式電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量存在一定影響，具體如下。

1.1 分布式電源對系統(tǒng)安全和可靠性的影響

采用分布式供電方式能有效解決電力系統(tǒng)中過載、阻塞問題，并能有效改善電力系統(tǒng)的傳輸容量。通過合理分配供電配置和調(diào)整電壓，對改善電力系統(tǒng)可靠性具有重要意義。如果出現(xiàn)故障，分布式電力不僅無法提供電壓支持，還會加劇電力供應(yīng)的下降，造成設(shè)備受損及電力供應(yīng)中斷。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，部分分布電源燃料供應(yīng)或者分配輔助設(shè)備會被切斷，而分布式電源將會在同一時間停止運(yùn)行，從而不能提高電力可靠性。同時，如果配電網(wǎng)絡(luò)和分布式電源之間的繼電保護(hù)工作不到位，會造成繼電保護(hù)失效，從而影響到整個系統(tǒng)的安全性。此外，配電網(wǎng)絡(luò)安裝位置、容量、連接方式等因素也會影響其安全性[5]。

1.2 分布式電源對系統(tǒng)潮流和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

配電網(wǎng)中的負(fù)荷近旁接入分布式電源系統(tǒng)后，整個配電網(wǎng)的負(fù)荷分布將發(fā)生變化。采用分布式電源減少配電網(wǎng)中的全部線路損失，分布式電源的加入會使配電網(wǎng)絡(luò)中部分線路損失增大，但整體輸電線損失會減少。因此，根據(jù)分布電源位置、負(fù)荷量相對尺寸和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，分布電源引入會增加或減少系統(tǒng)損失[6]。此外，如果現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境光照和光線強(qiáng)度條件變化劇烈且導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)控制器的網(wǎng)絡(luò)性能不好，那么會直接導(dǎo)致并聯(lián)各網(wǎng)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)電壓發(fā)生波動。

1.3 分布式電源對電能質(zhì)量的影響

1.3.1 閃光電壓

若發(fā)生以下情形，分布式電源將會直接或間接導(dǎo)致電壓閃爍：分布式電源系統(tǒng)啟動；產(chǎn)量急劇變動或大幅變動；分布式電源與反饋段電壓控制裝置彼此作用。當(dāng)前所采取措施為要求分布式電源所有者減少分布式電源啟動次數(shù)，并將分布式電源經(jīng)由逆變器連接到配電網(wǎng)，從而降低分布式電源輸出[7-10]。

1.3.2 和 諧

以下情形中分布式電源會產(chǎn)生諧波：分布式電源自身為諧波源；分布式電源通過功率電子技術(shù)將其與配電網(wǎng)絡(luò)連接。有學(xué)者深入研究了大容量配電系統(tǒng)引進(jìn)分布式電源后，對某些主要母線諧波電壓等級進(jìn)行探討，建議采用專用濾波器進(jìn)行諧波電壓控制。研究光伏（Photovoltaic，PV）型電力系統(tǒng)多功能逆變器控制方案，即將并聯(lián)式有源濾波技術(shù)引入PV型電力系統(tǒng)，并通過引入基準(zhǔn)最大功率點(diǎn)追蹤控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓器的電流穩(wěn)定輸出，達(dá)到抑制諧波電壓的目的。另外，可在分布式電力系統(tǒng)中增加存儲設(shè)備，解決如電壓脈沖、沖擊、電壓跌落以及瞬間電源中斷等動態(tài)能量質(zhì)量問題。

1.4 分布式電源對繼電保護(hù)影響

配電網(wǎng)絡(luò)中有大量繼電保護(hù)設(shè)備，無法進(jìn)行大規(guī)模改造。分布功率較大時，存在多個功率失衡現(xiàn)象，因此保護(hù)設(shè)備應(yīng)具備指向性。在配電系統(tǒng)負(fù)載能力由低至高逐步上升，接近于總負(fù)載能力某個數(shù)值時，配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗會逐步下降，直至達(dá)到峰值，再由高至低。另外，將分散電力系統(tǒng)分成2部分，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)損失。當(dāng)分布式電源容量相同時，在原有電網(wǎng)電壓下降最大的地方安裝分布式電源對配電網(wǎng)絡(luò)的電壓支持效果會更好。

2 分布式電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善研究

2.1 提高供電網(wǎng)絡(luò)電壓品質(zhì)

