分布式电源接入电网的电能质量问题研究综述

易桂平，胡仁杰

（东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096）

以燃料的多重化，设备的小型化，网络化，信息化和智能化控制，高标准的环保水平为特点的第二代新能源系统正以不可阻挡的速度在世界范围内迅速发展，在电力系统配电网中形成新的电能供需模式：分布式发电模式，它已开始打破一个世纪以来以中央系统集中发电的模式，这是完全区别于20世纪大电厂、大电网发展能源产业的全新理念。分布式发电（distributed generation，DG）通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的分散式、小型模块化、布置在用户附近的、可靠、高效的发电单元，主要包括：风力发电、太阳能光伏发电、内燃机、微型燃气轮机发电及生物质能发电等[1-3]。

分布式新能源发电的主要优势在于可充分利用各种分散存在的可用能源，包括可方便取得的化石能源和可再生能源，并提高能源利用率。通常分布式电源接入中低压配电系统中，且会对配系统产生巨大的影响。传统的配系统具有分配电能到终端用户的功能，而以后的配系统则有可能成为一种功率交换媒介，即它能在收集电力的同时分配它们，并将它们传送到任何需要的地方。因此将来这种系统不再是一个“配电系统”，而是一个“电力交换系统（power delivery system）”。分布式发电具有随机性和分散性等特点，大量分布式电源的接入，将对配电网的电能质量、安全稳定运行、继电保护等方面产生很大的影响[7]，如今这方面的研究也越来越多。

1 分布式发电技术

根据所使用初始能源的不同，分布式发电技术分为可再生能源分布式发电、化石能源分布式发电以及混合分布式发电技术[1-6]。

1）可再生能源分布式发电技术主要有风力发电和太阳能发电技术。风力发电技术是将风能转变为电能的技术，通过风力发电机实现，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电可分为并网风力发电和独立风力发电，前者的容量一般超过150 kW，后者为微型或小型风力发电机组，容量通常为100 W～10 kW。近几年来，风力发电技术发展非常迅速，单机容量在2 MW以下的技术已经相当成熟。太阳能光伏发电技术是根据光生伏特效应原理，利用光伏电池直接将太阳能转化成电能。太阳能光伏发电具有不受地域限制、不消耗燃料、无污染、发电方式灵活等优点。但是这类发电成本很高，因而现阶段光伏发电技术还有待进行改进，以降低成本而能被普遍应用。

2）化石能源分布式发电技术主要有微型燃气轮机发电技术、往复式发动机发电技术和燃料电池发电技术。①微型燃气轮机发电技术：微型燃气轮机是近几年来发展起来的一种小型热力发动机，其单机容量为25～300 kW/台，以甲烷、天然气、柴油、汽油为燃料，采用回热循环以及径流式叶轮机械的超小型燃气轮机。近些年来，随着全球动力与能源需求的变化，微型燃气轮机得到了相关部门的高度重视，特别是在欧美等发达国家，开始出现大中型燃气轮机的现象。但是微型燃气轮机与现有的其他发电方式相比起来效率还是相对较低。满负荷运行时效率只有30%，而在半负荷运行时便只有10%～15%。②往复式发动机发电技术：往复式发动机采用压燃式或点火式，以柴油或汽油为燃料，是当前应用最为普遍的分布式发电技术。但此种发电方式会带来废气和躁音的排放污染，造成对环境的影响。最近通过对其进行技术上的改进，已经大大地减少了这种影响。③燃料电池发电技术：燃料电池是一种将存在于燃料中的化学能直接转化成电能的发电设备。其工作时，不需要经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制，同时不污染环境，其电能是通过电化学过程获得的[8]。

3）混合分布式发电技术一般是指2种或多种分布式发电和蓄能元件的组合，形成复合式发电。目前已出现多种形式的这种发电系统，分布式的热电冷三联产多目标供能系统就是其中的一种，一般简称为分布式供能系统。在其产生电力的同时，也能满足供热、制冷等方面的需求。分布式供能系统相对普通的供电系统来说，能源利用率得到了提高，系统的热经济性得到了改善，环境污染得到了降低等。

2 分布式电源并网对电能质量的影响分析

电能质量主要是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，衡量其指标有电压、频率和波形。其定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，包括电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、波形畸变（谐波）、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、电压中断、电压暂降、暂升及供电连续性等。而分布式发电的接入对电网电能质量的影响主要有电压波动和闪变、电压暂降和偏差、电力谐波等方面[7-9]。

