智能電網新能源接入電能質量監(jiān)測與分析技術研究

國網遼寧省阜新供電公司 李潘星

近年來，我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模不斷擴大，大規(guī)模的可再生能源接入電網，對電能質量監(jiān)測與分析技術提出了新的要求。

首先，隨著可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用，可再生能源發(fā)電逐漸成為我國電網中的主力電源之一，新能源并網系統(tǒng)對電力系統(tǒng)電能質量帶來了較大影響。

其次，由于智能電網中大規(guī)模的風電、光伏等可再生能源接入電網后，其波動性、間歇性、隨機性特征更為明顯，將對電網電能質量造成沖擊。

最后，隨著科學技術的發(fā)展，新型電力電子技術和通信技術在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，其動態(tài)特性顯著改變了電力系統(tǒng)運行的傳統(tǒng)模式。新能源的大規(guī)模接入，對電能質量帶來了新的影響，如何實時、準確地監(jiān)測分析大規(guī)模可再生能源接入電網后的電能質量問題，成為智能電網建設的重要課題之一。本文以某公司為例，對智能電網新能源接入電能質量監(jiān)測與分析技術展開研究。

1 國內外研究現(xiàn)狀

由于可再生能源發(fā)電具有間歇性和波動性等特點，給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的電能質量問題，對電網電能質量的監(jiān)測與分析技術也成為研究熱點。

美國加州大學伯克利分校提出了一種基于動態(tài)諧波分析的電能質量監(jiān)測方法。該方法首先利用小波變換對諧波信號進行分解，得到高頻部分和低頻部分，然后對低頻部分進行奇異值分解得到特征值，最后根據(jù)特征值確定諧波類型。該方法利用小波變換對電網信號進行時頻分析，可以快速準確地實現(xiàn)電壓擾動和諧波分析。

德國西門子公司提出了一種基于小波變換的電能質量監(jiān)測與分析方法，該方法首先將電力系統(tǒng)中的信號進行小波分解，然后對分解后的各個信號進行小波重構，最后采用FFT 變換得到各個信號的時域參數(shù)，從而實現(xiàn)對電能質量的監(jiān)測與分析。

國內電力系統(tǒng)電能質量監(jiān)測技術的研究起步較晚，但隨著科學技術的發(fā)展，國內外研究人員不斷探索新的方法，取得了一系列的研究成果。國網北京市電力公司、中國電力科學研究院有限公司、國家電網公司和南方電網公司等單位，一直致力于電能質量監(jiān)測與分析技術的研究，并在不同的領域取得了較好的成果[1]。

中國電力科學研究院有限公司提出了基于小波分析的電能質量監(jiān)測與分析方法，該方法首先對電網信號進行小波變換，然后利用小波變換對不同頻率處的信號進行重構，從而得到信號的時頻分布，最后利用FFT 變換得到信號的時域參數(shù)。該方法利用小波變換實現(xiàn)了對電壓擾動和諧波的監(jiān)測與分析，且具有較好的抗噪能力。

綜上所述，隨著智能電網的不斷發(fā)展，新能源的不斷接入，傳統(tǒng)的電能質量監(jiān)測與分析技術已無法滿足新能源接入電網后對電能質量監(jiān)測與分析的需求，因此亟須引入新的電能質量監(jiān)測與分析技術。

2 新能源接入對電網電能質量的影響

2.1 新能源并網對于饋線穩(wěn)態(tài)電壓影響

對于電網而言，當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)中的電壓會保持在某一點，而如果電源突然斷電，或者負載發(fā)生變化等情況，系統(tǒng)中的電壓就會發(fā)生波動。當分布式電源接入后，系統(tǒng)的電壓將會發(fā)生較大的波動[2]。在并網發(fā)電時，電網中的潮流會出現(xiàn)反向流動現(xiàn)象，使得系統(tǒng)中的電壓越來越低。當分布式電源接入后，在發(fā)電機、負載等不平衡情況下，系統(tǒng)中的電壓將會出現(xiàn)波動。當分布式電源接入容量較小時，電壓波動幅度相對較??；當分布式電源接入容量較大時，電壓波動幅度將會增大。

在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，分布式電源的接入容量越大，系統(tǒng)中的電壓就會越低，此時系統(tǒng)中的電壓將會越來越高。因此，當分布式電源接入容量較小時，系統(tǒng)中的電壓波動幅度較小，而當分布式電源接入容量較大時，系統(tǒng)中的電壓波動幅度將會增大。

