微网系统电能质量问题分析及调节*

王根平，王雅慧

微网系统电能质量问题分析及调节*

王根平1，王雅慧2

（1.深圳职业技术学院 机电工程学院, 广东 深圳 518055；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

对微网系统存在的多种电能质量问题进行了分析，指出由于多种分布式电源和负载的加入，谐波和电压波动成为影响微网系统电能质量的主要因素．对微网中的谐波干扰提出了4种应对措施，对电压波动提出采用储能装置+SVG（静态无功发生器）控制策略．

微网系统；电能质量；调节；评估

1 微网系统面临的电能质量挑战

微网系统的一个重要特征是为各种新能源提供开放的接口，让新能源能够方便地进入电网，从而解决社会的能源短缺问题，并提高绿色能源的应用比例．

新能源的加入，对电网的影响是巨大的．像太阳能和风力发电等，受天气和气候的影响，存在一定的间歇性和突发性．新能源加入电网，一般都需要通过电力电子器件的变换和逆变换过程，而这些电力电子器件的工作特性一般都存在严重的非线性．同时，微网系统也承担着各种用电负荷的供电，不同用电负荷对供电的不同要求也对微网系统的电能质量提出了挑战．

传统的电能质量分析，已有很多研究和论述[1-6]．本文着重分析由于新能源的加入及电力电子装置应用给微网带来的电能质量的问题：谐波干扰问题（波形畸变）、电压波动与闪变问题．

1）谐波干扰问题．谐波一般由电力系统中的非线性设备引起，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系．电网谐波有3个来源：一是发电过程产生的谐波；二是输配电产生的谐波；三是用电设备产生的谐波．其中，用电设备产生的谐波比重最大．谐波会使电力系统中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低电力设备的工作效率，严重时还会影响设备的正常工作．

2）电压波动与闪变．电压波动与闪变主要是由具有一定统计特征的冲击性或波动性负荷导致．影响电压波动与闪变程度的因素有：供电系统短路容量的大小，供电网络的结构，负荷的用电特性等．电压波动与闪变的抑制，可通过改善用电设备特性，提高供电能力，以及采用补偿设备等实现．

2 微网系统电能质量调节控制

微网系统电能质量调节，其目标是提高用户的电能电压，频率及波形的质量水平．要实现这一目标须采用一系列的调节措施．电压偏差调整，频率偏差调整，三相不平衡补偿等本质上都属于传统电能质量控制范围．而谐波的抑制，电压波动与闪变的控制问题则已经成为现代微网系统中电能质量控制的重要内容．

微网系统的电能质量调节，主要通过3种技术手段：一是提高发电设备及用电设备的制造工艺水平，减少电信号的波形畸变的产生；二是采用储能技术作为缓冲，平衡电压的波动及闪变；三是电力电子器件的应用，对供应电力进行控制变换，为用户负荷提供满足要求，质量合格效能最佳的电力．

2.1 电力谐波的抑制及调节

电力谐波的抑制，一方面是提高微网系统中各分布式发电装置（DG）的制造工艺水平，从源头上减少谐波的产生；另一方面加强对输送出的电流进行谐波检测，不把发电装置的谐波送到负荷．但对于用户来说，谐波的产生则不可避免，因为发电装置以及用电设备都可能产生谐波．可以通过定期开展谐波测试工作，对谐波超标的设备和线路进行分析，找出谐波源头，装设相关设施来抑制．可采取的措施包括：