2.1 电压波动和闪变

电压波动是指工频电压包络线有规则的周期性变化或一系列的电压随机变动，随着系统中的波动负荷而产生，通常用电压变动来评估[10]。电压变动为电压方均根值曲线上相邻的2个极值之差，然后与系统额定电压的比值，用百分数表示为[10]：

式中，Umax和Umin与分别为电压有效值的最大值和最小值，电压有效值的计算公式为：

式中，uk为k点电压瞬时值；N为一周期内采样点数。国标《电能质量电压波动和闪变》（GB/T 12326-2008）规定35 kV及以下电压等级的允许电压波动范围为：d=1.25%～4%。

由于冲击负荷周期性地从电网中获取快速变动的功率，使电压快速变化从而引起人眼对灯闪的明显感觉，此种人眼对灯闪的主观感觉称为闪变。闪变的产生主要是由波动性负荷引起，并且主要是有功，它不属于电磁现象。国标《电能质量 电压波动和闪变》（GB/T 12326-2008）采用IEC闪变仪测试，规定电压等级110 kV的长时间闪变值Ph为1。

2.1.1 电压波动和闪变的机理

分布式电源并网引起的电压波动和闪变的主要原因在于分布式电源输出功率的波动，输出功率的波动还可能引起频率的波动[11]，分布式电源并网如图1所示。

图1 分布式电源并网等效电路Fig. 1 Grid-connected equivalent circuit of DG

U觶1是分布式电源的输出电压向量；U觶2是电网的电压向量；Z为线路阻抗；S为分布式电源的输出功率，其中：

取与实轴重合，电压相量图如图2所示。

图2 分布式电源并网电压相量图Fig. 2 Grid-connected voltage vector diagram of DG

从相量图可以看出*

将式（3），（4）代入式（5）得

令

则电网电压波动为

分布式电源一般距离负荷较近，且以低压为主，故R>>X，所以

从上式可看出，电压波动主要与分布式电源输出的有功和无功功率有关，又由于分布式电源出力主要以有功功率为主，即P>>Q，所以电网电压的波动和闪变主要源于分布式电源输出有功功率的波动。

2.1.2 光伏发电的功率波动

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[12-14]。

1）光照强度对光伏发电输出功率波动的影响。光照强度与光伏电池的光电流成正比，光强在100～1 000 W/m2范围内，光电流一直随光强的增大而增大；而光照强度对电压的影响很小，在温度一定的情况下，当光照强度在400～1 000 W/m2范围内变化时，光伏电池的开路电压基本恒定。所以，光伏电池的输出功率与光照强度也基本保持成正比，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。随着光伏电池温度的升高，其开路电压下降，在20～100 ℃，每升高1 ℃，每块光伏电池的电压大约下降2 mV；而光电流随温度的升高略有增加，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%。这就是温度系数的基本概念，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[15]。

2.1.3 风力发电的功率波动

影响风力发电输出功率的因素很多，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[13-17]。

并网风电机组的类型和控制系统对风电机组的输出性能影响较大。比如恒速风电机组对P和3P频率比较敏感，会产生较大的功率波动；而变速风电机组则可以削减3P频率的影响，其在运行时产生的功率波动水平远小于恒速风电机组，几乎接近恒速风电机组的1/4。

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。随着风速的增大，风电机组输出功率也不断增大。当风速达到额定值并不断增大时，恒速风电机组产生的功率波动继续增大，而变速风电机组的输出功率波动将减小。湍流强度对风机输出功率的影响很大，两者增长接近成正比例关系[15]。

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。而塔影效应、风剪切和偏航误差等因素对风机输出转矩也有影响。塔影效应是风电机组在发电的过程中出现的一种负面效果，主要是对于下风向风力机，因一部分空气通过塔架后再吹向风轮，流过叶片的气流受到了干扰。当叶片经过塔筒时，风机输出转矩减小，离开塔筒时风速恒定，靠近塔筒时风速增加，而更靠近时风速下降；因风机叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切也会引起风机的转矩波动。当转子不垂直于风向时，风电机组存在偏航误差，这意味着仅有很小一部分风能可以在转子区域流动。转子靠近风源部分受到的力最大，这表明转子倾向自动对着风向偏转，叶片在转子转动时，会沿着受力方向前后弯曲，从而导致风机转矩的波动。

