分布式電源對配電網電能質量的影響及其改善研究

查戰虎

（國網嵐皋縣供電公司，陜西 嵐皋 725400）

1 分布式電源對配電網電能質量的影響

分布式發電一般是指發電功率在數千瓦至幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效且可靠的發電單元。分布式發電對電力系統和用戶來說用途較多，可承擔系統的基本負荷，還可實現熱電聯產，同時為用戶提供電能和熱能。對于電力系統的運行，分布式發電還起到電壓自動調節、系統穩定、電氣設備熱起動以及旋轉動能貯備的作用。分布式發電結構如圖1所示。

圖1 分布式發電

分布式電源輸出功率較常規電廠低，通常為2～500 kW，其體積很小，很容易就能找到適合位置。在偏遠貧困地區，通過安裝小容量分布式電源充分利用本地能源或者就地發電方式為當地居民供電，具有投資少、建設周期短等特點。分布式電源具有靈活負載調整功能，在啟動過程中僅需要數秒，輸出功率可以根據小時進行調整。因此，分布式電源在經營上也是非常靈活。另外，分布式電源可以作為后備電源，向需要不間斷供電的客戶提供電力，保證供電可靠性，降低電費開支。同時，分布式電源在大電網中的接入和切斷相對自主，電網出現故障時利用斷路設備將分布式電源從電網中分離出來，分布式電源可以獨立地為用戶提供電力[1-4]。但是，分布式電源對配電網電能質量存在一定影響，具體如下。

1.1 分布式電源對系統安全和可靠性的影響

采用分布式供電方式能有效解決電力系統中過載、阻塞問題，并能有效改善電力系統的傳輸容量。通過合理分配供電配置和調整電壓，對改善電力系統可靠性具有重要意義。如果出現故障，分布式電力不僅無法提供電壓支持，還會加劇電力供應的下降，造成設備受損及電力供應中斷。當系統出現故障時，部分分布電源燃料供應或者分配輔助設備會被切斷，而分布式電源將會在同一時間停止運行，從而不能提高電力可靠性。同時，如果配電網絡和分布式電源之間的繼電保護工作不到位，會造成繼電保護失效，從而影響到整個系統的安全性。此外，配電網絡安裝位置、容量、連接方式等因素也會影響其安全性[5]。

1.2 分布式電源對系統潮流和網絡損耗的影響

配電網中的負荷近旁接入分布式電源系統后，整個配電網的負荷分布將發生變化。采用分布式電源減少配電網中的全部線路損失，分布式電源的加入會使配電網絡中部分線路損失增大，但整體輸電線損失會減少。因此，根據分布電源位置、負荷量相對尺寸和網絡拓撲結構等因素，分布電源引入會增加或減少系統損失[6]。此外，如果現場網絡中的環境光照和光線強度條件變化劇烈且導致并網系統控制器的網絡性能不好，那么會直接導致并聯各網點的網絡電壓發生波動。

1.3 分布式電源對電能質量的影響

1.3.1 閃光電壓

若發生以下情形，分布式電源將會直接或間接導致電壓閃爍：分布式電源系統啟動；產量急劇變動或大幅變動；分布式電源與反饋段電壓控制裝置彼此作用。當前所采取措施為要求分布式電源所有者減少分布式電源啟動次數，并將分布式電源經由逆變器連接到配電網，從而降低分布式電源輸出[7-10]。

1.3.2 和 諧

以下情形中分布式電源會產生諧波：分布式電源自身為諧波源；分布式電源通過功率電子技術將其與配電網絡連接。有學者深入研究了大容量配電系統引進分布式電源后，對某些主要母線諧波電壓等級進行探討，建議采用專用濾波器進行諧波電壓控制。研究光伏（Photovoltaic，PV）型電力系統多功能逆變器控制方案，即將并聯式有源濾波技術引入PV型電力系統，并通過引入基準最大功率點追蹤控制技術實現電源穩壓器的電流穩定輸出，達到抑制諧波電壓的目的。另外，可在分布式電力系統中增加存儲設備，解決如電壓脈沖、沖擊、電壓跌落以及瞬間電源中斷等動態能量質量問題。

