发布时间 : 星期三 文章主动配电网电能质量分析与评估更新完毕开始阅读
4 主动配电网的电能质量评估
4.1 DG接入AND的电能质量问题分析
主动配电网（AND）由分布式电源、负荷、储能系统和控制装置组成，对大电网而言，表现为一个可控单元，可以实现自我管理、控制、保护等功能[39- 40]，充分补充了传统配电网的不足。分布式电源的接入使统配电网的供电结构、潮流特性等得以改变，传统式的配电网模式是由统一供电电源来实现功率单一方向的传送，引入分布式电源后，则可能在同一线路出现逆向的潮流，电压分布规律也会随DG的接入而改变。因此，分布式电源的接入对配电网不仅有积极的影响，还有消极的影响。
一方面，分布式电源的接入改善了配电网的运行方式，使电网可以更加高效、可靠的运行，主要特点有：
1）增加电网备用容量；
2）减少电厂建设规模，节省开支； 3）减小电能传输损耗；
4）DG可以孤岛运行继续向重要负荷供电。分布式电源的并网使配电网供电性能更优越，供电可靠性也得到了提高。
分布式发电能够及时快速地提供电能，当系统中负荷较大时，在一定的控制策略下，分布式电源可以在尽可能短的时间内投入使用，尽可能地减少系统故障，从而提高整个电网的稳定性。
另一方面，主动配电网之中含有大量的分布式电源，各种分布式电源都可能会恶化电网的电能质量水平，总结如图4.1所示：
功率波动功率波动风力发电风力发电分布式发电分布式发电光伏发电光伏发电电压暂降电压暂降图4.1 分布式发电对主动配电网的电能质量影响
波形畸变波形畸变4.1.1 风力发电的影响
1、功率波动
影响风力发电输出功率的因素有很多，包括风电机组类型、控制系统（速度和桨距控制等）、风况（湍流强度和平均风速等）和转矩波动等[41-45]：
1）并网风电机组的类型和控制系统对风电机组输出性能的影响； 2）风况对风力发电输出功率的影响很大，尤其是湍流强度和平均风速；
3）风电机组在叶轮旋转过程中转矩的不稳定也会造成风电机组输出功率的波动； 4）并网风电机组公共连接点的短路容量比和线路电抗与电阻之比(XR)也是促使电压波动和闪变的重要原因；
5）并网风电机组不仅在持续运行中产生电压波动和闪变，在启动、停机和切换过程中也产生电压波动和闪变[50]。 2、谐波间谐波
风力发电产生谐波的主要方式有2种：
1）风机自身配设的电力电子装备，可能给系统带来谐波问题；
2）风机的并联补偿电容器可能与线路电抗发生谐振，在风电场出口变压器的低压侧将产生大量谐波[46-49] 。 3、电压暂降
风电并网带来的电压暂降通常是由风电机组突然启动导致的，以感应式发电机的恒转速风电机组投入操作所引起的电压暂降最为严重。
在运行过程中，恒转速风电机组的发电机需要吸收无功功率，来维持发电机的励磁，吸收的无功功率将会随着有功功率的增大而增大，因此恒转速风电机组通常都带有电容补偿器组，以维持机端电压水平。
对于变速风电机组，由于运行时允许转速变化的范围比较宽，因而整个投入操作时间可以较长；并且变速风电机组具有恒功率因数控制或者恒电压控制功能，这就减少了发生大电流冲击和电压暂降的可能。
4.1.2 光伏发电的影响
1、功率波动
光伏发电的输出功率主要取决于太阳能光谱的分布，太阳光照强度和光伏电池的晶体结构、温度及阴影[51-53]，主要表现在以下几个方面：
1）光照强度对光伏发电输出功率波动的影响。光伏电池的输出功率和太阳光照强度基本持正比，随着天气的随机变化，当光照变化比较剧烈时，会使光伏电池的输出电功率发生波动。
2）温度对光伏发电输出功率波动的影响。光伏电池温度较高时，工作效率将下降 。每升高1 ℃每块光电池的电流增大约1%，总的来说，温度每升高1℃，输出功率则减小0.35%。不同的光伏电池，温度系数也不一样，所以温度系数是光伏电池性能的评判标准之一。
3）阴影对光伏发电输出功率波动的影响。 阴影对光伏电池性能的影响不可忽略，甚至光伏组件上的局部阴影也可能导致输出功率的减小。所以要注意避免阴影的产生，及时清理组件表面，防止热斑效应的产生。 一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组件输出功率减少75%左右，因此在场地选择评价中，阴影是需要重点考虑的因素[54]。
2、谐波间谐波
逆变器是光伏发电并网的核心部件，其开关器件的频繁动作容易产生开关频率附近的谐波分量，引起电网的谐波污染。光伏发电输出电流和输出功率的波动经开关函数调制后会使得交流侧产生特征谐波、非特征谐波和间谐波。变流器的死区效应还可能加重谐波污染。此外，光伏发电中的最大功率点跟踪是为了使光伏发电系统在不同的光照和湿度条件下输出最大功率，但在最大功率跟踪的同时又使得直流侧出现电压波动，从而导致电网侧产生谐波和间谐波[55]。