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（X/R）是促使电压波动和闪变的重要原因。短路容量比越大，电压波动和闪变就越小。适当的X/R比可以使得无功引起的电压波动补偿掉有功引起的电压波动，同时电压闪变也有所减弱。事实上，当X/R比很小时，风机引起的电压波动和闪变会很大，当X/R比对应的阻抗角在60°～70°内时，电压波动和闪变最小。

此外，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[25]。

2.2 谐波和间谐波

谐波是指电流或电压中所含频率为基波频率整数倍的分量，通常是指对周期性的非正弦分量进行傅里叶分解，其中大于基波频率且为其整数倍的那部分分量。而间谐波是指非工频频率整数倍的谐波，通常由非线性冲击负荷或较大的电压波动所导致，所有的非线性负荷，如电焊机、同步串级调速装置、变频调速装置和感应电动机等均为间谐波源。微型电网的谐波与间谐波对电网的电能质量有着重大的影响[12-13]。国标《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）中主要定义了6种谐波指标，用来评估电网中谐波带来的电能质量问题。国标确定0.38 kV低压的谐波电压总畸变率上限为5%[26-30]。

2.2.1 谐波与间皆波机理分析

分布式发电中的谐波与间谐波主要来源于变流器。典型的三相变流器主电路如图3所示，定义变流器谐波分析的开关函数为Sa、Sb、Sc。

图3 三相变流器主电路Fig. 3 Three-phase inverter main circuit

在理想情况下，对于逆变器，其直流侧电流id和交流侧电压ua满足

对于整流器，其交流侧电流ia和直流侧电压ud满足

式中，Sia、Sib、Sic为三相电流开关函数；Sua、Sub、Suc为三相电压开关函数。文献[15]中经过确定后的开关函数代入式（11）或式（12），可得结论：

1）当变流器工作在理想工况下，即系统三相电压对称，且不含谐波，计及换相过程，直流侧将出现6k次特征谐波电压。而在系统侧，即使计及直流侧6k次特征谐波电压产生的6k次谐波电流，6k次谐波电流和直流电流同时被开关函数所调制，可得

即在系统侧将产生6k±1次特征谐波电流。

2）当变流器工作在非理想工况下，直流侧将出现非特征谐波电压，再经过开关函数调制，在交流侧将出现相应的非特征谐波电流。在系统三相电压不平衡条件下，6k±2次谐波电压所对应的谐波电流经开关函数调制后可得[30-34]

3）当直流侧含有非基波整数倍频率的扰动项ωm时，经过开关函数调制，在系统侧将产生间谐波分量

可见，交流侧出现的间谐波主要是由变流器直流侧非整数倍基波频率的纹波分量所引起。

2.2.2 光伏发电中的谐波与间谐波

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[36]。

2.2.3 风力发电中的谐波与间谐波

风力发电产生谐波的主要方式有2种。一种是风机自身配设的电力电子装备，可能给系统带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机，由于没有电力电子装置的参与，机组在连续运行的过程中几乎不产生谐波。当机组投入运行时，软并网设备处于工作状态，此时将有谐波电流产生，不过因投入操作过程较短，注入的谐波忽略不计。而对于变速风机则不同，因为变速风机通过变流器装置并入电网，如果装置的切换频率刚好在谐波产生的范围内，那么就会导致严重的谐波问题。由于风机输出功率的波动，经过整流和逆变的变换后，直流侧将出现非整数倍基波频率的纹波，经过开关函数调制后，在电网侧将产生间谐波；另一种是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[35-38]。

2.3 电压暂降和偏差

国际电力电子工程师协会（institute of electrical and electronics engineers，IEEE）对电压暂降（voltage sag）定义为：供电电压有效值快速下降到额定值的90%～10%，并持续0.5～30个工频周波。根据定义可知衡量电压暂降程度的参数主要有2个：电压暂降幅度与电压暂降持续时间[24-28]。

电压偏差：指网络中某点的实际电压同网络该处的额定电压之差，当供电系统部分或总负荷发生改变时，则将导致电压偏差的发生，一般以额定电压的百分数表示

式中：U为实际电压；UN为额定电压。国标《电能质量供电电压允许偏差》（GB/T 12325-2008）规定：20 kV及以下电压等级的供电电压偏差范围为额定电压的±7%。

在分布式发电中，风电并网带来的电压暂降一般是由风电机组的突然启动导致的，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。恒转速风电机组的发电机在运行过程中需吸收无功功率以维持发电机的励磁，吸收的无功功率将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；对于变速风电机组来说，由于运行时的允许转速变化范围比较宽，因此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恒电压控制功能，这就减少了发生大的电压暂降和电流冲击的可能性。为了减小风电机组投入操作运行时导致的电压暂降，可通过风电场管理系统来控制机组启动时的出力和电压，避免一次性投入多台风电机组，这种控制思想适用于各种类型风机的风电场。

