微網系統電能質量問題分析及調節*

王根平，王雅慧

微網系統電能質量問題分析及調節*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳職業技術學院 機電工程學院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

對微網系統存在的多種電能質量問題進行了分析，指出由于多種分布式電源和負載的加入，諧波和電壓波動成為影響微網系統電能質量的主要因素．對微網中的諧波干擾提出了4種應對措施，對電壓波動提出采用儲能裝置+SVG（靜態無功發生器）控制策略．

微網系統；電能質量；調節；評估

1 微網系統面臨的電能質量挑戰

微網系統的一個重要特征是為各種新能源提供開放的接口，讓新能源能夠方便地進入電網，從而解決社會的能源短缺問題，并提高綠色能源的應用比例．

新能源的加入，對電網的影響是巨大的．像太陽能和風力發電等，受天氣和氣候的影響，存在一定的間歇性和突發性．新能源加入電網，一般都需要通過電力電子器件的變換和逆變換過程，而這些電力電子器件的工作特性一般都存在嚴重的非線性．同時，微網系統也承擔著各種用電負荷的供電，不同用電負荷對供電的不同要求也對微網系統的電能質量提出了挑戰．

傳統的電能質量分析，已有很多研究和論述[1-6]．本文著重分析由于新能源的加入及電力電子裝置應用給微網帶來的電能質量的問題：諧波干擾問題（波形畸變）、電壓波動與閃變問題．

1）諧波干擾問題．諧波一般由電力系統中的非線性設備引起，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成比例關系．電網諧波有3個來源：一是發電過程產生的諧波；二是輸配電產生的諧波；三是用電設備產生的諧波．其中，用電設備產生的諧波比重最大．諧波會使電力系統中的電氣設備產生額外的損耗（諧波功率），降低電力設備的工作效率，嚴重時還會影響設備的正常工作．

2）電壓波動與閃變．電壓波動與閃變主要是由具有一定統計特征的沖擊性或波動性負荷導致．影響電壓波動與閃變程度的因素有：供電系統短路容量的大小，供電網絡的結構，負荷的用電特性等．電壓波動與閃變的抑制，可通過改善用電設備特性，提高供電能力，以及采用補償設備等實現．

2 微網系統電能質量調節控制

微網系統電能質量調節，其目標是提高用戶的電能電壓，頻率及波形的質量水平．要實現這一目標須采用一系列的調節措施．電壓偏差調整，頻率偏差調整，三相不平衡補償等本質上都屬于傳統電能質量控制范圍．而諧波的抑制，電壓波動與閃變的控制問題則已經成為現代微網系統中電能質量控制的重要內容．

微網系統的電能質量調節，主要通過3種技術手段：一是提高發電設備及用電設備的制造工藝水平，減少電信號的波形畸變的產生；二是采用儲能技術作為緩沖，平衡電壓的波動及閃變；三是電力電子器件的應用，對供應電力進行控制變換，為用戶負荷提供滿足要求，質量合格效能最佳的電力．

2.1 電力諧波的抑制及調節

電力諧波的抑制，一方面是提高微網系統中各分布式發電裝置（DG）的制造工藝水平，從源頭上減少諧波的產生；另一方面加強對輸送出的電流進行諧波檢測，不把發電裝置的諧波送到負荷．但對于用戶來說，諧波的產生則不可避免，因為發電裝置以及用電設備都可能產生諧波．可以通過定期開展諧波測試工作，對諧波超標的設備和線路進行分析，找出諧波源頭，裝設相關設施來抑制．可采取的措施包括：

1）利用由L，R，C元件組成諧振回路，防止與諧振回路的諧振頻率相同或相近的諧波進入微網．例如在電力電子設備系統的交流側安裝無源濾波器．

2）采用可控的半導體功率器件向微網注入與原有諧波電流幅值相等，相位相差180度的電流，使電源的總諧波電流趨于零，實現實時補償諧波電流的目標．

3）在諧波源位置加裝靜止無功補償裝置，有效減少諧波量，提高功率因數，使母線電壓穩定，提升微網系統承受諧波的能力．

4）可考慮將某些電容器組的支路改裝濾波器或者串聯電抗器，也可采取限定電容器組容量的方法，有效避免電容器對諧波的放大．

因此，電力諧波的抑制主要采用預防性和補償性這樣兩種措施．預防性措施有：① 供電設備（如發電機，電容器，變壓器等）在設計，制造，配置方面采取抑制諧波的措施；② 采用電力電子器件構成抑制電力諧波的電路或裝置．補償性措施則包括：① 調整饋線參數；② 采用濾波器．

