分布式电源并网对电能质量的影响

焦能

近年来，以风力发电和光伏发电为代表的分布式发电技术得到了迅速的发展和大力的推广。分布式发电由于受到自然条件的限制，其输出功率具有很强的随机性和波动性，大规模的分布式电源并入电网，将会对现有电力系统的供电质量产生严重的影响

近年来，以风力发电和光伏发电为代表的分布式发电技术得到了迅速的发展和大力的推广。一方面，分布式电源的环境友好性和循环再生性为应对能源危机和环境污染提供了帮助；另一方面，人们也注意到了分布式发电由于受到自然条件的限制，其输出功率具有很强的随机性和波动性，大规模的分布式电源并入电网，将会对现有电力系统的供电质量产生严重的影响。

目前分布式电源的容量都比较小，在现有的装机水平下，分布式电源不会对大电网系统产生影响，但随着分布式电源的发展，如果这种小型机组的数量达到一定水平，就有可能影响到整个电力系统的特性。分布式电源并网运行，目前主要发生在配电网，其对电能质量的影响表现为如下两个方面：对电压波动的影响及谐波问题。

一、对电压波动的影响

在传统配电网中，有功、无功负荷随时间变化会引起系统电压波动。如果负荷集中在系统末端附近，电压的波动会更大，一般尽量避免这种情况的发生。而对于分布式电源而言，其对接入点电压波动的影响程度主要取决于分布式电源有功功率的变化情况。主流分布式电源包括微型燃气轮机、风电机组、太阳能光伏发电以及燃料电池等，各自运行特性差异较大，造成有功功率波动的因素较多，归纳起来大致有三种情况。

（一）输入能量变化及其它外界干扰

对于风电机组、光伏电池板等可再生能源发电系统，外界自然能源输入的变动是造成分布式电源输出功率变化的主要原因。为了提高分布式电源的发电效率，很多机组采用了最大功率追踪控制，而不是定功率控制，当外界资源条件发生变化时其输出功率必然随之变动。

对于风电机组来说，输入功率来自风能，风力机提供给发电机的机械功率与风速有关，而风速的变化是由自然条件来决定的，随机性较强。一旦风速快速变化，则风电机组的输出功率必将剧烈变化。当风速在额定风速以上的有效风速范围内时，通过传动机构和控制系统的调节，可以尽量减少风电输出功率的波动，但是也不易保持绝对的功率恒定。此外，风电机组在运行过程中还会受到风剪切、塔影效应以及偏航误差的影响，导致风电机组转矩不稳定，从而造成输出功率的波动，进而导致风电机组所在的电网电压发生电压波动。

对于光伏发电系统，其核心部件光伏电池板的最大功率点会随着光照强度、环境温度的变化而改变，一旦天气发生剧烈变化，必将引起光伏电池输出功率的明显变化。此外，“热斑效应”也会造成光伏电池输出功率的变化。

（二）不受电网控制的分布式电源起动和停运

分布式电源的起动和停运与自然条件、用户需求、政策法规、电力市场等诸多因素有关。分布式电源的调度和运行，往往由电源的产权所有者来控制，而分布式电源的产权所有者往往不是电网公司，而是用户自己或者其它经营主体。这样就可能出现分布式电源随机启停甚至频繁起停的情况。

例如，分布式电源的所有者根据自己的用电情况自由决定何时启动和停机，或者以赢利为目的，只在电价高于发电成本时才开启机组，在峰荷过后退出。随着分布式电源数目的增多，这种情况对发电上网功率的影响也不容忽视。

（三）输入能量变化及其它外界干扰

对于燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机组等输入燃料流量可控的分布式电源来说，输入能量是基本恒定的，一般不会因为输入能量的波动造成输出功率的明显变化。

典型的往复式引擎驱动发电机组——同步柴油发电机，其气缸存在点火熄灭过程，因此会出现输出功率波动现象；为此国家在设计和制造过程中提出了一定的技术规范，要求往复式驱动引擎的发电机组动态电压小于0.5%。

燃料电池可以通过对燃料输入控制、反馈控制等方法对电源输出进行控制，但是其对控制系统的精确度要求很高，实际使用过程中，可能存在一些参数的偏移，控制系统不稳定，从而也将导致功率输出的波动。控制器的算法和参数整定可能导致分布式电源输出功率的周期性波动。