随着风电场规模的不断扩大，风力发电装机容量的不断增加，风电场在系统中所占的比例不断增大，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大。我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，只能通过输电网远距离输送。当出力较高时，线路无功损耗和风电场无功需求将增大，电网的无功不足将对电压稳定性造成影响，远距离的末端用户电压降低。

国家电网公司颁布的《国家电网风电场接入电网技术规定》对风电场电压偏差水平规定如下：风电场接入电网后，接入点电压正、负偏差的绝对值之和应该不超过额定电压值的10%，通常应控制在额定电压值的-3%～+7%范围内。限值也可以由风电场开发运营企业和电网运营企业根据电网特点、规模和风电场位置等一起确定。

3 电能质量下降的危害

3.1 电压波动和闪变的危害

分布式发电引起的电压波动和闪变的危害主要有[10-11]：

1）引起照明灯光闪烁，降低了工作效率和生活质量。

2）使电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。

3）造成电视机的转速不稳定，影响产品质量，严重时危及设备本身的安全运行。

4）对电压波动较敏感的实验结果或生产过程产生不良影响。

5）导致计算机系统、电子设备和仪器、办公自动化设备以及自动控制生产线等工作不正常，或受到损坏。

6）导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，以致电力电子软开关换相失败等。

波动性负荷还会产生大量的谐波和负序分量。

3.2 谐波的危害

通常，变流器对较大容量的电力系统影响不太明显，而对较小容量的系统，谐波引起的干扰则不容忽略，它将给电网是带来谐波污染[12-17]。谐波污染对电网的危害是比较严重的，主要体现在：

1）谐波导致电力线路产生附加损耗。由于邻近效应和集肤效应的影响，使得线路电阻随着频率的增大而增加，造成电能的损耗；由于中性线正常运行时的电流很小，所以导线较细，当大量的三次谐波流过时，会使得中性线导线过热、绝缘加速老化、寿命减短甚至损坏。

2）谐波影响各种设备的正常运行。如对断路器，谐波将使得电流波形过零点时di/dt偏高，以致开断困难，延长故障电流的切除时间；对发电机的旋转电机产生功率附加损耗、机械振动、噪声和发热。

3）谐波导致系统中电容器组发生谐振。工频状况下，电网装设的各种电容器要比电网中的感抗大得多，并不产生谐振，但含有谐波频率时，容抗值成倍减少而感抗值却成倍增加，这就有可能引起谐振的发生，谐振将使谐波电流放大，导致电容器等电气设备烧毁。

4）谐波引发公用电网局部的串联和并联谐振，从而导致谐波放大，增加上述危害性，甚至引发重大责任事故。

5）谐波将导致自动装置和继电保护误动，并使得电能计量和仪表出现明显误差；谐波对电网其他用户也有很大的危害：如干扰附近的通信设施，轻者出现噪声，通信质量降低，重者信息丢失，通信设施无法正常工作；影响电子设备的精度，降低机械加工过程中产品的质量；家用电器工况变坏，设备寿命缩短等。

3.3 电压暂降和偏差的危害

电压暂降己成为电力系统用电设备正常安全运行的主要威胁，并且成为影响现代社会供电质量不容忽略的因素[28]，其危害主要有如下几个方面：

1）电压暂降和偏差将影响一些设备的正常运行，引起自动化控制装置的误动，计算机系统的失灵，造成产品质量下降，甚至使生产线程序紊乱甚至中断。相比计划断电后的有序恢复，电压暂降后的无序启动造成的损失和危害要大很多。

2）实际电压偏高将造成设备过电压，威胁绝缘和降低使用寿命。电压偏低不仅会造成敏感设备不能正常运行，或停止运行，甚至无序重启，长时间不能恢复正常工作，由此造成的危害和损失是相当严重的。如对直流发电机，当电压低于额定值的80%时就很可能发生跳闸事故；而对于PLC控制器，电路短路或电压暂降都可能造成控制程序发生紊乱；而对于变频调速器，当电压在120 s内持续的低于正常值的70%时，就可能被退出运行。

