新能源接入對微電網電能質量的影響研究

邊 緣，何 淼，孫英華，于浩航，吳 揚

（1.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 110013；2.國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000）

近年來，新能源的發展趨勢日益迅猛，新能源的大規模并網已成為新形勢，這也影響了電網的電能質量，引發了電網的安全穩定問題。微電網是新能源接入的載體。因此，為提高新能源接入后電網的電能質量，保障電力系統的安全穩定運行，本文對微電網電能質量問題展開分析，對新能源接入后微電網電能質量的變化及與配電網之間的交互影響進行深入研究。

1 微電網的電能質量問題

由于微電網在運行過程中的特殊性，其出現的電能質量問題不僅包括傳統大電網的電能質量問題，還會出現特有的微電能質量問題。

1.1 傳統電能質量問題

1.1.1 電壓偏差

電壓偏差是指電網運行過程中，某一節點的實際電壓和額定電壓的差值ΔU*與額定電壓UN的百分比［1］，定義為δU：

式中，U為實際運行電壓；UN為系統額定電壓。

導線截面和變壓器分接頭的選擇都會引起電壓偏差，而微電網的電壓偏差源于功率不平衡，尤其是分布式電源與負荷間存在的無功功率不平衡。分布式電源調節功率的能力非常弱，當無功負荷發生較大的變化時，就會產生電壓偏差。無功功率損失與電壓偏差成正比，當電壓偏差過大并超過了正常范圍時，若外界產生擾動，接收端的電壓就會急劇下降，嚴重時會發生大規模停電事故。

1.1.2 頻率偏差

對比電力系統的額定頻率，基波頻率的偏移程度百分比用頻率偏差來表示［1］。頻率偏差通常是由有功功率的供需不平衡引起的，如在微電網運行過程中，出現風電和光伏等可再生能源的出力變化引發孤島運行時，會出現頻率偏差，其表達式同電壓偏差。

1.1.3 電壓波動

不同于電壓偏差，電壓波動指電壓快速且連續地變化，用ΔD表示：

以風能和太陽能為主的微電網分布式電源具有間歇性和高滲透性，當外界環境條件變化或分布式電源忽然被切除時，會引發電力系統的功率輸出不穩定，從而導致電壓快速地連續變化，形成電壓波動。

1.1.4 三相不平衡

三相負載不平衡以及系統元件三相參數不對稱是引發電力系統三相不平衡的重要原因。當系統出現三相不平衡問題時，各相相位偏差不等于120°，各相幅值也不相等。微電網中包含的可再生能源和負荷種類多樣，任一種分布式電源的投切，或是大容量負荷的投切都會使得微電網的三相電壓不平衡。

1.1.5 諧波

諸如整流裝置和熒光燈等用電設備與非線性負荷存在于微電網中，會使得電流中的諧波含量增多。此外，分布式電源通過電力電子變換器注入微電網，而電力電子變換器的開關頻率和死區效應會導致大量諧波電流進入微電網，使微電網諧波電流含量上升，對電能質量影響頗深。

1.2 特有的微電能質量問題

不同于傳統電力系統，微電網作為一種特殊形式，運行過程中不僅會產生傳統的電能質量問題，還會產生特殊的電能質量問題。

1.2.1 微電網投切的暫態沖擊

微電網在并網運行和孤島運行之間切換時，會使得電力電子變換器產生電壓和頻率的突變，導致靜態開關兩側電壓和頻率不匹配，由此產生的暫態電壓形成暫態沖擊，嚴重影響微電網的電能質量。

并網運行時，分布式電源在大電網的支撐下只進行功率調節，逆變器多采用恒功率（PQ）控制方式來控制輸出功率；孤島運行時，分布式電源進行電壓調節和功率調節，主逆變器多采用恒壓/恒頻（VF）控制方式來控制參考電壓，其他逆變器仍采用PQ 控制［2］。在孤島運行狀態下，負荷的投切與并網轉孤島運行狀態的切換都會引發短時的功率不平衡，從而形成暫態沖擊。

1.2.2 微電網與配電網電能質量的交互影響

微電網電能質量不僅受內部的分布式電源及負荷的運行特性影響，還會與外部連接的配網產生交互影響。微電網產生的諧波電流會通過公共連接點注入配電網，配電網末端產生的電壓問題也會傳回微電網，導致公共連接點處的電能質量受到影響，嚴重時會影響微電網的并網運行［3-5］。此外，隨著電力系統的快速發展，未來會有越來越多的微電網接入，這些接入的微電網之間也會相互作用，產生交互影響。

2 新能源接入微電網對電能質量的影響

2.1 風電接入微電網

2.1.1 對微電網頻率的影響

風電接入電力系統后，通過P-F 平衡控制器保證風機輸出功率和負荷功率的一致性。在實際運行過程中，以電網日負荷趨勢為依據調度風機發電量，調度結束產生的風機發電量與實際電量需求的差值由熱備用進行補償。因此，熱備用容量的大小是影響風電接入的電網頻率特性的主要因素。

