分布式風電并網系統的狀態穩定及電能質量改善研究

袁鋼

摘 要：隨著社會的不斷向前發展，當前人們的生活水平變得越來越高。為了保障生活質量，當前人們對可持續發展及環境污染的相關問題變得越來越重視。而分布式發電技術由于其在實際應用中對生態環境的友好性，受到了人們的廣泛重視。當前，可再生能源技術不斷向前發展，已經成為世界范圍內能源研究的重要方向之一。

關鍵詞：分布式風電并網系統;狀態穩定;電能質量;改善

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.023

隨著DG技術的不斷向前發展，當前很多大容量分布式電源并入了電網當中。然而由于技術上的局限性，當前一些設備在實際應用中依然存在缺陷，比如微型燃氣輪機及燃料電池在應用中，相應的響應速度相對較慢，而風力發電及光伏發電會由于周邊生態環境的變化，無法穩定輸出電能。DG容量小、電壓等級低，而且大多數都在配電網中并入電力系統。因此，DG的并入將會給配電系統帶來很多問題。

目前，江陰局部地區風電和光伏發電存量大，待并網需求大，在只考慮分布式并網、接入方案按現有規定的情況下，根據當地電網情況（上級電網潮流、變電所主變容量等），保護、機組無功補償、消諧裝置人工計算后合理配置是當前可行的[1]。文章從電壓方面保障電網的穩定性著手，對分布式風電并網系統的戰略穩定及電能質量改善進行了研究。

1 DG變網并網存在的問題

DG一旦在配電側并入電網，必然會對電網運行的穩定性產生一定影響，甚至會破壞整個供配電系統控制等。為了保障人們的用電安全及用電穩定性，傳統的配電網規劃方法已經無法滿足分布式風電并網系統的實際需求，因此有必要改革其規劃方法。

就一般情況而言，DG并網通常是和配電網并列運行的，但這種做法很可能導致電力網絡出現并網控制不良等問題。DG有多種相應的并網技術，一般可以將其分為直接相連、間接相連兩種方案。因此，對于如何并網才能進一步減小對電力系統產生的沖擊，已經成為當前研究工作的重點內容之一。并網工作結束后，才能根據用戶實際需求，調節相關控制工作，進而保障電能供應質量[2]。

1.1 對系統電壓的影響

當引入DG量較小時，并不會對整個電網的正常運行產生太大影響。但是，當電網中存在大量DG時，會對電力系統的各項參數產生極大影響。例如，在穩態運行下，由于饋線上傳輸功率不斷減小，饋線沿著饋線的各復合節點電壓將被進一步抬高。

1.2 對電能質量的影響

DG技術的應用將會對電能質量產生局部影響。首先會產生諧波，其次會使電壓發生一定的閃變問題。不同情況下，DG接入量的多少，都會對電能質量產生影響。就一般情況而言，當接入DG后，電網傳輸電能質量可能產生兩種變化：第一，電力網絡輸送電壓的諧波很可能出現畸變行為;第二，電力網絡輸送的電壓很可能出現閃變現象。

在不同條件下，DG會對電能接入產生提高或降低系統電能質量的影響。同時，DG在投入和退出過程中，會由于不同步或者功率缺額等原因，使得系統電壓產生較大的波動。出現這種情況的根本原因是DG在使用中需要通過用戶產生的一些行為控制其具體動作。當用戶端結合自身用電需求決定DG使用與否時，可以按照用戶的自身實際需求啟動和停運DG，在這種情況下配電網電壓經常發生波動。因此，相關作業人員必須精準控制DG的投入及退出。

隨著科技的不斷進步，為使得DG的作用變得更加強大，人們會為DG加入一些電子型的電源，以此促進DG設備的發展。采用此種類型的電源會使得電壓的調節和控制方式和常規方式存在一定的不同，因此，必須借助相應的控制策略及控制手段，與其緊密配合。絕大多數情況下，電力電子型的電源在其實際應用過程中極易產生諧波，進而造成諧波污染和明顯的電壓畸變，在此種狀況下降低了電能質量。因此，必須限制引入的諧波，達到提高電能質量的效果。