3）电压暂降和偏差不仅造成经济损失，而且还可能给人们的正常生产和生活带来影响。

4 分布式电源对改善电网中电能质量的潜在优势

虽然分布式发电对电力系统有一定的影响并且带来许多不确定性，造成电压波动和引入大量谐波，使电能质量更加恶化，但是分布式发电也存在改善电网电能质量的潜在优势。分布式发电能够及时地、快速地提供电能，当系统中负荷较大时，在一定控制策略下，分布式电源能在尽可能短的时间内投入使用，尽可能减少系统故障，进而提高整个电网的稳定性。

其次分布式电源与电能质量控制器的优化配置可实现统一控制。电能质量控制器、动态电压恢复、电力有源滤波器、固态切换开关、配网静止无功补偿器等电能质量控制器都是建立在通信控制技术和电力电子技术的基础上，而分布式发电也是建立在通讯技术、电力电子技术、计算机和控制技术的基础上，这使得复用自身电力电子变换器的新型电力系统成为可能。优化配置系统利用现代电力电子技术实现了电能传输转换的同时，还改善了系统的电能质量，大大降低了系统的额外投资。

5 电能质量改善措施及建议

5.1 安装电能质量调节装置

目前，提高和改善电能质量最普遍的方法是装设动态响应迅速的无功补偿装置，如静止无功补偿器（SVC），静止无功发生器（SVG），也被称为静止同步补偿器（STATCOM），电力滤波器以及统一电能质量控制器（UPQC）等[29-35]。

动态无功补偿器（SVG/SVC）能够平滑快速地调节无功功率的大小，维持动态电压稳定，改善系统的运行性能。将动态无功补偿器安装在分布式电源的出口低压侧，根据分布式电源接入点（PCC）处的电压偏差量来控制所补偿的无功，能够稳定PCC处的电压，减弱分布式发电输出功率波动对系统电压的影响，减少电压波动和闪变及电压暂降的发生，同时还可以整体提高风电场的低电压穿越能力。

针对引入DG后给电网带来的的谐波问题，一方面可采用多脉冲换流器，脉冲数越高，谐波含量就越低，但同时意味着增加了电力电子装置的成本；另一方面，可以在谐波含量较高的PCC处安装电力滤波器来吸收谐波源产生的谐波电流。电力滤波器根据滤波原理可分为有源滤波器（APF）、无源滤波器（PPF）以及两者的组合混合滤波器（CPF）。对于含有太阳能光伏发电的配电网，提出一种具有多功能逆变器的控制策略，使得太阳能光伏发电系统中的逆变器同时具有滤波的功能，采用参考电压最大功率点跟踪控制策略来稳定电压源型逆变器的输出电流，起到抑制系统谐波电压的作用。而风力发电场就需要在谐波水平较高的母线上安装静止无功补偿器（SVC），综合补偿无功和滤除谐波，并且减少风机的启停次数。

5.2 安装超级电容器储能装置

超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等突出优点而得到广泛使用。超级电容储能系统对微网电能质量的改善具有很重要的作用。在一定控制策略下，可以通过调节储能装置来改变向电网注入有功功率和无功功率的大小，从而实现改善电能质量的目的。由于超级电容器功率密度高、充电速度快，能在短时间内吸收、释放大功率能量，将其应用到电能质量调节装置中可解决系统瞬时停电、电压暂降和电压骤升等问题，此时利用超级电容吸收或补充电能提供快速功率缓冲来进行有功和无功功率补偿，以达到平滑电压波动的目的[36-40]。

此外，提高公共连接点短路比，改善电网结构和采用适当的线路电抗和电阻之比（X/R）可以有效抑制分布式电源引起的电压波动和闪变。通过人工控制使风电机组不在同一时间启动和停止，能够减少机组启停时对电网的影响。另外通过改变系统的供电方式、提高供电电源的电压等级和串联电抗器等措施来提高系统的电抗[41-42]。

6 结论

随着公平竞争电力市场的逐步建立，分布式发电的应用越来越广泛，作为其中的清洁能源风力发电和太阳能光伏发电在现代电力系统中的地位越来越重要，其与目前现有电网的结合构成了一个灵活、高效的电力网络，有效地提高了能源利用效率和供电网络的稳定性、安全性和可靠性。然而，分布式发电的接入必将给现代电力系统的运行与控制带来巨大的影响，给电能质量带来严峻的考验。本文分析了分布式发电的接入对电能质量产生负面影响的同时，也存在改善电能质量的潜在优势。归纳了电能质量下降给电力系统带来的几种危害，针对这些危害提出了相应的改善措施和建议，为更好地发挥分布式电源的优势提供指导。

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