邊 緣，何 淼，孫英華，于浩航，吳 揚

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

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

1 微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題

由于微電網(wǎng)在運行過程中的特殊性，其出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題不僅包括傳統(tǒng)大電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，還會出現(xiàn)特有的微電能質(zhì)量問題。

1.1 傳統(tǒng)電能質(zhì)量問題

1.1.1 電壓偏差

電壓偏差是指電網(wǎng)運行過程中，某一節(jié)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(tǒng)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(wǎng)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(diào)節(jié)功率的能力非常弱，當無功負荷發(fā)生較大的變化時，就會產(chǎn)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(chǎn)生擾動，接收端的電壓就會急劇下降，嚴重時會發(fā)生大規(guī)模停電事故。

1.1.2 頻率偏差

對比電力系統(tǒng)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(wǎng)運行過程中，出現(xiàn)風電和光伏等可再生能源的出力變化引發(fā)孤島運行時，會出現(xiàn)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(xù)地變化，用ΔD表示：

以風能和太陽能為主的微電網(wǎng)分布式電源具有間歇性和高滲透性，當外界環(huán)境條件變化或分布式電源忽然被切除時，會引發(fā)電力系統(tǒng)的功率輸出不穩(wěn)定，從而導致電壓快速地連續(xù)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(tǒng)元件三相參數(shù)不對稱是引發(fā)電力系統(tǒng)三相不平衡的重要原因。當系統(tǒng)出現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)，而電力電子變換器的開關(guān)頻率和死區(qū)效應會導致大量諧波電流進入微電網(wǎng)，使微電網(wǎng)諧波電流含量上升，對電能質(zhì)量影響頗深。

1.2 特有的微電能質(zhì)量問題

不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)作為一種特殊形式，運行過程中不僅會產(chǎn)生傳統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，還會產(chǎn)生特殊的電能質(zhì)量問題。

1.2.1 微電網(wǎng)投切的暫態(tài)沖擊

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行和孤島運行之間切換時，會使得電力電子變換器產(chǎn)生電壓和頻率的突變，導致靜態(tài)開關(guān)兩側(cè)電壓和頻率不匹配，由此產(chǎn)生的暫態(tài)電壓形成暫態(tài)沖擊，嚴重影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

并網(wǎng)運行時，分布式電源在大電網(wǎng)的支撐下只進行功率調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)，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(tài)下，負荷的投切與并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行狀態(tài)的切換都會引發(fā)短時的功率不平衡，從而形成暫態(tài)沖擊。

1.2.2 微電網(wǎng)與配電網(wǎng)電能質(zhì)量的交互影響

微電網(wǎng)電能質(zhì)量不僅受內(nèi)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(wǎng)產(chǎn)生交互影響。微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波電流會通過公共連接點注入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)末端產(chǎn)生的電壓問題也會傳回微電網(wǎng)，導致公共連接點處的電能質(zhì)量受到影響，嚴重時會影響微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行［3-5］。此外，隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，未來會有越來越多的微電網(wǎng)接入，這些接入的微電網(wǎng)之間也會相互作用，產(chǎn)生交互影響。

2 新能源接入微電網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

2.1 風電接入微電網(wǎng)

2.1.1 對微電網(wǎng)頻率的影響

風電接入電力系統(tǒng)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(wǎng)日負荷趨勢為依據(jù)調(diào)度風機發(fā)電量，調(diào)度結(jié)束產(chǎn)生的風機發(fā)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(wǎng)頻率特性的主要因素。

影響風電接入的電網(wǎng)頻率特性的因素還包括旋轉(zhuǎn)機械慣性時間常數(shù)。當風機低速或失速運行時，其出力下降速度加快，電網(wǎng)的頻率也會隨之大幅度下降，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種慣性即為系統(tǒng)慣量。系統(tǒng)頻率的高低與系統(tǒng)慣量的大小成正比，為了保證系統(tǒng)在頻率大幅度下降時有足夠的反應時間，應保證系統(tǒng)慣量足夠大?，F(xiàn)今的風電場多采用雙饋式或直驅(qū)式風機，兩者都是恒頻變速式風機，采用降低轉(zhuǎn)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(tǒng)慣量，導致風機出力不足，負荷降低過快，造成并網(wǎng)時電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性下降。

2.1.2 對微電網(wǎng)電壓的影響

1）電壓偏差的產(chǎn)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(nèi)的大量元件以及輸電線路在內(nèi)的電力系統(tǒng)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(guān)系如下：

式中，U1-U2為送受端的電壓差；U為系統(tǒng)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(chǎn)生原因及危害

與電壓偏差不同，電壓波動主要是由系統(tǒng)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(tǒng)時，會對系統(tǒng)產(chǎn)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(jīng)過這些沖擊性元件時，產(chǎn)生的波動電壓會使其他負荷產(chǎn)生同頻率的電壓波動，出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，諧振現(xiàn)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(xiàn)代生活中最普遍的電燈為例，閃變現(xiàn)象出現(xiàn)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(jīng)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(zhì)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(wěn)。