2.2 電壓波動與閃變的抑制及調節

在微網的運行過程中，由于分布式電源的波動性或大型阻感性負荷的頻繁切換，將導致微網系統內部出現沖擊性功率變化，引起微網電壓波動．圖1為微網并網接線示意圖．微網電壓波動也將導致微網公共連接節點電壓在短時間出現激烈變動．

設S為微網功率的變化，假設由微網注入系統有功功率和無功功率時取正值，反之取為負值．根據阻抗和功率定義及電壓分配定理，有：

由（1）式可以得出微網系統波動電壓UΔ為：

式中，UΔ為微網電壓Umg的波動變化量；R是線路阻抗；X是線路感抗；P和Q則分別是微網的有功功率和無功功率．

由（2）可知，微網的波動電壓與2個因素有關，一個是線路阻抗值（R），另一個是微網的功率變化值（有功功率P和無功功率Q）．考慮到低壓配電網線路電阻值一般都較大，微網系統的無功功率的波動變化要遠小于有功功率的波動變化，所以，微網電壓的波動主要與線路電阻值和微網的有功功率的波動有關．

根據以上分析，當微網有大負載或大容量的電源接入時，都可能造成微網電壓的大幅度的波動．相關研究證明[7]，采用儲能裝置+SVG（靜止無功發生器）協同調節的框架，可以較好抑制電網電壓波動．因此，我們在微網系統中，采用儲能裝置+SVG協同調節的方式來抑制微網的電壓波動．

儲能裝置+SVG協同控制總體控制調節框圖如圖2所示．圖2中，Sin-cos 框圖為有功功率和無功功率計算器，C23，C32系統為控制器．當儲能裝置在微網系統有功功率不足導致壓降時，向微網輸出有功功率；當分布式電源的接入導致微網電壓升高時，儲能裝置則切換為負載，就地吸納有功功率的波動．而對于由于負載或分布式電源的接入或撤除導致的無功功率，則通過SVG就地吸收．通過這種SVG（靜止無功發生器）+儲能裝置的協同控制的方式，基本上可實現對微網系統電壓波動的抑制．

圖1 微網與配電網接線示意圖

圖2 儲能裝置與SVG裝置協同調壓控制框圖

[1] 吳在軍，楊雷雷，胡敏強，等．改善微網電能質量的有源電能質量調節器研究[J]．電網技術，2012，36（7）：67-73．

[2] 李婉娉，李鵬，劉承佳，等．風力發電并入微網電能質量分析與檢測[J]．電網與清潔能源，2012，28（4）：24-28．

[3] 馮興田，韋統振，孔令志．高滲透分布式發電對配電網電壓質量的影響研究[J]．水電能源科學，2010， 28（9）：154-157．

[4] 李福東，吳敏．微網孤島模式下負荷分配的改進控制策略[J]．中國電機工程學報，2011，31（13）：18-25．

[5] 雷之力，魯希娟．微網電能質量特點及有源濾波補償方式研究綜述[J]．湖南電力，2009，29（15）：170-176．

[6] 肖湘寧．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[7] 魏承志，陳晶，涂春鳴，等．基于儲能裝置與靜止無功發生器協同控制策略的微網電壓波動抑制方法[J]．電網技術，2012，36（11）：53-59．

Power Quality of Micro-grid and Its Control Policy

WANG Genping1, WANG Yahui2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

Based on the analyses of power quality of micro-grid ,the conclusion can be reached that harmonic wave and voltage fluctuation are the major factors influencing the power quality due to the distribute power generators and various loads adding to the micro-grid. Four measures are presented to reduce harmonic wave, an energy storage device and SVG are used to reduce the voltage fluctuation. More attention should be paid to power quality of micro-grid so that the micro-grid can make great progress smoothly.

micro-grid; power quality; control; assessment

TM714

A

1672-0318（2014）03-0003-03

2013-11-07

*項目來源：深圳市戰略性新興產業發展專項資金資助項目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向：新能源技術、自動控制、網絡通信技術．