分布式能源接入電網的電能質量問題研究及解決方案

張 聰

（廣東電網有限責任公司潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引 言

隨著人們能源需求的不斷增長和環(huán)境保護意識的提高，分布式能源接入電網已成為實現可持續(xù)能源發(fā)展的重要途徑。分布式能源包括太陽能、風能、生物能等，其接入電網可以有效提高能源利用效率、減少碳排放。然而，分布式能源接入電網帶來了一系列的電能質量問題。分布式能源接入電網的電能質量問題主要包括電壓波動、頻率偏差、諧波污染以及電力質量事件等。這些問題可能導致電網的穩(wěn)定性下降、設備的損壞和用戶的不滿意度增加[1]。因此，研究分布式能源接入電網的電能質量問題對于確保電網的可靠運行和提高用戶滿意度具有重要意義。

1 分布式能源接入電網的電能質量問題概述

1.1 分布式能源接入電網的定義和特點

分布式能源接入電網是將分散的、小規(guī)模的能源發(fā)電設備（太陽能光伏、風力發(fā)電等）接入傳統(tǒng)中央電網，實現能源的分布式生產和供應。其特點包括能源生產和消費的地理分散性、規(guī)模相對較小、能源類型多樣化、能源供應的靈活性和持續(xù)性等。

1.2 電能質量的概念和評價指標

電能質量指電能在傳輸和分配過程中的穩(wěn)定性、可靠性和純凈性。常用的電能質量評價指標包括電壓波動、頻率偏差、諧波含量、電壓暫降以及電壓暫增等。

1.3 分布式能源接入電網的電能質量問題分類

分布式能源接入電網的電能質量問題可以分為以下4 個方面。一是電壓波動和頻率偏差，由于分布式能源接入電網的能源產生和消費具有地理分散性與規(guī)模相對較小的特點，可能出現電壓波動和頻率偏差的問題，影響用戶設備的正常運行和電能質量的穩(wěn)定性。二是諧波和電磁干擾，分布式能源接入電網的能源發(fā)電設備可能會產生諧波和電磁干擾，對電能質量產生負面影響，產生設備故障、通信干擾等問題。三是電壓暫降和電壓暫增，分布式能源接入電網中，能源發(fā)電設備的突然啟動或停止可能會引起電壓暫降或電壓暫增，對用戶設備的正常運行和電能質量產生不利影響。四是電網穩(wěn)定性和可靠性，分布式能源接入電網的能源產生和消費具有靈活性與持續(xù)性，但也可能對電網的穩(wěn)定性和可靠性產生影響。例如，能源產生的不穩(wěn)定性可能導致電網頻率的波動，影響電能質量和電網的穩(wěn)定運行。

2 分布式能源接入電網電能質量問題的原因分析

2.1 分布式能源接入電網的技術特點

分布式能源接入電網指將分散的和小規(guī)模的能源發(fā)電設備（太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、生物質發(fā)電等）接入傳統(tǒng)的中央電網，實現能源的分布式供應。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電方式相比，分布式能源接入電網具有以下4 個技術特點。一是多樣性，分布式能源接入電網可以接納多種不同類型的能源發(fā)電設備，如太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、生物質發(fā)電等，使能源供應更加多樣化。二是靈活性，分布式能源接入電網可以根據需求進行靈活調整，根據能源發(fā)電設備的分布和負荷需求進行優(yōu)化配置，提高能源利用效率。三是可靠性，分布式能源接入電網具有分散的能源發(fā)電設備，當某個設備發(fā)生故障時，其他設備可以繼續(xù)供電，提高電網的可靠性。四是可持續(xù)性，分布式能源接入電網利用可再生能源發(fā)電，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，有利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展[2]。

2.2 分布式能源接入電網的電能質量問題產生原因

分布式能源接入電網的電能質量問題產生原因有以下4 點。一是不穩(wěn)定的能源輸出，分布式能源發(fā)電設備的輸出受天氣、風速的影響，導致能源輸出不穩(wěn)定，容易引起電壓波動和頻率偏差。二是電網結構變化，分布式能源接入電網的接入點分布廣泛，電網結構發(fā)生變化，導致電網的電阻、電感和電容等參數發(fā)生變化，影響電能質量。三是電力電子設備的干擾，分布式能源接入電網的電力電子設備（逆變器、整流器等）會引入諧波和電磁干擾，影響電能質量。四是電網保護控制策略的不適應，傳統(tǒng)電網的保護控制策略可能無法適應分布式能源接入電網的特點，導致電能質量問題。

2.3 分布式能源接入電網電能質量問題的影響

分布式能源接入電網的電能質量問題會對電網運行和用戶用電產生以下影響。一是電網穩(wěn)定性下降，電能質量問題會導致電網的電壓波動、頻率偏差等問題，降低電網的穩(wěn)定性，增加電網運行的風險。二是用戶用電質量下降，電能質量問題會導致用戶用電設備的故障率增加，影響用戶的用電質量和電力供應的可靠性[3]。三是電網能源利用效率降低，電能質量問題會導致能源損耗增加，降低電網的能源利用效率，增加能源的消耗。四是環(huán)境污染加劇，電能質量問題會導致電力設備的能效降低，增加能源的消耗和環(huán)境污染，對環(huán)境造成負面影響。