3）電壓暫降的產(chǎn)生原因及危害

保證設備可以連續(xù)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(guān)系密切。正常情況下，設備的最大工作電壓為特定系數(shù)與額定電壓的乘積。對于220 kV及以下的電力系統(tǒng)，特定系數(shù)為1.15；220 kV 以上的電力系統(tǒng)的特定系數(shù)為1.1。電壓暫降現(xiàn)象是指在短時間內(nèi)，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(nèi)，即線路在短時間內(nèi)由于短路故障出現(xiàn)了遠大于正常情況的電流，從而產(chǎn)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(wǎng)內(nèi)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(wǎng)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(shù)。

諧波廣泛存在于電力系統(tǒng)中。目前，絕大多數(shù)風電場都采用軟并網(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)生諧波電流，雖然輔助電力設備會產(chǎn)生大量諧波電流，但持續(xù)時間很短。因此，風機本身和輔助電力設備產(chǎn)生的諧波都非主要因素，可以忽略?，F(xiàn)代大型風電場配備的風力發(fā)電機多采用變速風機，如直驅(qū)型或雙饋型，這兩種類型的風機內(nèi)部存在的變流器才是諧波產(chǎn)生的主要來源。

諧波對電力系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)中諧波含量較高時，會導致汽輪機轉(zhuǎn)子上的葉片發(fā)生諧振現(xiàn)象。由于汽輪機轉(zhuǎn)速過快，盡管諧振發(fā)生程度極小，也會因為長時間的沖擊導致葉片斷裂。當系統(tǒng)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(wǎng)發(fā)生諧振現(xiàn)象。諧波的產(chǎn)生不僅會對電力系統(tǒng)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(fā)電機和輸電線路等也會因受到諧波的影響而產(chǎn)生額外的熱損耗，也就意味著諧波會影響系統(tǒng)的效率，會造成系統(tǒng)絕緣性能下降，會影響系統(tǒng)的繼電保護能力。

2.2 光伏電站接入微電網(wǎng)

2.2.1 對微電網(wǎng)頻率的影響

光伏電站接入電網(wǎng)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(wǎng)頻率不會產(chǎn)生影響。伴隨著新能源的快速發(fā)展，新能源發(fā)電站在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的比例逐漸提高，由于其發(fā)電的隨機性和波動性，會影響整個電力系統(tǒng)的頻率，從而影響電網(wǎng)的正常運行。通過建立光伏電站容量變化對電網(wǎng)頻率的評估模型，可以得出0.01 Hz～1.0 Hz 的頻率波動產(chǎn)生的影響對電網(wǎng)最大［7］。

2.2.2 對微電網(wǎng)電壓的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際過程中以最大功率跟蹤法（MPPT）運行，是為了抑制其發(fā)電的隨機性和波動性，確保系統(tǒng)的功率輸出穩(wěn)定。因此，控制MPPT 的質(zhì)量是保證光伏接入的電力系統(tǒng)不會發(fā)生電壓波動和閃變的重要手段。當外界環(huán)境改變或出現(xiàn)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(wěn)定性而出現(xiàn)多峰現(xiàn)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(fā)整個電力系統(tǒng)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(chǎn)生電壓偏差，嚴重時會引發(fā)并網(wǎng)解列［8］。

2.2.3 對微電網(wǎng)諧波的影響

光伏電站接入微電網(wǎng)系統(tǒng)中后，由于系統(tǒng)內(nèi)存在大量的電力電子元件，導致非線性負載增加從而引發(fā)并網(wǎng)過程中諧波的大量滲透，且隨著非線性負載數(shù)量及種類的增加，產(chǎn)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(wǎng)逆變器是光伏電站接入微電網(wǎng)后能成功并網(wǎng)運行的重要元器件，對并網(wǎng)逆變器進行有效地控制，通過合理的方式保證其穩(wěn)定運行是保證微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，防止出現(xiàn)三相電壓不平衡的關(guān)鍵。

3 微電網(wǎng)與配電網(wǎng)電能質(zhì)量的交互影響

電力系統(tǒng)運行過程中包含多個微電網(wǎng)，各個微電網(wǎng)之間以及微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的功率交換都會對彼此的電能質(zhì)量產(chǎn)生交互影響。其中，配電網(wǎng)受微電網(wǎng)影響會產(chǎn)生諧波電流和三相不平衡等電能質(zhì)量問題，配電網(wǎng)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(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響［10-11］。

3.1 配電網(wǎng)電能質(zhì)量對微電網(wǎng)的作用

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

3.2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量對配電網(wǎng)的作用

微電網(wǎng)的接入給配電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來了一定的積極影響。微電網(wǎng)接入后，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不再是原本單一、輻射狀的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，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(wǎng)可以在配電網(wǎng)運行壓力過大時迅速響應，分擔調(diào)度壓力。

微電網(wǎng)的接入也給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了一定程度上的消極影響。微電網(wǎng)作為一個小型的復雜電力系統(tǒng)，具有自身容量小、分布式電源和負荷種類多的特點，微電網(wǎng)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(wǎng)的可靠運行。同時，微電網(wǎng)中的大量電力電子元件產(chǎn)生的諧波污染也會通過PCC 隨著輸入功率注入配電網(wǎng)，導致配電網(wǎng)諧波污染情況加劇。因此，伴隨著微電網(wǎng)的快速發(fā)展，所出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題也越來越多地影響自身和配電網(wǎng)的運行，導致配電網(wǎng)受電能質(zhì)量影響的風險增大［13-16］。

4 結(jié)語

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