另外，由于分布式電源接入容量較小，系統(tǒng)中的負荷對分布式電源的變化響應較慢，因此分布式電源并網時，系統(tǒng)中的負荷并不會出現(xiàn)大幅度的變化。而當分布式電源接入容量較大時，系統(tǒng)中的負荷將會發(fā)生快速變化。當分布式電源接入容量較大時，系統(tǒng)中的負荷將會出現(xiàn)大幅度的變化，使得系統(tǒng)中的負荷快速變化。而負荷變化速度越快，系統(tǒng)中電壓波動幅度將會越大。

總之，分布式電源接入電網后，將會導致電網中電壓發(fā)生較大波動，而當分布式電源接入容量較大時，將會引起電網中的電壓波動幅度增大[3]。

2.2 新能源引起的電網頻率變化

新能源接入后，由于并網后電網的慣量較低，所以當新能源發(fā)電機接入電網后，將會出現(xiàn)電網頻率與新能源發(fā)電頻率不匹配的問題。

新能源并網后，電網頻率的變化主要由兩方面決定：一是由本公司并網設備自身特性決定的，當并網設備功率與電力系統(tǒng)總功率發(fā)生較大偏差時，并網設備會出現(xiàn)振蕩；二是由于某公司電力系統(tǒng)中各元件的慣性時間常數(shù)不一致，所以當電力系統(tǒng)中的某一元件發(fā)生擾動時，由于慣性作用，會出現(xiàn)較大的振蕩。

當新能源接入電網后，由于其出力的波動性，將會導致公司電網的頻率產生波動，所以電網頻率與新能源發(fā)電頻率不匹配[4]。當新能源接入電網時，將會影響公司電網的慣性時間常數(shù)，進而使電網的頻率發(fā)生變化。由于電力系統(tǒng)中各元件慣性時間常數(shù)的不同，所以當新能源接入電網時，由于其出力的波動性以及出力的隨機性，將會使得電力系統(tǒng)中各元件慣性時間常數(shù)不同，進而導致電力系統(tǒng)中各元件產生較大的振蕩。

2.3 新能源并網會產生孤島問題

分布式電源是指能就近就地供電，能根據(jù)需要向負荷供電，不需要并網升壓變壓器，以減少對電網的干擾和對電網的沖擊。由于分布式電源并網后會降低電力系統(tǒng)頻率、電壓、頻率的穩(wěn)定性，使電網失去了對分布式電源的控制能力，即孤島效應。

孤島效應是指當一個分布式電源與電網斷開時，由于電網本身缺乏足夠的信息和控制能力，無法保證分布式電源可靠地向用戶供電。同時，在接入了新能源后，其功率輸出受到限制，并網系統(tǒng)喪失了對分布式電源的控制能力和穩(wěn)定性，進而失去了與大電網之間的聯(lián)系和配合。

在智能電網中，孤島效應將會造成一系列的影響。首先，分布式電源并網后將會出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，嚴重影響電能質量和電力系統(tǒng)運行的可靠性，甚至導致電網崩潰；其次，在新能源接入電網后，由于其功率輸出特性變化較大，如發(fā)電時有功功率波動較大，而用電時則無功功率變化較大，使得電網出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；最后，在孤島條件下，若電網電壓的恢復速度慢于分布式電源的恢復速度，則會造成電網電壓的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3 智能電網技術框架下電能質量監(jiān)測與分析技術

3.1 智能電網技術框架下電能質量監(jiān)測方法

傅里葉變換是對信號進行傅里葉級數(shù)展開，通過計算頻率域的幅值和相位來獲取信號的細節(jié)信息。其是一種通用的時域分析方法，以信號時間序列為研究對象，可快速得到信號的瞬時頻率、瞬時幅值和瞬時相位等，但該方法具有頻域特性，對噪聲敏感，因此需要對數(shù)據(jù)進行處理。傅里葉變換對信號的頻率、幅值和相位進行了準確的計算，但不能獲得信號的周期。在某公司應用中，由于周期性信號的頻率一般都是穩(wěn)定不變的，因此利用傅里葉變換無法實現(xiàn)對周期性信號的分析。

小波變換法是智能電網技術框架下電能質量監(jiān)測與分析的新方法，其通過對信號進行小波變換，將信號分解為多個頻段，再分別提取各頻段的特征信息，從而達到電能質量分析的目的。小波變換法具有良好的時頻特性和局部特性，能夠在一定程度上提高電能質量監(jiān)測的精度[5]。通過小波變換法，某公司可以將信號中的各種噪聲以及高頻噪聲濾除，從而實現(xiàn)對電能質量的檢測和分析。

