基于运行方式分析的微电网电能质量研究

2014-03-06潘汉广

机电信息 2014年6期

关键词：主网电能谐波

潘汉广

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211000）

0 引言

微电网组成结构中的微电源包括2类，一类是传统旋转发电机，另一类是采用电力电子装置与大电网相连的电源。其中，第2类电源又分为直流电源和高频交流电源。

由于微电网的电源接在用户侧，且微电源多采用电力电子装置接入，其结构不同于传统电力系统，因此，微电网实际应用中必须考虑其自身的特殊性。只有通过研究微电网的结构特点及运行模式，才能进行微电网电能质量的相关分析。

1 微电网结构特点

从微电网的结构可以看出，微电网具有如下特点：

（1）一般微电网接入大电网的形式为单点接入，即从配电网侧看，微电网可作为可控的负荷或发电单元。这种即插即用的形式，使微电网中各种分布式电源得到了充分的利用，减少了分布式电源直接接入对大电网造成的影响，有利于电网的管理与运行，同时减少了大型发电厂的备用容量，也能降低输电线路的损耗。

（2）具有并网模式和孤岛模式2种工作模式。并网运行时，配电网、微电网均能供电，微电网能够与配电网实现能量交换。当电能质量不能满足用户要求或者系统出现故障时，微电网与主网隔离，运行于孤岛模式。

（3）由于微电网中风力发电、太阳能发电等发电系统受天气条件影响很大，因此，需要根据实际地理条件对分布式电源的位置进行选择，实现因地制宜。

2 微电网运行模式与控制要求

微电网主要有4种运行模式：2种稳态运行模式（并网运行、孤岛运行）以及2种过渡状态。2种过渡状态分为正常运行下的微电网与主网解列、并列以及采用黑启动恢复时微电网从停运转变为稳态的状态。

正常运行状况下，微电网工作在并网模式，即与低压配电网并网运行；当大电网发生故障或不能满足电能质量要求时，微电网将与大电网隔离，静态开关断开，即微电网由并网转变为孤岛运行模式，以确保对敏感负荷和重要负荷的不间断供电。因此，静态开关和微电源是微电网的2个关键元件。微电网中每个微电源出口都具备电压控制器和功率控制器，因此，在大电网出现问题时，各微电源在能量管理系统或自身控制方式下，不断对输出电压进行调整，减少系统中形成的无功环流。当故障消失后，微电网重新并入大电网正常运行。

3 微电网电能质量研究

微电网可以与大电网互为补充，提高电力系统的供电可靠性，并满足负荷对电能质量多样化的需求。但是随着微电网的不断发展，微电源种类和数量也不断增多，微电网本身存在的电能质量问题不容忽视。以下将对影响微电网电能质量的因素进行分析。

3.1 谐波

造成微电网谐波问题的主要原因分为3类：微电源电力电子接口、配电网的谐波渗透以及微电网中非线性负荷。微电网中大多数微电源或储能装置经电力电子装置接入配电网，由于所采用的电力电子元件不同，可能产生不同的谐波。微电网的高渗透率也会导致配电网谐波水平上升。另外，对于已具有较高谐波水平的配电网来说，并网模式下，低压配电网中的谐波会由公共连接点渗透到微电网中，影响微电网正常运行，并可能导致并网失败。此外，微电网中的非线性负荷会注入大量的电流谐波，如不及时进行治理，将可能导致公共连接点电压波形发生畸变。

3.2 电压波动和闪变

在传统电网中电压波动和闪变主要归因于负荷无功功率的波动。而在微电网中，除了负荷的影响，自然因素也会影响光伏发电和风力发电的出力，最终引起电压的波动。下面分析电压波动产生的机理。

图1为微电网并网运行等效电路图。其中，U·1为微电源的出口电压相量，U·2为配电网电压相量，Z为线路阻抗。

图1 微电网并网运行等效电路

令R为线路电阻，X为线路电抗，P为线路传输的有功功率，Q为线路传输的无功功率，S为线路传输的总视在功率，则有如下公式：

取U·2与实轴重合，其相量图如图2所示。

图2 微电网并网运行电压相量图

从图2可以得到：

则电网电压波动为：

微电源一般距离用户较近，且传输线以低压为主（R>>X），所以又存在公式（8）：

通过上述分析可知，电压波动主要与微电源输出的有功功率和无功功率有关，又由于微电源出力主要以有功功率为主，所以微电网并网电压波动问题主要是由微电源输出功率波动引起的。

3.3 电压暂降

电压暂降是电力系统电能质量下降中最为严重的问题。微电网电压暂降的问题主要是由微电网和大电网2个方面所导致。

首先，微电网中微电源自身启停以及输出电能波动，都会影响配电网中用户的电压质量。特别是可再生能源发电的微电源，它们受自然因素影响较大，通常情况下发电量不稳定，甚至在一些特殊情况下会出现频繁启停，此时将会对配电网的电压造成冲击，直接影响到用户的正常用电，使用户遭受不必要的损失。

其次，微电网一般距离负荷比较近，位于配电网的末端，极易受到配电网暂态及其他扰动的影响。如只有主网电压严重失衡时，微电网接入主网的静态开关才会断开；若主网失衡程度没有严重到触发静态开关动作，微电网必然受到大电网的影响，导致公共连接点处出现不平衡电压。不平衡电压出现时，将会降低对用户的供电可靠性以及电网的电能质量。