首先，將分布式供電裝置設(shè)置在離電網(wǎng)較近地方，使有功供電可以就近供電，而且可以很容易地對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而大大降低電網(wǎng)損耗。由于配電系統(tǒng)存在，使得配電系統(tǒng)短路容量增加，從而在一定程度上抑制或減弱配電網(wǎng)絡(luò)中由于負(fù)載波動而產(chǎn)生電壓波動。其次，并網(wǎng)變流器具有靈活性，通過合理控制，可以對接入點(diǎn)電壓進(jìn)行有效控制，相當(dāng)于將其合并到STATCOM中。通過對并網(wǎng)變流器進(jìn)行控制，既可以實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)移，又可以在一定程度上提高配電網(wǎng)絡(luò)電壓品質(zhì)。最后，許多分布式電源在接入電網(wǎng)時都會安裝相應(yīng)補(bǔ)償設(shè)備，以解決由于電力系統(tǒng)投入而造成的電力品質(zhì)問題。

2.2 提高系統(tǒng)可靠性

分布式電源因其容量小、分布位置分散、控制靈活，在合理控制下可以快速完成投切，從而實(shí)現(xiàn)緊急、后備功能，提高系統(tǒng)可靠性。配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，該系統(tǒng)可以作為備用電源，一定控制條件下可在最短時間內(nèi)啟動，減小停電范圍，縮短停電時間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3 反相分布供電電壓控制

旋轉(zhuǎn)式分布式電源雖然有一定穩(wěn)定性，但在并網(wǎng)前后，其輸入點(diǎn)處的電壓波動很大，對用戶供電質(zhì)量和供電安全性造成一定影響。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)分布式電源相比，逆變分布式電源具有更大優(yōu)越性。一方面，同樣容量逆變型分布式電源對并網(wǎng)后并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓影響很小，而且不會對并網(wǎng)后并網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定影響。另一方面，沒有太多考慮到短路電流，造成整體保護(hù)結(jié)構(gòu)變化。采用定功率逆變型分布式電源，仍然無法消除配電網(wǎng)絡(luò)中電壓波動，從而影響到電力系統(tǒng)供電質(zhì)量。只要采用合理控制策略，就能夠在一定程度上對近點(diǎn)處電壓進(jìn)行控制，而不會出現(xiàn)電力不穩(wěn)定、電能質(zhì)量不高問題。

2.4 電能質(zhì)量復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)

2.4.1 電力分配控制

在配電系統(tǒng)中，當(dāng)多個分布式電源并網(wǎng)時，往往采用下垂式控制，即模擬常規(guī)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的工作特性，根據(jù)其輸出功率變化，對電壓源輸出電壓和頻率進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，這要求分布式電源具備能量存儲裝置。在逆變器并聯(lián)技術(shù)中，采用下垂控制方式，即當(dāng)分布式電源都是由逆變器與大電網(wǎng)相連，而每個分布式電源在孤島狀態(tài)下工作時，逆變器并聯(lián)。

2.4.2 無功和諧波探測技術(shù)

在此基礎(chǔ)上，提出基于瞬時無功原理的諧波檢測技術(shù)，它可以對諧波電流進(jìn)行精確而迅速的檢測。現(xiàn)有有源濾波器中的諧波、無功電流檢測主要是建立在瞬間無功功率理論基礎(chǔ)上，由此導(dǎo)出有源濾波器諧波、無功電流探測。

2.4.3 調(diào)頻功率分布

通過將配電系統(tǒng)的容量余量等效為有源濾波器，以降低電網(wǎng)諧波。多臺逆變器在沒有互聯(lián)線路的情況下，因各逆變器本身容量和阻抗差異，難以精確測量與實(shí)現(xiàn)對各逆變器功率分布的理想控制。通過引入虛阻抗，可使逆變電路輸出阻抗不再依賴于濾波器、傳輸線路物理參量，從而極大程度上降低物理阻抗等因素對功率分布的影響，改善功率分布控制效果。

2.4.4 合成控制信號生成

由于電力系統(tǒng)特點(diǎn)和控制方法相似，都需要檢測并產(chǎn)生指令電流，所以可以考慮將二者產(chǎn)生的指令電流進(jìn)行疊加。分布式電源在向外傳輸電能的同時，可以利用其剩余容量對由非線性合成產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。分布式電源的符合控制如圖2所示。

圖2 分布式電源的復(fù)合控制

3 結(jié) 論

分布式電源并網(wǎng)將直接影響到電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、繼電保護(hù)、供電可靠性。對此，應(yīng)根據(jù)分布式電源特性對分布式電源接入后系統(tǒng)的潮流分析、穩(wěn)定分析、短路分析等進(jìn)行深入研究，為解決電力系統(tǒng)技術(shù)難題、推動電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。