分布式電源接入對配電網電能質量影響的研究

姚文博

摘 要：隨著分布式電源在配電網的滲透率日益增加，分布式電源接入對配電網帶來的電能質量影響愈發突出。通過對配電網中的分布式電源技術進行總結，詳細分析了分布式電源接入對配電網造成的電壓偏差與波動，諧波污染以及三相不平衡等電能質量問題的產生原因與危害，在此基礎之上，深入探討了分布式電源的接入對改善配電網電能質量的優勢與作用。

關鍵詞：分布式電源；電能質量；配電網

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A

0.引言

隨著國民經濟的發展，近年來電網規模不斷擴大，用電負荷總量急劇增長，集中式大容量的傳統電力系統一些無法忽視的弊端逐漸暴露出來：大面積停電事故屢發不止，偏遠地區輸電費用過高，無法靈活跟蹤負荷變化等。此外，世界性的能源危機與環境污染，讓各國對可持續發展，節能減排，環境保護等問題日益重視。基于以上原因，為了減少遠距離輸電的電能損耗，就地實現能源的開發與利用，一種高效、靈活、清潔的新型發電技術—分布式發電成為了電力系統的新興研究熱點，引起了世界范圍內科學研究工作者的廣泛關注和研究。

然而，隨著分布式電源在電力系統中的不斷滲透，分布式電源接入對傳統電力系統產生系統穩定性、電能質量、繼電保護等方面的影響相繼暴露出來。其中，隨著社會和經濟的發展，人們對于電能質量的要求不斷提高，而許多電能質量新問題也隨分布式電源的接入而產生，因此，通過研究分布式電源接入對配電網電能質量的影響將更好地指導我們如何充分發揮分布式電源的優勢，并對其進一步發展和應用以及維護電力系統運行的可靠性和穩定性具有重大的意義。

1.分布式電源技術

分布式電源，通常是指接入35kV及以下電壓等級，容量為數千瓦至幾十兆瓦的小型模塊式、與環境兼容的獨立電源。這些小容量的發電裝置可以直接連接在配電網上，甚至可以直接安裝在每個居民家中，主要包括燃料電池、微型燃氣輪機、小型風力發電、儲能設備、光伏發電等。

相對于傳統的大容量集中式發電廠，分布式電源的優勢在于可以充分開發利用各種分散存在的可再生能源（如風能和太陽能等）和清潔能源（如天然氣），對節約資源、環境保護和人類可持續發展具有重大意義。其次，分布式電源容量較小，接入電網的操作簡單，控制靈活，直接接入用戶附近，可以大大減少輸電線路的電能損耗。除此之外，分布式電源非常適合為那些遠離大電網的如海島等偏遠地區供電，形成獨立的發用電系統，非常具有實用價值。

2.分布式電源接入對配電網電能質量的影響

電能質量指的是導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差。電能質量的內容包括電壓波動與閃變、三相不平衡、頻率偏差、電壓偏差、暫時或瞬態過電壓、諧波、電壓暫降等。分布式電源的接入對配電網電能質量的影響主要表現在電壓偏差和波動，諧波污染和三相不平衡。

2.1 電壓偏差

電力系統電壓偏差是指網絡中某點的實際電壓值同該處的額定電壓值之差，一般以額定電壓的百分數表示：

電能質量國家標準《電能質量供電電壓允許偏差》中規定：10kV及以下電壓等級的供電電壓偏差范圍為額定電壓的±7%。

集中供電的傳統配電網的結構一般呈輻射狀，在配電線路上，電能從電源向負載單方向流動。穩定運行時，電壓沿著配電線路是逐漸降低的。而分布式電源接入后，相當于在負荷側接入電源，對原來電網中電源的供電需求會降低，導致配電饋線上的傳輸功率減小。除此之外，由于分布式電源輸出的無功支持，會使配電饋線上的各節點處的電壓被抬高，一些負荷節點處的電壓便因此產生偏差，電壓偏差的程度取決于分布式電源接入的位置及容量的大小。

配電網出現電壓偏差，許多設備的正常運行將會受到影響，使生產線程序紊亂，造成產品質量下降。實際電壓偏高，將對設備造成過電壓，威脅設備絕緣，降低設備使用壽命。實際電壓偏低會造成敏感設備停止運行或不正常運行，嚴重時甚至無法重啟，設備長時間不能恢復正常工作會造成嚴重損失。