影響風電接入的電網頻率特性的因素還包括旋轉機械慣性時間常數。當風機低速或失速運行時，其出力下降速度加快，電網的頻率也會隨之大幅度下降，影響電力系統的穩定性，這種慣性即為系統慣量。系統頻率的高低與系統慣量的大小成正比，為了保證系統在頻率大幅度下降時有足夠的反應時間，應保證系統慣量足夠大?，F今的風電場多采用雙饋式或直驅式風機，兩者都是恒頻變速式風機，采用降低轉速來使頻率下降的方式不再可行。因為這種方式形成的隱形慣量降低了系統慣量，導致風機出力不足，負荷降低過快，造成并網時電網頻率的穩定性下降。

2.1.2 對微電網電壓的影響

1）電壓偏差的產生原因及危害

在電力傳輸過程中，外界不平衡和負荷波動都會造成無功損耗大量增加，從而引起電壓偏差。同時，包括變壓器和變流器在內的大量元件以及輸電線路在內的電力系統在運行過程中還需要消耗大量無功功率，加重電壓偏差。電壓降落與無功的關系如下：

式中，U1-U2為送受端的電壓差；U為系統母線電壓。

由于輸電線上的有功功率損耗遠遠小于無功功率損耗，電壓偏差的計算公式同式（1）。

2）電壓波動及閃變的產生原因及危害

與電壓偏差不同，電壓波動主要是由系統中接入沖擊性大負荷引起的。以電氣化鐵路為例，其運行需要兩相電。當電氣化鐵路接入電力系統時，會對系統產生一個比較大的沖擊，從而導致三相電壓不平衡。此外，如果這些沖擊負荷的短路容量不平衡，還會導致有功和無功的大幅度波動。當非線性電流經過這些沖擊性元件時，產生的波動電壓會使其他負荷產生同頻率的電壓波動，出現諧振現象，諧振現象較嚴重時會導致受端喪失工作能力。

電壓閃變帶來的諸多影響也是消極不利的。以現代生活中最普遍的電燈為例，閃變現象出現的過于頻繁且不能得到控制時，長時間的燈光閃爍會使人類視覺受到嚴重影響，造成眼部肌肉疲勞和神經衰弱，導致視力下降；以成像設備為例，電壓閃變導致圖像在垂直方向上抖動，這會使用電設備的壽命縮短；以精密元件制造為例，任何形式的電壓波動或是閃變都會導致設備質量不合格或設備無法正常工作等問題。因此，要求電壓絕對平穩。

3）電壓暫降的產生原因及危害

保證設備可以連續正常工作的最大電壓被稱為最大工作電壓，最大工作電壓的大小與設備電壓的暫降關系密切。正常情況下，設備的最大工作電壓為特定系數與額定電壓的乘積。對于220 kV及以下的電力系統，特定系數為1.15；220 kV 以上的電力系統的特定系數為1.1。電壓暫降現象是指在短時間內，電壓下降到0.1～0.9倍的額定電壓，且時間在0.01 s～0.6 s 內，即線路在短時間內由于短路故障出現了遠大于正常情況的電流，從而產生了遠小于正常情況的電壓，但保護裝置很快就會動作，使得電壓恢復正常。此外，電網內突然接入大功率負荷也會導致電壓暫降。

用暫降深度MF衡量電壓暫降的幅度：

式中，Usag為電壓暫降后的有效值；Uref為電壓暫降前的有效值。

2.1.3 對微電網諧波的影響

電壓總諧波畸變率（THDU）為描述諧波指標［6，9］：

式中，U1為基波電壓的方均根值；UH為第h次諧波電壓的方均根值；h為分析量的諧波最高次數。

諧波廣泛存在于電力系統中。目前，絕大多數風電場都采用軟并網的形式，因此需要投入大量的輔助電力設備。無論是風機本身還是輔助的電力設備，甚至是無功補償裝置都會產生5 次或7次諧波。事實上，由于未投運電力電子設備，恒速風機不會產生諧波電流，雖然輔助電力設備會產生大量諧波電流，但持續時間很短。因此，風機本身和輔助電力設備產生的諧波都非主要因素，可以忽略?，F代大型風電場配備的風力發電機多采用變速風機，如直驅型或雙饋型，這兩種類型的風機內部存在的變流器才是諧波產生的主要來源。