4.2 主动配电网电能质量评估指标
为了更好地评估分布式电源对主动配电网电能质量的影响程度，需要对含分布式电源的主动配电网系统进行电能质量的评估，传统的电能质量指标已经无法满足新型配电网系统评估的需求，因此，本章提出含DG配电网电能质量评估的新指标和新方法。评估分为两项内容，即针对DG安装前评估和DG安装后评估。DG安装前的电能质量评估可根据DG并网
的容量和安装位置，为配电网的管理者提供决策支持和方向指导；在DG安装前进行系统电力扰动程度预测，并给出保证系统可靠性、安全性的解决方案，进而优化电网的电能质量，最大程度地利用投资成本。DG安装后的电能质量评估主要是检验现有的限值是否对并网后配电网的电能质量有效约束。若电能质量指标超出限值，就应对分布式电源并网后的电网采取相应的措施以抑制电力扰动，使电能质量的各指标减小到限值之内。传统的电能质量指标可以应用于评估电网的电能质量水平，也可以用来评价含分布式电源的配电系统。但是，近年来提出的一些新指标却更能体现分布式电源接入前、后对电能质量的影响和变化，因此，也就更适合用来评价含分布式电源的主动配电网电能质量。
4.2.1 变化量指标
设某单项电能质量指标为Q,设DG安装前的值为Q1，安装后的值为Q2，则可得到DG安装前后此项电能质量指标的变化量，将此变化百分比Q*定义为
Q*?Q1?Q2?100% (4-1) Q1根据式（4-1），就可量化新的DG安装后，电能质量水平恶化或改善的程度。
以式（4-1)为基础，可得到各项电能质量的变化量指标。下面以谐波畸变和电压偏差为例，给出它的监测点指标和系统指标。
实际工程中，很多不确定因素（网络结构、线性负荷的需求和非线性负荷运行方式等）会影响到配电系统的电能质量数据，另外，DG本身也存在着一定随机特性。因此，在定义电能质量变化量指标时，采用概率统计的方法进行计算。
1）监测点指标
以电压偏差为例，电压偏差存在负偏差和正偏差，因此，为了体现实测电压偏离标称电压的程度，采用电压偏差的绝对值来定义电压偏差变化量指标。
DG接入后，节点i处的电压偏差95%概率值的变化量?U95_Vi 定义为：
?U951,i??U952,i?U951,i?100% (4-2)
?U95_Vi?式中，?U951,i——接入DG前，节点i处电压偏差95%概率值；
?U952,i——接入DG后，节点i处电压偏差95%概率值。
对于谐波畸变，定义监测点i处总谐波畸变率95%概率值的变化量THD95_V为：
THD951,i?THD952,iTHD951,iTHD95_Vi??100% (4-3)
式中，THD951,i——接入DG前，监测点i处谐波电压总畸变率95%概率值；
THD952,i——接入DG后，监测点i处谐波电压总畸变率95%概率值。
对于DG接入后，主动配电网的其它电能质量单项指标的变化量，均以此法定义，不做
赘述。
2）整体指标
以谐波崎变为例，定义电能质量的系统变化量指标。DG接入后，定义系统总谐波畸变率95%概率值的变化量STHD95_V为：
STHD951?STHD952STHD95_V??100% (4-4)
STHD951式中，STHD951——接入DG前系统总谐波畸变率95%概率值的加权值；
STHD952——接入DG后系统总谐波畸变率95%概率值的加权值。
计算STHD951和STHD952时，对每个监测点i，乘以它的比重因子k，得到各监测点谐波畸变率的加权值，再对各加权值求和得到系统总谐波畸变率的加权值。其计算方法如式（4-5)、 (4-6)所示：
STHD951=?ki?STHD951,i （4-5） STHD952=?ki?STHD952,i （4-6）
其中，
ki?Li （4-7） Ls式中，Li——监测点i处供电负荷容量，KVA； Ls——系统供电总容量，KVA。
类似的定义可扩展到主动配电网其他电能质量指标上。
4.2.2 系统影响指标
在含分布式电源的主动配电网中，为衡量单位容量的分布式电源对电能质量指标的影响程度，引入某项电能质量Q的系统影响指标SQ：
SQ?Q1?Q2 PDG(4-8)
系统影响指标不仅可体现在DG安装处允许的电力扰动最大程度，而且这类指标还可体现对接入DG的功率大小的敏感度，从而为DG接入容量、接入方式的选择提供指导意义。
下面，以谐波总畸变率为例，定义谐波总畸变率95%概率值的系统影响指标STHD95：
STHD95?STHD951?STHD952 (4-9)
PDG式中，PDG为接入DG的有功功率，STHD951、STHD952的定义见式（4-5 )、(4-6)所示。
4.3 算例分析
本节算例分析采用的配电网模型为实际电网系统中选取的一条馈线构成的小型配电网