2.2 電壓波動

電壓波動是隨著系統中的波動負荷而產生的一種電壓隨機變動。電壓波動衡量方法為為電壓方均根值曲線上相鄰的兩個極值之差，然后與系統額定電壓的比值。

分布式電源受氣候和環境的影響較大，其輸出的不確定性會造成所接電網產生明顯的電壓波動。其中以風能、太陽能受環境的變化影響最為嚴重。在正常運行情況下，如果環境突然發生變化，如光伏池板上空突然有烏云飄過，或者忽然刮起大風等，都會造成這些分布式電源輸出功率發生變化，進而使電網產生電壓波動。

配電網出現電壓波動，將引起照明燈光閃爍、電視機畫面亮度變化，引起人的視覺不適和疲勞，進而影響視力；還會引起電動機轉速不均勻，危害電機運行和壽命；此外，電壓波動還會影響對電壓波動較敏感的工藝或實驗結果，導致實驗無法進行。

2.3 諧波

供電系統諧波的定義是對周期性交流信號量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數。波形畸變現象的產生主要是由電力電子設備，以及其他非線性負荷造成。國標《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549-1993）中規定0.38kV低壓配電網的諧波電壓總畸變率上限為5%。

由于分布式電源一般通過換流器等電力電子設備并網。如光伏發電需要使用逆變器將直流電變為交流電并網，風力發電需要使用變頻器控制其受風速影響的電壓和頻率進行并網。而電力電子設備作為典型的非線性負荷，電力電子器件頻繁的導通與關斷容易在其開關頻率附近產生大量諧波分量，這些諧波電流注入電網，將會對配電網造成諧波污染，并且越靠近開關頻率，諧波分量就會越大。

分布式電源接入導致的配電網諧波污染會使電網元件產生附加的諧波損耗，影響各種電氣設備的正常工作，如使變壓器局部嚴重過熱，使電機產生機械振動、噪聲和過電壓，使電纜和電容器等設備過熱、絕緣老化，以致損壞。除此之外，諧波還會干擾通信，造成自動化裝置誤動作。特別需要強調的是，諧波會引起電網中的局部諧振，使對應次數的諧波放大，上述危害大大增加，引起嚴重事故。

2.4 不平衡

理想的三相交流電力系統中，三相電壓應有相同的幅值，且相位角互差120°，這樣的系統叫做三相平衡系統。電力系統出現不對稱故障，或者三相元件或負載不對稱等都會造成電力系統三相不平衡。電力系統中采用不平衡度描述電力系統中三相不平衡的程度，用電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比表示。國標《電能質量三相供電電壓允許不平衡度》（GB/T15543-95）中規定：電力系統公共連結點正常電壓不平衡允許為2%，短時不得超過4%。

3.分布式電源接入對配電網電能質量的改善

雖然分布式電源接入對配電網電能質量帶來一系列不利的影響，但是由于其靈活的控制方式，分布式電源也存在改善配電網電能質量的能力。

3.1 改善配電網電壓質量

首先，分布式電源安裝在電力用戶附近，既能方便地實現有功功率就近提供，也能方便地進行無功功率就近補償，可以大大減少輸電損耗。分布式電源的接入會增大配電網的短路容量，配電網中因負荷波動引起的電壓波動會得到一定的抑制和削弱。其次，分布式電源的并網變流器控制靈活，通過對其進行適當地控制，可以控制接入點電壓，等效于并入STATCOM，通過對并網變流器的控制，在實現電能的傳輸轉換的同時，在一定程度上還會靈活地改善配電網內的電壓質量。另外，很多分布式電源在接入電網時都配備一些相應的補償裝置，來改善因分布式電源投入而引起的電能質量問題。

3.2 增加系統可靠性

由于分布式電源的容量較小，位置較為分散，控制較為靈活，通過適當的控制，分布式電源能夠迅速地進行投切，因此具有應急和備用功能，增加系統可靠性。當配電網發生故障時，分布式電源不僅能夠繼續保持運行，還可以轉做備用電源，在適當控制條件下會盡可能時間短的投入使用，對減小停電范圍、縮短停電時間都具有很大幫助，從而增加整個系統的穩定性。

結論

（1）分布式電源作為一種高效、環保、靈活的新型發電技術，在電力系統中的應用越來越廣泛。

（2）由于分布式電源出力的波動性以及并網機組的非線性，分布式電源的接入將會對配電網造成電壓偏差、電壓波動、諧波污染、三相不平衡等電能質量影響。

（3）由于分布式電源和電力用戶距離近，容量小，數目多，位置分散，控制靈活，對改善系統電壓質量，增加系統可靠性具有潛在優勢。

參考文獻

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