諧波對電力系統產生巨大的影響，不同設備受諧波影響的程度不同。以汽輪機為例，當系統中諧波含量較高時，會導致汽輪機轉子上的葉片發生諧振現象。由于汽輪機轉速過快，盡管諧振發生程度極小，也會因為長時間的沖擊導致葉片斷裂。當系統中投入無功補償裝置后，雷電過電壓、操作過電壓或三相投切時間不一致也會使電網發生諧振現象。諧波的產生不僅會對電力系統自身造成一定程度的破壞，還會導致潮流計算精度下降。此外，變壓器、發電機和輸電線路等也會因受到諧波的影響而產生額外的熱損耗，也就意味著諧波會影響系統的效率，會造成系統絕緣性能下降，會影響系統的繼電保護能力。

2.2 光伏電站接入微電網

2.2.1 對微電網頻率的影響

光伏電站接入電網后，起初由于其容量較小且允許多臺機組同時投入或切除，對電網頻率不會產生影響。伴隨著新能源的快速發展，新能源發電站在電力系統中出現的比例逐漸提高，由于其發電的隨機性和波動性，會影響整個電力系統的頻率，從而影響電網的正常運行。通過建立光伏電站容量變化對電網頻率的評估模型，可以得出0.01 Hz～1.0 Hz 的頻率波動產生的影響對電網最大［7］。

2.2.2 對微電網電壓的影響

光伏發電系統在實際過程中以最大功率跟蹤法（MPPT）運行，是為了抑制其發電的隨機性和波動性，確保系統的功率輸出穩定。因此，控制MPPT 的質量是保證光伏接入的電力系統不會發生電壓波動和閃變的重要手段。當外界環境改變或出現局部陰影導致光伏電池板被遮擋時，光伏輸出功率無法保證輸出的穩定性而出現多峰現象，此時如果MPPT 無法進行及時有效地控制，光伏陣列的輸出功率波動就會引發整個電力系統的電壓波動或閃變，進而影響能量變換器件的正常工作，同時也會導致公共連接點（PCC）兩端產生電壓偏差，嚴重時會引發并網解列［8］。

2.2.3 對微電網諧波的影響

光伏電站接入微電網系統中后，由于系統內存在大量的電力電子元件，導致非線性負載增加從而引發并網過程中諧波的大量滲透，且隨著非線性負載數量及種類的增加，產生的諧波也將更復雜多變，這些電力電子元件以逆變器為主。并網逆變器是光伏電站接入微電網后能成功并網運行的重要元器件，對并網逆變器進行有效地控制，通過合理的方式保證其穩定運行是保證微電網系統穩定，防止出現三相電壓不平衡的關鍵。

3 微電網與配電網電能質量的交互影響

電力系統運行過程中包含多個微電網，各個微電網之間以及微電網與配電網之間的功率交換都會對彼此的電能質量產生交互影響。其中，配電網受微電網影響會產生諧波電流和三相不平衡等電能質量問題，配電網自身的諧波電流、三相電壓不平衡以及電壓的陡升驟降等問題也會對微電網的電能質量產生影響［10-11］。

3.1 配電網電能質量對微電網的作用

與微電網連接的大多為處于線路末端的低壓配電網，低壓配電網自身的電能質量問題就很明顯。當配電網內包含非線性負載或存在三相不平衡時，就會出現電壓不平衡和波動的現象，此時這些問題通過PCC 傳遞至微電網中，會影響其內部負荷的穩定運行，嚴重時會造成微電網解列。此外，低壓配電網的諧波含量增多時，也會通過PCC傳遞至微電網中，導致微電網的諧波含量上升，造成諧波污染［12］。

3.2 微電網電能質量對配電網的作用

微電網的接入給配電網電能質量帶來了一定的積極影響。微電網接入后，配電網的網絡結構不再是原本單一、輻射狀的網絡結構，其末端電壓水平和電壓分布也有所改善。此外，在負荷高峰時期，微電網可以在配電網運行壓力過大時迅速響應，分擔調度壓力。

微電網的接入也給配電網的電能質量帶來了一定程度上的消極影響。微電網作為一個小型的復雜電力系統，具有自身容量小、分布式電源和負荷種類多的特點，微電網單相電源會導致輸出功率不平衡，受自然因素影響的分布式可再生能源也會導致輸出功率不平衡，這都會引起電壓波動，進而影響配電網的可靠運行。同時，微電網中的大量電力電子元件產生的諧波污染也會通過PCC 隨著輸入功率注入配電網，導致配電網諧波污染情況加劇。因此，伴隨著微電網的快速發展，所出現的電能質量問題也越來越多地影響自身和配電網的運行，導致配電網受電能質量影響的風險增大［13-16］。

4 結語

隨著微電網中接入分布式能源和非線性負載數量的增加，微電網的電能質量問題必將日趨復雜。本文介紹了微電網中常見的電能質量問題，以及當可再生能源接入時產生的電能質量問題，并對問題產生的原因進行了簡要分析。今后，電力用戶對電能質量的要求越來越高，準確并快速地檢測到電能質量問題所在不僅對電網和設備的安全穩定運行具有重要意義，而且有利于國民經濟快速發展。