1.4 分布式電源對繼電保護影響

配電網絡中有大量繼電保護設備，無法進行大規模改造。分布功率較大時，存在多個功率失衡現象，因此保護設備應具備指向性。在配電系統負載能力由低至高逐步上升，接近于總負載能力某個數值時，配電系統網絡損耗會逐步下降，直至達到峰值，再由高至低。另外，將分散電力系統分成2部分，可以進一步降低系統損失。當分布式電源容量相同時，在原有電網電壓下降最大的地方安裝分布式電源對配電網絡的電壓支持效果會更好。

2 分布式電源對配電網電能質量的改善研究

2.1 提高供電網絡電壓品質

首先，將分布式供電裝置設置在離電網較近地方，使有功供電可以就近供電，而且可以很容易地對電網進行無功補償，從而大大降低電網損耗。由于配電系統存在，使得配電系統短路容量增加，從而在一定程度上抑制或減弱配電網絡中由于負載波動而產生電壓波動。其次，并網變流器具有靈活性，通過合理控制，可以對接入點電壓進行有效控制，相當于將其合并到STATCOM中。通過對并網變流器進行控制，既可以實現電力轉移，又可以在一定程度上提高配電網絡電壓品質。最后，許多分布式電源在接入電網時都會安裝相應補償設備，以解決由于電力系統投入而造成的電力品質問題。

2.2 提高系統可靠性

分布式電源因其容量小、分布位置分散、控制靈活，在合理控制下可以快速完成投切，從而實現緊急、后備功能，提高系統可靠性。配電網絡出現故障后，該系統可以作為備用電源，一定控制條件下可在最短時間內啟動，減小停電范圍，縮短停電時間，提高系統穩定性。

2.3 反相分布供電電壓控制

旋轉式分布式電源雖然有一定穩定性，但在并網前后，其輸入點處的電壓波動很大，對用戶供電質量和供電安全性造成一定影響。與傳統旋轉分布式電源相比，逆變分布式電源具有更大優越性。一方面，同樣容量逆變型分布式電源對并網后并網節點的電壓影響很小，而且不會對并網后并網電壓產生一定影響。另一方面，沒有太多考慮到短路電流，造成整體保護結構變化。采用定功率逆變型分布式電源，仍然無法消除配電網絡中電壓波動，從而影響到電力系統供電質量。只要采用合理控制策略，就能夠在一定程度上對近點處電壓進行控制，而不會出現電力不穩定、電能質量不高問題。

2.4 電能質量復合控制的實現

2.4.1 電力分配控制

在配電系統中，當多個分布式電源并網時，往往采用下垂式控制，即模擬常規電力系統中發電機的工作特性，根據其輸出功率變化，對電壓源輸出電壓和頻率進行自動調節，這要求分布式電源具備能量存儲裝置。在逆變器并聯技術中，采用下垂控制方式，即當分布式電源都是由逆變器與大電網相連，而每個分布式電源在孤島狀態下工作時，逆變器并聯。

2.4.2 無功和諧波探測技術

在此基礎上，提出基于瞬時無功原理的諧波檢測技術，它可以對諧波電流進行精確而迅速的檢測。現有有源濾波器中的諧波、無功電流檢測主要是建立在瞬間無功功率理論基礎上，由此導出有源濾波器諧波、無功電流探測。

2.4.3 調頻功率分布

通過將配電系統的容量余量等效為有源濾波器，以降低電網諧波。多臺逆變器在沒有互聯線路的情況下，因各逆變器本身容量和阻抗差異，難以精確測量與實現對各逆變器功率分布的理想控制。通過引入虛阻抗，可使逆變電路輸出阻抗不再依賴于濾波器、傳輸線路物理參量，從而極大程度上降低物理阻抗等因素對功率分布的影響，改善功率分布控制效果。

2.4.4 合成控制信號生成

由于電力系統特點和控制方法相似，都需要檢測并產生指令電流，所以可以考慮將二者產生的指令電流進行疊加。分布式電源在向外傳輸電能的同時，可以利用其剩余容量對由非線性合成產生的諧波電流進行補償。分布式電源的符合控制如圖2所示。

圖2 分布式電源的復合控制

3 結 論

分布式電源并網將直接影響到電力系統電能質量、系統穩定性、繼電保護、供電可靠性。對此，應根據分布式電源特性對分布式電源接入后系統的潮流分析、穩定分析、短路分析等進行深入研究，為解決電力系統技術難題、推動電力系統推廣應用奠定基礎。