对于热电联产的分布式发电机组，输出必须满足热量的需要，而且功率的变化速度也是有时间限制的，在供热需求发生变化时，也会引起分布式电源发电功率的变化。

以上讲的是分布式电源接入后，可能引起电压波动。但合理利用分布式电源，使其与当地负荷协调运行，即当负荷增加（或减少）时，分布式电源的输出量增加（或减少），也可以抑制电网电压波动。

（四）利用分布式电源抑制电压波动的优势

分布式电源的接入，提高了配电网整体的短路容量。这对抑制区域配电网内的电压波动问题起着积极作用。在出现负荷冲击性投切等情况时，其电压波动大小相比传统配电网得到了削弱。

分布式电源往往就近接入电力用户所在配电网，与负荷的距离较近能够快速及时地提供电能。因此利用分布式电源，对动态波动的负荷进行有功功率的就近提供、无功功率的就近补偿较为方便，并且输电损耗小。

分布式电源的并网换流器，与静止无功发生器等电能质量调节装置所用的电路结构和控制技术有很大程度的相似性，为两类设备的优化配置提供了可能性。

所以将分布式电源纳入电网的统一调度理中，在用户负荷突然变化时，对分布式电源的输出功率进行相应调整，以补偿或抵消负荷的功率波动，可以达到抑制电压波动的效果。当然，这需要资源条件允许并且分布式电源可以进行宏观调控。同时，采用定功率控制的分布式电源显然无法做到改善电压波动，因此这对分布式电源的控制策略也提出相应改进要求。

需要指出的是，抑制分布式电源发电量而抑制电压波动并不可取，在分布式电源所在配电网中设置储能节点，便可在不主动降低分布式电源发电量基础上，对负荷的功率波动进行动态调整，从而抑制电压波动。

综上所述，分布式发电接入系统对系统电压波动的影响属于固有问题，只要该分布式电源处于运行状态，其波动的输出功率就会对电网电压造成影响，只是影响程度大小不同而已，在某些情况下电压波动已经成为制约分布式电源装机容量的主要因素。但是，如果控制合理，分布式电源也能够抑制系统电压的波动。因此，全面系统地对分布式电源接入的电压波动问题进行研究，具有实际意义。

二、谐波问题

在复杂的周期性振荡中,包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波（比如中国家庭用电220伏、50赫兹的正弦震荡即为基波），相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波。

谐波会对公用电网造成危害：使电网中元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率；在中性线上叠加出电流，使中性线发热，甚至发生火灾；引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，上述危害进一步加大；使继保设备误动作，测量设备失准等。此外，还会对通信、电子类设备产生干扰。

分布式电源是谐波源，在正常运行时，所采用的一些电力电子设备会产生一系列的谐波分量。分布式电源并网导致大量的电力电子转换器应用到系统中，例如太阳能光伏电池、燃料电池等并网时，需通过逆变器接入交流电网；微型燃气轮机的输出是高频电压，风电机组的输出电压频率与风力机的转速有关，这些分布式电源并网往往都要经过变流器。这些变流器是通过电力电子器件的频繁开通和关断来实现电力变换功能的，其输入输出关系具有明显的非线性特征。

开关器件频繁的开通和关断容易产生一系列的谐波分量，对电网造成谐波污染。其中开关频率附近的谐波分量幅度较大，是优先需要重视的谐波分量。另外，在分布式电源的特殊运行情况下，例如三相不平衡、直流偏磁等非理想情况，也会造成谐波增加。

与传统电网谐波相比，分布式电源由于数量众多，不同谐波源产生谐波不同，并且新能源接入使用的换流器的开关频率更高，使谐波本身的产生机理、传播特性更加复杂，更易引发谐波谐振以及稳定性问题。

其次，分布式电源接入电网，其参数具有较强的波动性与随机性，产生的谐波使电网参数随时变化，谐波分析噪声干扰大。并且，分布式电源离负荷近，产生的谐波对附近负荷供电质量影响更明显。由于接入配电网电压等级低，阻抗标幺值相对大，谐波电流产生的情况下，线路两端的谐波电压更明显。

以上原因就使得分布式电源的接入对电网的谐波带来了不可忽视且复杂的影响。分布式新能源并网在带来谐波问题的同时，若能合理接入，则能与电网背景谐波相互抵消、使网络参数相互匹配，降低电网的谐波水平和谐波谐振发生的几率。