分布式電源并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

焦能

近年來，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的隨機性和波動性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響

近年來，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)對能源危機和環(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的隨機性和波動性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響。

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

一、對電壓波動的影響

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，有功、無功負荷隨時間變化會引起系統(tǒng)電壓波動。如果負荷集中在系統(tǒng)末端附近，電壓的波動會更大，一般盡量避免這種情況的發(fā)生。而對于分布式電源而言，其對接入點電壓波動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氣輪機、風(fēng)電機組、太陽能光伏發(fā)電以及燃料電池等，各自運行特性差異較大，造成有功功率波動的因素較多，歸納起來大致有三種情況。

（一）輸入能量變化及其它外界干擾

對于風(fēng)電機組、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，很多機組采用了最大功率追蹤控制，而不是定功率控制，當外界資源條件發(fā)生變化時其輸出功率必然隨之變動。

對于風(fēng)電機組來說，輸入功率來自風(fēng)能，風(fēng)力機提供給發(fā)電機的機械功率與風(fēng)速有關(guān)，而風(fēng)速的變化是由自然條件來決定的，隨機性較強。一旦風(fēng)速快速變化，則風(fēng)電機組的輸出功率必將劇烈變化。當風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的有效風(fēng)速范圍內(nèi)時，通過傳動機構(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，但是也不易保持絕對的功率恒定。此外，風(fēng)電機組在運行過程中還會受到風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)以及偏航誤差的影響，導(dǎo)致風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而造成輸出功率的波動，進而導(dǎo)致風(fēng)電機組所在的電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓波動。

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，其核心部件光伏電池板的最大功率點會隨著光照強度、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和停運

分布式電源的起動和停運與自然條件、用戶需求、政策法規(guī)、電力市場等諸多因素有關(guān)。分布式電源的調(diào)度和運行，往往由電源的產(chǎn)權(quán)所有者來控制，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)營主體。這樣就可能出現(xiàn)分布式電源隨機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啟動和停機，或者以贏利為目的，只在電價高于發(fā)電成本時才開啟機組，在峰荷過后退出。隨著分布式電源數(shù)目的增多，這種情況對發(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

對于燃料電池、微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機組等輸入燃料流量可控的分布式電源來說，輸入能量是基本恒定的，一般不會因為輸入能量的波動造成輸出功率的明顯變化。

典型的往復(fù)式引擎驅(qū)動發(fā)電機組——同步柴油發(fā)電機，其氣缸存在點火熄滅過程，因此會出現(xiàn)輸出功率波動現(xiàn)象；為此國家在設(shè)計和制造過程中提出了一定的技術(shù)規(guī)范，要求往復(fù)式驅(qū)動引擎的發(fā)電機組動態(tài)電壓小于0.5%。

燃料電池可以通過對燃料輸入控制、反饋控制等方法對電源輸出進行控制，但是其對控制系統(tǒng)的精確度要求很高，實際使用過程中，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。控制器的算法和參數(shù)整定可能導(dǎo)致分布式電源輸出功率的周期性波動。

對于熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式發(fā)電機組，輸出必須滿足熱量的需要，而且功率的變化速度也是有時間限制的，在供熱需求發(fā)生變化時，也會引起分布式電源發(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。但合理利用分布式電源，使其與當?shù)刎摵蓞f(xié)調(diào)運行，即當負荷增加（或減少）時，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。

（四）利用分布式電源抑制電壓波動的優(yōu)勢

分布式電源的接入，提高了配電網(wǎng)整體的短路容量。這對抑制區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)的電壓波動問題起著積極作用。在出現(xiàn)負荷沖擊性投切等情況時，其電壓波動大小相比傳統(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)，與負荷的距離較近能夠快速及時地提供電能。因此利用分布式電源，對動態(tài)波動的負荷進行有功功率的就近提供、無功功率的就近補償較為方便，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，在用戶負荷突然變化時，對分布式電源的輸出功率進行相應(yīng)調(diào)整，以補償或抵消負荷的功率波動，可以達到抑制電壓波動的效果。當然，這需要資源條件允許并且分布式電源可以進行宏觀調(diào)控。同時，采用定功率控制的分布式電源顯然無法做到改善電壓波動，因此這對分布式電源的控制策略也提出相應(yīng)改進要求。

需要指出的是，抑制分布式電源發(fā)電量而抑制電壓波動并不可取，在分布式電源所在配電網(wǎng)中設(shè)置儲能節(jié)點，便可在不主動降低分布式電源發(fā)電量基礎(chǔ)上，對負荷的功率波動進行動態(tài)調(diào)整，從而抑制電壓波動。

綜上所述，分布式發(fā)電接入系統(tǒng)對系統(tǒng)電壓波動的影響屬于固有問題，只要該分布式電源處于運行狀態(tài)，其波動的輸出功率就會對電網(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已經(jīng)成為制約分布式電源裝機容量的主要因素。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。因此，全面系統(tǒng)地對分布式電源接入的電壓波動問題進行研究，具有實際意義。

二、諧波問題

在復(fù)雜的周期性振蕩中,包含基波和諧波。和該振蕩最長周期相等的正弦波分量稱為基波（比如中國家庭用電220伏、50赫茲的正弦震蕩即為基波），相應(yīng)于這個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。

諧波會對公用電網(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，上述危害進一步加大；使繼保設(shè)備誤動作，測量設(shè)備失準等。此外，還會對通信、電子類設(shè)備產(chǎn)生干擾。

分布式電源是諧波源，在正常運行時，所采用的一些電力電子設(shè)備會產(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，例如太陽能光伏電池、燃料電池等并網(wǎng)時，需通過逆變器接入交流電網(wǎng)；微型燃氣輪機的輸出是高頻電壓，風(fēng)電機組的輸出電壓頻率與風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，這些分布式電源并網(wǎng)往往都要經(jīng)過變流器。這些變流器是通過電力電子器件的頻繁開通和關(guān)斷來實現(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。

開關(guān)器件頻繁的開通和關(guān)斷容易產(chǎn)生一系列的諧波分量，對電網(wǎng)造成諧波污染。其中開關(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行情況下，例如三相不平衡、直流偏磁等非理想情況，也會造成諧波增加。

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關(guān)頻率更高，使諧波本身的產(chǎn)生機理、傳播特性更加復(fù)雜，更易引發(fā)諧波諧振以及穩(wěn)定性問題。

其次，分布式電源接入電網(wǎng)，其參數(shù)具有較強的波動性與隨機性，產(chǎn)生的諧波使電網(wǎng)參數(shù)隨時變化，諧波分析噪聲干擾大。并且，分布式電源離負荷近，產(chǎn)生的諧波對附近負荷供電質(zhì)量影響更明顯。由于接入配電網(wǎng)電壓等級低，阻抗標幺值相對大，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電網(wǎng)的諧波帶來了不可忽視且復(fù)雜的影響。分布式新能源并網(wǎng)在帶來諧波問題的同時，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。