小波變換法可以對電壓、電流信號進行分解，由于在實際應用中信號在不同頻段上存在著不同程度的諧波和噪聲，某公司通過對信號進行多分辨率分析就可以提取出有用的信息。

3.2 智能電網框架下電能質量監(jiān)測功能及配置

3.2.1 智能儀表完成電能質量的功能

智能儀表通過與用戶終端之間的通信，實現(xiàn)對用戶終端電能質量參數(shù)的采集、監(jiān)控、記錄、計算、分析、評估和管理。在智能電網框架下，智能儀表除了滿足基本電能質量的檢測和分析外，還應具有如下功能：電能質量監(jiān)測功能。包括對電壓偏差、頻率偏差等電能質量指標的實時測量；電能質量分析功能。包括對電壓波動與閃變、諧波分析和波形失真的監(jiān)測；電能質量管理功能。包括用戶側電能質量指標統(tǒng)計，對電壓偏移和三相電壓不平衡度等進行統(tǒng)計和分析；電能質量管理功能。包括對電壓波動與閃變等電能質量指標的統(tǒng)計和分析，對用戶側電能質量指標統(tǒng)計和分析。

3.2.2 新能源接入系統(tǒng)電能質量的功能要求和配置

新能源接入系統(tǒng)的電能質量問題主要是指，在新能源接入過程中產生的諧波、三相不平衡、電壓暫降等，這些都是由于新能源接入系統(tǒng)對電網電能質量造成的影響，需要在電能質量監(jiān)測與分析的基礎上，通過多種手段加以改善。

諧波。主要指由電網中不平衡的三相電壓、電流產生的諧波。對于諧波一般可通過加裝濾波裝置和補償裝置來減少諧波含量，但由于電網中存在大量非線性負載，在加入濾波裝置之后，仍然會產生大量的諧波。此外，對于新能源發(fā)電系統(tǒng)，由于其接入容量相對較小，在系統(tǒng)中引入的諧波含量相對較少。

電壓暫降。主要是指由電網電壓突然下降而引起的電能質量問題。在電力系統(tǒng)中，電壓暫降一般會影響到電壓互感器、低壓斷路器等設備的正常工作，且電壓暫降情況較為嚴重時可能造成繼電保護及自動裝置的誤動作。

三相不平衡。主要是指電網中各相電壓或電流不平衡（包括相位差、幅值差等），一般是由于設備安裝和設計不良引起的。在電網中存在大量非線性負載時，三相不平衡將導致電壓或電流嚴重畸變。

電壓波動。由于新能源發(fā)電系統(tǒng)的特性及用戶負荷特性等原因，電網中存在一定范圍內的電壓波動現(xiàn)象。當這種電壓波動現(xiàn)象發(fā)生在配電網時，將會引起配電網中的電抗器發(fā)生閃變現(xiàn)象或引起自動開關誤動作。

4 結語

隨著現(xiàn)代電力技術的發(fā)展，智能電網技術得到了廣泛的應用，在智能電網技術框架下，電能質量監(jiān)測與分析方法也得到了極大的發(fā)展，但是電能質量監(jiān)測技術是一個復雜的系統(tǒng)，目前仍存在一些問題，本文對某公司智能電網新能源接入電能質量監(jiān)測與分析方法進行了總結，對一些檢測方法進行了介紹，這些方法雖然在實際應用中取得了一定的效果，但也存在一定的不足，在公司發(fā)展中仍須進一步完善。

智能電網的構建，為新能源接入電能質量監(jiān)測與分析技術提供了較好的應用前景，通過對各類電能質量監(jiān)測方法進行對比分析，不難發(fā)現(xiàn)，基于小波變換法的電能質量監(jiān)測技術具有更好的應用價值，在進行信號處理時，既可以保留信號本身的特征信息，也能夠有效地降低噪聲的干擾，提高數(shù)據(jù)處理速度，避免信號受到干擾。

因此，在對新能源接入電能質量監(jiān)測分析技術進行研究時，應充分利用小波變換法進行電能質量監(jiān)測分析技術研究，同時結合智能電網技術的應用背景，選擇合適的檢測方法和分析方法進行電能質量分析，以提高電能質量監(jiān)測水平。