1.3 對繼電保護的影響

LEESTD1547規定，在線路故障后要將DG切除，然而，這一規定在一定程度上違反了安裝初衷，是不可取的。

現階段，國內外的DG并網運行規程在多數情況下要求其并網不會影響原配電網保護系統的正常運轉，其運行原則包括：DG不能主動參與調壓，如果配網發生故障，相關工作人員要快速退出DG，確保配網機電保護功能以及其機電保護動作的及時性和有效性。上述規定盡管在最大程度上確保系統的安全穩定運行，但是會在一定程度上局限甚至可能破壞DG的正常運行。在這種情況下，會損害DG發電商和相關用戶的經濟收入，因此，不利于擴大供電范圍和提高供電的可靠性。

1.4 對聯合電力系統電網穩定性的影響

DG對于聯合電力系統穩定性的影響主要根據功率水平和發電方式決定的。在DG中涵蓋了大量的電力電子設備及電容電感。因此，DG并入傳統電力系統后，必然會改變電力系統的網絡拓撲結構，進而使得電網的潮流發生改變。在此基礎上，會極大地影響聯合電力系統電網的穩定性。

除此之外，外界相關因素的干擾也極有可能使聯合電網的頻率和電壓失去穩定性，進而在其實際運行中使整個電網系統穩定性相對較低。因此，在聯合電網運行后，在各種狀態下要做到故障時相互隔離，遇到外界干擾能夠做到相互配合，從而確保電力系統的穩定運行。

2 DG面臨問題的具體解決措施

2.1 DG電源位置和容量的確定

設置分布式系統的過程中，充分考慮各種衡量指標并且在此基礎上確定發電方式，能夠及時應對突發事件。設計DG電源位置必須充分考慮其周邊地理環境、交通運輸條件等多種相關因素。同時，還應考慮線損的消耗等相關問題，進而改善系統的經濟性和可靠性。

如果總出力相對較多則會進一步增高復合比值，在此種條件下會加大電壓支撐，從整體上提高電壓水平。在不改變分布式電源總出力的條件下，如果將所有分布式電源連接在同一節點上，其電壓的支撐效果略低于接在多個節點上的效果，主要原因是由于DG單個容量較小能夠廣泛地分布在線路上，從而達到較好的支撐電壓的效果。

2.2 繼電保護的改進

傳統形式下的配電網具有龐大的特性。對于電力企業而言，徹底放棄當前已有的一些電力保護措施會遭受很大的經濟損失，而根據當前已有的技術手段，在原有設備基礎上加大改造力度，全面解決饋線接入后造成電力網絡波動情況，將對DG的推廣具有極大的促進作用。

配電網發生故障時與氣墊保護的類型、數量以及其接入位置具有極其重要的關系。在進行保護改造作業之前，如果可以對DG進行系統分類，能夠判定該DG是否對系統故障產生影響，從而降低改造難度，增加經濟效益。

在實際應用中，如果每個DG都可以通過電流型逆變器作用的正常發揮接入電力系統，那么無論在后續使用時發生何種類型的安全事故，DG都會充分發揮作用并自動脫離電力系統，保障電力系統運行的安全性。

2.3 利用電力電子轉換接口技術

無論是任何一種形式的DG都必須要解決DG電源和電網用戶以及儲能系統之間的接口能量轉換問題。近年來，對于電力電子轉換設備進行了改進和優化，然而并不能完全滿足DG的要求。因此，必須開發與創新新型的電力電子轉換設備，使其以較低的成本完成系統的能量轉換。

目前，用于DG的電力電子接口常采用的有逆變器、DC—DC轉換器、輸出過濾器以及處理器。為滿足成本低、可靠性高的要求，必須針對這四類接口進行模塊化標準設計，按照其連接方式的不同，模塊化接口可以使用不同的功率和電壓等級的DG系統。變流器的拓撲結構以及控制策略必須在實踐和探索中逐步形成。除此之外，電力電子接口電路提供輔助性服務給DG也要進行研究。

2.4 電能存儲系統的利用

電力系統發明以來，即使經過多年的使用，在當代有關于電力系統如何對能量進行有效儲存也依然是一個值得探討的問題。而DG元部件的大量應用也是的能量儲存問題進一步發展更為迫切，目前絕大部分已經應用于工業領域，同時在這一過程中也取得了相對較為理想的效果。

