王根平，王雅慧

微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題分析及調(diào)節(jié)*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 深圳 518055；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)存在的多種電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出由于多種分布式電源和負(fù)載的加入，諧波和電壓波動(dòng)成為影響微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要因素．對(duì)微網(wǎng)中的諧波干擾提出了4種應(yīng)對(duì)措施，對(duì)電壓波動(dòng)提出采用儲(chǔ)能裝置+SVG（靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器）控制策略．

微網(wǎng)系統(tǒng)；電能質(zhì)量；調(diào)節(jié)；評(píng)估

1 微網(wǎng)系統(tǒng)面臨的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)

微網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是為各種新能源提供開(kāi)放的接口，讓新能源能夠方便地進(jìn)入電網(wǎng)，從而解決社會(huì)的能源短缺問(wèn)題，并提高綠色能源的應(yīng)用比例．

新能源的加入，對(duì)電網(wǎng)的影響是巨大的．像太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電等，受天氣和氣候的影響，存在一定的間歇性和突發(fā)性．新能源加入電網(wǎng)，一般都需要通過(guò)電力電子器件的變換和逆變換過(guò)程，而這些電力電子器件的工作特性一般都存在嚴(yán)重的非線性．同時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)也承擔(dān)著各種用電負(fù)荷的供電，不同用電負(fù)荷對(duì)供電的不同要求也對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)．

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量分析，已有很多研究和論述[1-6]．本文著重分析由于新能源的加入及電力電子裝置應(yīng)用給微網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量的問(wèn)題：諧波干擾問(wèn)題（波形畸變）、電壓波動(dòng)與閃變問(wèn)題．

1）諧波干擾問(wèn)題．諧波一般由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起，流過(guò)非線性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系．電網(wǎng)諧波有3個(gè)來(lái)源：一是發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的諧波；二是輸配電產(chǎn)生的諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波．其中，用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波比重最大．諧波會(huì)使電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生額外的損耗（諧波功率），降低電力設(shè)備的工作效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響設(shè)備的正常工作．

2）電壓波動(dòng)與閃變．電壓波動(dòng)與閃變主要是由具有一定統(tǒng)計(jì)特征的沖擊性或波動(dòng)性負(fù)荷導(dǎo)致．影響電壓波動(dòng)與閃變程度的因素有：供電系統(tǒng)短路容量的大小，供電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，負(fù)荷的用電特性等．電壓波動(dòng)與閃變的抑制，可通過(guò)改善用電設(shè)備特性，提高供電能力，以及采用補(bǔ)償設(shè)備等實(shí)現(xiàn)．

2 微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)控制

微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，其目標(biāo)是提高用戶的電能電壓，頻率及波形的質(zhì)量水平．要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)須采用一系列的調(diào)節(jié)措施．電壓偏差調(diào)整，頻率偏差調(diào)整，三相不平衡補(bǔ)償?shù)缺举|(zhì)上都屬于傳統(tǒng)電能質(zhì)量控制范圍．而諧波的抑制，電壓波動(dòng)與閃變的控制問(wèn)題則已經(jīng)成為現(xiàn)代微網(wǎng)系統(tǒng)中電能質(zhì)量控制的重要內(nèi)容．

微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，主要通過(guò)3種技術(shù)手段：一是提高發(fā)電設(shè)備及用電設(shè)備的制造工藝水平，減少電信號(hào)的波形畸變的產(chǎn)生；二是采用儲(chǔ)能技術(shù)作為緩沖，平衡電壓的波動(dòng)及閃變；三是電力電子器件的應(yīng)用，對(duì)供應(yīng)電力進(jìn)行控制變換，為用戶負(fù)荷提供滿足要求，質(zhì)量合格效能最佳的電力．

2.1 電力諧波的抑制及調(diào)節(jié)

電力諧波的抑制，一方面是提高微網(wǎng)系統(tǒng)中各分布式發(fā)電裝置（DG）的制造工藝水平，從源頭上減少諧波的產(chǎn)生；另一方面加強(qiáng)對(duì)輸送出的電流進(jìn)行諧波檢測(cè)，不把發(fā)電裝置的諧波送到負(fù)荷．但對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，諧波的產(chǎn)生則不可避免，因?yàn)榘l(fā)電裝置以及用電設(shè)備都可能產(chǎn)生諧波．可以通過(guò)定期開(kāi)展諧波測(cè)試工作，對(duì)諧波超標(biāo)的設(shè)備和線路進(jìn)行分析，找出諧波源頭，裝設(shè)相關(guān)設(shè)施來(lái)抑制．可采取的措施包括：

1）利用由L，R，C元件組成諧振回路，防止與諧振回路的諧振頻率相同或相近的諧波進(jìn)入微網(wǎng)．例如在電力電子設(shè)備系統(tǒng)的交流側(cè)安裝無(wú)源濾波器．

2）采用可控的半導(dǎo)體功率器件向微網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等，相位相差180度的電流，使電源的總諧波電流趨于零，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目標(biāo)．

3）在諧波源位置加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，有效減少諧波量，提高功率因數(shù)，使母線電壓穩(wěn)定，提升微網(wǎng)系統(tǒng)承受諧波的能力．