3 分布式能源接入電網電能質量問題的解決方法

3.1 電能質量監(jiān)測與分析技術

電能質量監(jiān)測與分析技術是解決分布式能源接入電網電能質量問題的關鍵。實時監(jiān)測和分析電網中的電能質量，可以及時發(fā)現電能質量問題的存在和原因，為后續(xù)的改善措施提供依據。在電能質量監(jiān)測方面，可以采用高精度的電能質量監(jiān)測儀器，如電能質量分析儀、電能質量監(jiān)測裝置等，實時監(jiān)測電網中的電壓、電流、頻率以及諧波等參數。同時，可以利用智能電網技術、遠程監(jiān)測和數據傳輸技術，遠程監(jiān)控電能質量。在電能質量分析方面，可以利用數據分析和統(tǒng)計方法，處理和分析監(jiān)測的電能質量數據。通過統(tǒng)計和比較電能質量數據，可以確定電能質量問題的發(fā)生頻率和程度，進而找出問題的根源與解決方法。

3.2 電能質量改善技術

電能質量改善技術是解決分布式能源接入電網電能質量問題的重要手段。通過采用合適的技術手段，可以改善電網中的電壓波動、頻率偏差、諧波污染等問題，提高電能質量的穩(wěn)定性和可靠性。在電壓波動方面，可以采用電壓穩(wěn)定器、電壓調節(jié)器等設備，調節(jié)和穩(wěn)定電網中的電壓。在頻率偏差方面，可以采用頻率穩(wěn)定器、頻率調節(jié)器等設備，調節(jié)和穩(wěn)定電網中的頻率。在諧波污染方面，可以采用諧波濾波器、諧波抑制器等設備，濾波和抑制電網中的諧波。此外，可以采用電網優(yōu)化技術優(yōu)化電網的拓撲結構和運行參數，提高電能質量的整體水平[4]。例如，可以通過合理調整電網的輸電線路和變電站的布局，減少電能傳輸過程中的損耗和電壓降低，提高電能質量的傳輸效率和穩(wěn)定性。

3.3 分布式能源接入電網電能質量問題的綜合解決方法

為綜合解決分布式能源接入電網的電能質量問題，可以采用以下綜合解決方法：首先，監(jiān)測與分析電能質量，通過實時監(jiān)測和分析電能質量數據，確定電能質量問題的存在和原因；其次，采用電能質量改善技術，根據電能質量問題的具體情況，選擇合適的改善技術手段，對電網中的電能質量進行改善；再次，通過優(yōu)化電網的拓撲結構和運行參數，提高電能質量的整體水平；最后，建立完善的電能質量管理體系，制定相關的電能質量監(jiān)測和改善措施，加強對分布式能源接入電網電能質量的監(jiān)管和管理。綜合以上方法，可以有效解決分布式能源接入電網的電能質量問題，提高電能質量的穩(wěn)定性和可靠性，促進分布式能源的大規(guī)模應用和發(fā)展。

4 實驗驗證

實驗目的是研究分布式能源接入電網對電能質量的影響，驗證其對電網電能質量的影響程度。實驗步驟如下：首先，在實驗室搭建一個小型電網模型，包括發(fā)電機、分布式能源接入裝置、電網負載等；其次，測量電網中的電能質量參數，包括電壓、電流、頻率、功率因數等；再次，將分布式能源接入裝置接入電網，觀察并記錄電能質量參數的變化；最后，分析實驗數據，評估分布式能源接入電網對電能質量的影響。分布式光伏電站接入電網的電能質量數據如表1 所示。

表1 分布式光伏電站接入電網的電能質量數據

通過觀察表1 數據，可以得出以下結論：分布式光伏電站接入電網對電能質量有一定的影響。在電能質量參數方面，電壓在230 V 左右波動，電流在10 A左右波動，有功功率在2 kW 左右波動，無功功率在1 kVA 左右波動，諧波含量在4%～8%范圍內變化。因此，分布式光伏電站接入電網會對電能質量產生一定的影響，需要進一步評估其對電網電能質量的影響程度[5]。以上分析可以幫助研究人員評估分布式光伏電站接入電網的電能質量問題，并提出相應的改進措施，以確保電網的穩(wěn)定運行和電能質量的提高。

實驗條件下的電能質量數據如表2 所示。

表2 實驗條件下的電能質量數據

通過對比表2 的數據，可以看出分布式能源接入電網后，電壓、電流、頻率和功率因數都有所下降。這是因為分布式能源接入電網會引入額外的電力波動和諧波，導致電能質量下降。在實際應用中，需要采取相應的措施來提高電能質量，如使用濾波器、增加電力調節(jié)裝置等。根據無分布式能源接入和有分布式能源接入1 的實驗數據，可以看出分布式能源接入電網導致電壓下降2 V，電流下降0.5 A，頻率下降0.2 Hz，功率因數下降0.03。這些數據可以用來評估分布式能源接入電網對電能質量的影響程度。根據實驗數據的變化趨勢，可以進一步研究分布式能源接入電網對電能質量的影響機理，并提出相應的改進措施。

5 結 論

分布式能源接入電網的電能質量問題主要包括電壓波動、電壓暫降、電壓諧波、電流諧波等方面。這些問題主要由分布式能源接入電網的技術特點和電能質量監(jiān)測不足導致，會對電網的穩(wěn)定運行和用戶的用電質量產生不利影響。為了解決這些問題，可以采用電能質量監(jiān)測與分析技術、電能質量改善技術以及綜合解決方法等手段。通過對典型案例的分析，可以驗證這些解決方法的有效性，并得出相應的結論，可以為分布式能源接入電網的電能質量問題提供一定的解決思路和方法，為電網的可靠運行和用戶的用電質量提供保障。