然而，如果人類要想使DG技術得到更好的應用，就必須要加大研究力度采取全面措施使其可靠性得到實質性的增加，只有這樣才能讓能量的儲存量得到進一步增長。如何才能提升系統的存儲能量，確保儲能系統能夠在安全及時的狀態下吸取和釋放電能，將嚴重影響并網系統的經濟性和穩定性。

3 STATCOM-PSS控制對風電并網系統穩定性及電能質量的改善研究

當大量風電接入電網后，將會對整個電力系統的穩定運行產生極大影響。因此，如何才能采取有效措施，使得風電并網系統本身具有的穩定性及電能質量得到保障，是當前研究人員面臨的主要問題。由于風能在實際應用過程中本身就具備一定的隨機性，因此風電機的實際輸出功率會隨著風力變化而變化，從而導致電網電壓產生波動或者閃變，最終使電能輸送質量得不到保障。為了改善這一問題，可以通過一些能量儲存裝置緩解閃變問題。

3.1 STATCOM的基本原理

STATCOM技術在實際使用中，要想保障其功能的穩定性，需要以VSC為其使用基礎。就性質上而言，其是自激式無功功率補償裝置的一種。在該裝置實際應用過程中，由于本身具有的一系列優勢，不需要借助傳統的被動元件吸收無功功率;相反，該裝置是直接利用直流電壓元以及PWM技術，控制相應的無功功率?；陔妷涸醋兞髌鞯腟TATCOM如圖1所示。

3.2 STATCOM的建模與控制

根據STATCOM改善電能質量的具體情況，可以將其進一步分為提高功率因素以及調節電壓兩種類型，這兩種類型的具體結構大致相同[3]。經過綜合考慮，文章采用如圖2所示的STATCOM結構控制方案。

在該控制方案中，為了保障其功能，一共包含兩個級聯控制回路，外面的電壓控制回路獨立于調整分層，而接入點則是B2的電壓以及STATCOM的直流電容電壓。內部的電流控制回路會產生電壓分量，后續通過合理的方式方法可以將該電壓分量應用于PWM模塊，從而進一步產生IGBT門的控制信號。

3.3 電力系統穩定器

PSS是為了使同步電機變得更加穩定而專門設計出來的一種自動控制裝置[4]。該裝置可以控制電機的勵磁電壓。當電力系統由于風電系統的接入而產生震蕩時，通過該裝置可以讓發電機的電功率產生一定的變化，使其和轉速震蕩處于相同的相位之內，最終使得發電機的阻尼得到一定程度的改善[5]。具體的作用原理圖如圖3所示。

4 結語

隨著人類社會不斷向前發展，當前世界范圍內的能源危機不斷加深。在這樣的情況下，由于基于可再生能源的分布式發電方案本身具有節能降耗優勢，因此該項技術已經逐漸成為當前風電力系統不斷向前發展的主要趨勢之一。

風力發電由于受到自然條件的影響，無法產生持續的電能。一旦大量風電并入電力系統中，必然會對電力系統的運行穩定性產生一定程度的影響，在系統產生故障時尤其如此。

因此，為保障并網系統的使用效果，筆者對分布式風電并網系統的一些內容進行了研究，并從STATCOM-PSS方面研究了相應的解決方案，希望能對行業的發展創新有所幫助。

參考文獻

[1] 王奕.含光伏和風電接入的概率潮流計算的研究[D].長沙：湖南大學，2019.

[2] 王子璇.含需求響應虛擬電廠的風電并網系統分布式優化調度建模[D].吉林：東北電力大學，2019.

[3] 陳厚合，王子璇，張儒峰，等.含虛擬電廠的風電并網系統分布式優化調度建模[J].中國電機工程學報，2019，39（9）：2615-2625.

[4] 吳國棟.基于潮流轉移識別的風電并網系統保護研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2017.

[5] 朱星陽.風電并網電力系統隨機潮流計算方法及安全評估應用[D].北京：華北電力大學（北京），2014.