分布式發電系統的電能質量分析與能效管理研究

岳宇

摘 要：分布式發電系統可將可再生能源和小規模發電系統相結合，按照就近原則進行分配，可有效達到節省能源的效果。本文主要論述了分布式發電系統的電能質量分析與能效管理，搭建及準確、實用的數學模型，探究最有效地控制方法，實現對可再生能源最大化利用的目的。

關鍵詞：分布式發電系統;電能質量;能效管理

引言：

電力工業是國家的基礎行業，與人民的生產生活有緊密聯系，時下傳統能源匱乏、霧霾等問題正逐漸加劇，使用清潔能源是未來發展趨勢，在國家的大力支持下，分布式發電被廣泛運用，從特殊場合朝著商業化的方向發展，形成大電網和分布式發電相結合的新方法。

一、分布式發電系統的電能質量參數分析

電網的最佳狀態是在安全性與可靠性的基礎上實現穩定供電，但電力設備的非線性負荷運行與電網的不對稱性易引起電壓偏差、頻率波動等各種問題，為用戶造成較大損失，在某種程度上降低了電網的安全系數，因此，需對電力系統的運行情況進行實時監測，準確掌握電能質量參數信息至關重要。

（一）電壓有效值

在整個電力系統之中，電壓是非常關鍵的物理量，電壓的正常與否與系統的正常運轉息息相關，甚至影響到用戶的生命與財產安全，可使用定義法對電壓有效值進行測算，從定義角度進行推導。其推導公式為。在探究電力系統電壓質量時，還具有一個重要的指標，即電壓偏差，是指當電力系統的電壓出現改變后，實際的測量電壓和電網系統中的額定電壓不符[1]。

通過研究系統電壓質量，有利于電網規劃改造技術的發展，修正無功電壓曲線，一般情況下，電壓合格率有三種計算方式，分別為：一，測算監測點的電壓合格率;二，測量主系統電壓合格率;三，監測供配電系統的電壓合格率。

（二）電流頻率偏差

因為電網系統中的頻率不斷發生著改變，供電系統的有功功率和實際需要的有功功率難以實現平衡，這會引起系統中的頻率出現變化，這種變化即頻率變化，是指實際頻率和標稱之間的差異。公式為Δf=fr-fs，在正常運行狀態下的電力系統，其允許的誤差是0.2赫茲，若系統容量偏小，則允許誤差為0.5赫茲，頻率的正常與否決定著電力系統正常運轉。因此，還存在著很多物理量用以衡量系統頻率是否正常，比如頻率合格率。

（三）三項不平衡度

供電系統在正常運轉時，三項不平衡度的允許值要小于概率衡量值的95%，若系統存在較大波動，要和系統實際測量的算術平均值對比，當波動范圍較小時，保證在概率值95%以內即可，短時允許值是在任何時候都不可超過的極限，確保自動裝置的正確動作。一般情況下，三項不平衡度要用到正序和負序分量方均根值，公式為。

（四）電壓波動與閃變

電力系統中的供電電壓不斷變化，電壓調幅波會呈現規律性或隨機性變化，一般來說波動范圍在0.95至1.05pu之間。波動值能夠標識電壓波動特性，可通過電壓極大值與極小值、標稱電壓表示出來，公式為，根據有關規定，在不超過10kV的低壓配電網中，相比于平穩時的電壓波動是2.5%，中壓電網是2.0%，超過220kV則為1.6%，若動態電壓波動值高于3%時，持續時間低于200毫秒，最高不超過4%。閃變包括瞬時閃變視感度S（t）、短時閃變值Pst長時閃變值幾種參數P1t。S（t）能夠表示瞬時值與時間的相互關系，瞬時值曲線可應用在閃變評估中，一般情況下，閃變覺察率為50%。負荷有著一定的隨機性，電壓波動的檢測事件一般超過10分鐘，Pst為表示電壓波動特性的參數，可制作出函數CPF曲線，通過5個典型值進行求解。P1t是通過短時閃變值的綜合求解得出[2]。

（五）互感器通道矯正

有很多算法被應用在電力系統分析過程中，比如Prony算法、希爾伯特黃變換和神經網絡算法等。對互感器進行建模，將分布式發電系統互感器參數進行函數辨識，因為實際中互感器仿真運算所得到的波形會夾雜著諧波，造成失真，需借助算法進行相應的處理，實現對互感器通道的校正。