1）利用由L，R，C元件组成谐振回路，防止与谐振回路的谐振频率相同或相近的谐波进入微网．例如在电力电子设备系统的交流侧安装无源滤波器．

2）采用可控的半导体功率器件向微网注入与原有谐波电流幅值相等，相位相差180度的电流，使电源的总谐波电流趋于零，实现实时补偿谐波电流的目标．

3）在谐波源位置加装静止无功补偿装置，有效减少谐波量，提高功率因数，使母线电压稳定，提升微网系统承受谐波的能力．

4）可考虑将某些电容器组的支路改装滤波器或者串联电抗器，也可采取限定电容器组容量的方法，有效避免电容器对谐波的放大．

因此，电力谐波的抑制主要采用预防性和补偿性这样两种措施．预防性措施有：① 供电设备（如发电机，电容器，变压器等）在设计，制造，配置方面采取抑制谐波的措施；② 采用电力电子器件构成抑制电力谐波的电路或装置．补偿性措施则包括：① 调整馈线参数；② 采用滤波器．

2.2 电压波动与闪变的抑制及调节

在微网的运行过程中，由于分布式电源的波动性或大型阻感性负荷的频繁切换，将导致微网系统内部出现冲击性功率变化，引起微网电压波动．图1为微网并网接线示意图．微网电压波动也将导致微网公共连接节点电压在短时间出现激烈变动．

设S为微网功率的变化，假设由微网注入系统有功功率和无功功率时取正值，反之取为负值．根据阻抗和功率定义及电压分配定理，有：

由（1）式可以得出微网系统波动电压UΔ为：

式中，UΔ为微网电压Umg的波动变化量；R是线路阻抗；X是线路感抗；P和Q则分别是微网的有功功率和无功功率．

由（2）可知，微网的波动电压与2个因素有关，一个是线路阻抗值（R），另一个是微网的功率变化值（有功功率P和无功功率Q）．考虑到低压配电网线路电阻值一般都较大，微网系统的无功功率的波动变化要远小于有功功率的波动变化，所以，微网电压的波动主要与线路电阻值和微网的有功功率的波动有关．

根据以上分析，当微网有大负载或大容量的电源接入时，都可能造成微网电压的大幅度的波动．相关研究证明[7]，采用储能装置+SVG（静止无功发生器）协同调节的框架，可以较好抑制电网电压波动．因此，我们在微网系统中，采用储能装置+SVG协同调节的方式来抑制微网的电压波动．

储能装置+SVG协同控制总体控制调节框图如图2所示．图2中，Sin-cos 框图为有功功率和无功功率计算器，C23，C32系统为控制器．当储能装置在微网系统有功功率不足导致压降时，向微网输出有功功率；当分布式电源的接入导致微网电压升高时，储能装置则切换为负载，就地吸纳有功功率的波动．而对于由于负载或分布式电源的接入或撤除导致的无功功率，则通过SVG就地吸收．通过这种SVG（静止无功发生器）+储能装置的协同控制的方式，基本上可实现对微网系统电压波动的抑制．

图1 微网与配电网接线示意图

图2 储能装置与SVG装置协同调压控制框图

[1] 吴在军，杨雷雷，胡敏强，等．改善微网电能质量的有源电能质量调节器研究[J]．电网技术，2012，36（7）：67-73．

[2] 李婉娉，李鹏，刘承佳，等．风力发电并入微网电能质量分析与检测[J]．电网与清洁能源，2012，28（4）：24-28．

[3] 冯兴田，韦统振，孔令志．高渗透分布式发电对配电网电压质量的影响研究[J]．水电能源科学，2010， 28（9）：154-157．

[4] 李福东，吴敏．微网孤岛模式下负荷分配的改进控制策略[J]．中国电机工程学报，2011，31（13）：18-25．

[5] 雷之力，鲁希娟．微网电能质量特点及有源滤波补偿方式研究综述[J]．湖南电力，2009，29（15）：170-176．

[6] 肖湘宁．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2010．

[7] 魏承志，陈晶，涂春鸣，等．基于储能装置与静止无功发生器协同控制策略的微网电压波动抑制方法[J]．电网技术，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

*项目来源：深圳市战略性新兴产业发展专项资金资助项目（JCYJ20120617144348493）

王根平（1966-），男，江西南昌人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向：新能源技术、自动控制、网络通信技术．