4）可考慮將某些電容器組的支路改裝濾波器或者串聯(lián)電抗器，也可采取限定電容器組容量的方法，有效避免電容器對(duì)諧波的放大．

因此，電力諧波的抑制主要采用預(yù)防性和補(bǔ)償性這樣兩種措施．預(yù)防性措施有：① 供電設(shè)備（如發(fā)電機(jī)，電容器，變壓器等）在設(shè)計(jì)，制造，配置方面采取抑制諧波的措施；② 采用電力電子器件構(gòu)成抑制電力諧波的電路或裝置．補(bǔ)償性措施則包括：① 調(diào)整饋線參數(shù)；② 采用濾波器．

2.2 電壓波動(dòng)與閃變的抑制及調(diào)節(jié)

在微網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，由于分布式電源的波動(dòng)性或大型阻感性負(fù)荷的頻繁切換，將導(dǎo)致微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)沖擊性功率變化，引起微網(wǎng)電壓波動(dòng)．圖1為微網(wǎng)并網(wǎng)接線示意圖．微網(wǎng)電壓波動(dòng)也將導(dǎo)致微網(wǎng)公共連接節(jié)點(diǎn)電壓在短時(shí)間出現(xiàn)激烈變動(dòng)．

設(shè)S為微網(wǎng)功率的變化，假設(shè)由微網(wǎng)注入系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率時(shí)取正值，反之取為負(fù)值．根據(jù)阻抗和功率定義及電壓分配定理，有：

由（1）式可以得出微網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)電壓UΔ為：

式中，UΔ為微網(wǎng)電壓Umg的波動(dòng)變化量；R是線路阻抗；X是線路感抗；P和Q則分別是微網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率．

由（2）可知，微網(wǎng)的波動(dòng)電壓與2個(gè)因素有關(guān)，一個(gè)是線路阻抗值（R），另一個(gè)是微網(wǎng)的功率變化值（有功功率P和無(wú)功功率Q）．考慮到低壓配電網(wǎng)線路電阻值一般都較大，微網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功功率的波動(dòng)變化要遠(yuǎn)小于有功功率的波動(dòng)變化，所以，微網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要與線路電阻值和微網(wǎng)的有功功率的波動(dòng)有關(guān)．

根據(jù)以上分析，當(dāng)微網(wǎng)有大負(fù)載或大容量的電源接入時(shí)，都可能造成微網(wǎng)電壓的大幅度的波動(dòng)．相關(guān)研究證明[7]，采用儲(chǔ)能裝置+SVG（靜止無(wú)功發(fā)生器）協(xié)同調(diào)節(jié)的框架，可以較好抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)．因此，我們?cè)谖⒕W(wǎng)系統(tǒng)中，采用儲(chǔ)能裝置+SVG協(xié)同調(diào)節(jié)的方式來(lái)抑制微網(wǎng)的電壓波動(dòng)．

儲(chǔ)能裝置+SVG協(xié)同控制總體控制調(diào)節(jié)框圖如圖2所示．圖2中，Sin-cos 框圖為有功功率和無(wú)功功率計(jì)算器，C23，C32系統(tǒng)為控制器．當(dāng)儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)有功功率不足導(dǎo)致壓降時(shí)，向微網(wǎng)輸出有功功率；當(dāng)分布式電源的接入導(dǎo)致微網(wǎng)電壓升高時(shí)，儲(chǔ)能裝置則切換為負(fù)載，就地吸納有功功率的波動(dòng)．而對(duì)于由于負(fù)載或分布式電源的接入或撤除導(dǎo)致的無(wú)功功率，則通過(guò)SVG就地吸收．通過(guò)這種SVG（靜止無(wú)功發(fā)生器）+儲(chǔ)能裝置的協(xié)同控制的方式，基本上可實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的抑制．

圖1 微網(wǎng)與配電網(wǎng)接線示意圖

圖2 儲(chǔ)能裝置與SVG裝置協(xié)同調(diào)壓控制框圖

[1] 吳在軍，楊雷雷，胡敏強(qiáng)，等．改善微網(wǎng)電能質(zhì)量的有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（7）：67-73．

[2] 李婉娉，李鵬，劉承佳，等．風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)電能質(zhì)量分析與檢測(cè)[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（4）：24-28．

[3] 馮興田，韋統(tǒng)振，孔令志．高滲透分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響研究[J]．水電能源科學(xué)，2010， 28（9）：154-157．

[4] 李福東，吳敏．微網(wǎng)孤島模式下負(fù)荷分配的改進(jìn)控制策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（13）：18-25．

[5] 雷之力，魯希娟．微網(wǎng)電能質(zhì)量特點(diǎn)及有源濾波補(bǔ)償方式研究綜述[J]．湖南電力，2009，29（15）：170-176．

[6] 肖湘寧．電能質(zhì)量分析與控制[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2010．

[7] 魏承志，陳晶，涂春鳴，等．基于儲(chǔ)能裝置與靜止無(wú)功發(fā)生器協(xié)同控制策略的微網(wǎng)電壓波動(dòng)抑制方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（11）：53-59．

Power Quality of Micro-grid and Its Control Policy

WANG Genping1, WANG Yahui2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

Based on the analyses of power quality of micro-grid ,the conclusion can be reached that harmonic wave and voltage fluctuation are the major factors influencing the power quality due to the distribute power generators and various loads adding to the micro-grid. Four measures are presented to reduce harmonic wave, an energy storage device and SVG are used to reduce the voltage fluctuation. More attention should be paid to power quality of micro-grid so that the micro-grid can make great progress smoothly.

micro-grid; power quality; control; assessment

TM714

A

1672-0318（2014）03-0003-03

2013-11-07

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：新能源技術(shù)、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)．