二、分布式發電系統的能效管理系統設計

（一）電容分配

在制定電容容量的分配方式過程中，存在等容分配與不等容分配兩種方法，等容分配是當系統總容量確定后，將總容量合理分成幾份，若份數多，則每組容量較小，電容數量也偏多，這種方法具有靈活的優點，但所需成本偏高，并占地面積大。若每組的電容容量較大，會導致補償或欠補償。

不等容分配是指各個小組的電容容量均不同，要按照具體情況進行設計，通常情況下，各組容量比例為1：2：4：8.這種方法還有助于提升系統性價比，并降低系統體積，適合用在分布式發電系統中。

（二）控制算法

無功功率檢測算法是基于電路原理基礎上得出的，實現起來比較容易，但只適用于正弦電路中，但分布式發電系統中包含很多非線性電子器件，導致產生較大的諧波。

在設計無功補償系統過程中，關鍵在于精準測出無功電流，瞬時無功功率為三項電網中最為常見的無功電流方法，要保證電壓對稱、并且電流未出現畸變，獲取無功功率比較簡便，把有關功率設為零就可以，借助反變換可以將無功電流加入到三項坐標系中，因為分布式發電系統中的電壓波動較大，隨之要求也偏高，要保證準確性與實時性，傳統方法雖然簡便，但精度不足，不適合用在分布式發電系統中，通過瞬時無功功率檢測法能夠迅速得到無功電流，實現對各區電壓與無功功率的有效控制。

（三）系統硬件設計

使用計量芯片收集數據，借助專用芯片可以對信號開展高精密度測量，通過轉換器對模擬量進行采集并傳輸，可同時測量三項電壓與電流信號。在系統中運用電壓、電流互感器開展電氣隔離，避免系統中較大輸出電壓和電流導致芯片損壞，提升安全系數，利用互感器對待測信號進行收集，再傳輸至微控制器中實行測算。搭建抗混疊濾波器可提升電路穩定性，并過濾不必要波形，還可在收集數據過程中降低溫漂，互感器中的取樣電阻是100歐姆，輸入信號量程大，可將電流信號轉變為電壓信號，芯片收集互感器的信號，達到電氣隔離的目的。應用低電平觸發復位子系統，當系統發生故障時，可利用復位電路實現重新啟動，在這個過程中，電容放電減小電壓，加入控制器，觸發控制器復位口低電平，實現復位效果[3]。

因為元器件供電的電壓較小，并且為直流電，但常用為交流電，并且電壓較高，所以要加入變壓器進行降壓，利用穩壓芯片使電壓更穩定，以免電壓不穩對元器件造成影響。在電源后端放置發光二極管可以檢測電路的工作狀態，當系統通電后，燈亮意味著沒有問題，濾波整流后可得到5V的輸入電壓，再增設穩壓電路，讓MCU能夠接收3.3V的工作電壓，適當減少穩壓器的輸入和輸出電壓，可避免由于因數值相差過多致使系統不穩。

使用液晶顯示屏作為顯示模塊，具備并行與串行兩種通訊模式，內置轉換電力，直接接入電源與底線，此模塊能夠直接處理數據，簡化了編程設計。計量芯片和微控制器經過六條數據線相連，包括復位線、握手數據線和四條SPI線，SPI線被用于傳輸數據，在編程過程中還要同I/O口相連。

（四）實驗測試

將設計好的系統投入實驗，將12V大小的開關電源和系統連接，利用斷路器等方法保護回路，采用適當方法精準控制電容，當負載和系統連接后，可自行對電參數進行檢測，將電容加入電路中。投入電容后，需將功率因數變化值進行統計，對測試結果進行深入分析。

結論：

可再生能源可以有效解決能源危機與環境惡化的問題，但使用過程中存在很多問題，限制了發展，要加大研究力度，掌握可再生能源分布的規律，再運用合適的方法進行推廣，可大幅度提高使用效率，減少資源浪費，開發能源互聯網，保障分布式發電系統的正常供電。

參考文獻：

[1]焦迎雪.智能電力裝備控制系統在分布式發電系統中的應用與研究[J].信息技術與信息化，2021（03）：227-229.

[2]張琦，都成剛.逆變型分布式發電系統孤島檢測方法的研究[J].自動化技術與應用，2021，40（02）：119-123.

[3]羅威.論述分布式發電對配電網繼電保護及自動化的影響[J].電氣技術與經濟，2021（01）：19-21.