分布式发电系统的电能质量分析与能效管理研究

岳宇

摘 要：分布式发电系统可将可再生能源和小规模发电系统相结合，按照就近原则进行分配，可有效达到节省能源的效果。本文主要论述了分布式发电系统的电能质量分析与能效管理，搭建及准确、实用的数学模型，探究最有效地控制方法，实现对可再生能源最大化利用的目的。

关键词：分布式发电系统;电能质量;能效管理

引言：

电力工业是国家的基础行业，与人民的生产生活有紧密联系，时下传统能源匮乏、雾霾等问题正逐渐加剧，使用清洁能源是未来发展趋势，在国家的大力支持下，分布式发电被广泛运用，从特殊场合朝着商业化的方向发展，形成大电网和分布式发电相结合的新方法。

一、分布式发电系统的电能质量参数分析

电网的最佳状态是在安全性与可靠性的基础上实现稳定供电，但电力设备的非线性负荷运行与电网的不对称性易引起电压偏差、频率波动等各种问题，为用户造成较大损失，在某种程度上降低了电网的安全系数，因此，需对电力系统的运行情况进行实时监测，准确掌握电能质量参数信息至关重要。

（一）电压有效值

在整个电力系统之中，电压是非常关键的物理量，电压的正常与否与系统的正常运转息息相关，甚至影响到用户的生命与财产安全，可使用定义法对电压有效值进行测算，从定义角度进行推导。其推导公式为。在探究电力系统电压质量时，还具有一个重要的指标，即电压偏差，是指当电力系统的电压出现改变后，实际的测量电压和电网系统中的额定电压不符[1]。

通过研究系统电压质量，有利于电网规划改造技术的发展，修正无功电压曲线，一般情况下，电压合格率有三种计算方式，分别为：一，测算监测点的电压合格率;二，测量主系统电压合格率;三，监测供配电系统的电压合格率。

（二）电流频率偏差

因为电网系统中的频率不断发生着改变，供电系统的有功功率和实际需要的有功功率难以实现平衡，这会引起系统中的频率出现变化，这种变化即频率变化，是指实际频率和标称之间的差异。公式为Δf=fr-fs，在正常运行状态下的电力系统，其允许的误差是0.2赫兹，若系统容量偏小，则允许误差为0.5赫兹，频率的正常与否决定着电力系统正常运转。因此，还存在着很多物理量用以衡量系统频率是否正常，比如频率合格率。

（三）三项不平衡度

供电系统在正常运转时，三项不平衡度的允许值要小于概率衡量值的95%，若系统存在较大波动，要和系统实际测量的算术平均值对比，当波动范围较小时，保证在概率值95%以内即可，短时允许值是在任何时候都不可超过的极限，确保自动装置的正确动作。一般情况下，三项不平衡度要用到正序和负序分量方均根值，公式为。

（四）电压波动与闪变

电力系统中的供电电压不断变化，电压调幅波会呈现规律性或随机性变化，一般来说波动范围在0.95至1.05pu之间。波动值能够标识电压波动特性，可通过电压极大值与极小值、标称电压表示出来，公式为，根据有关规定，在不超过10kV的低压配电网中，相比于平稳时的电压波动是2.5%，中压电网是2.0%，超過220kV则为1.6%，若动态电压波动值高于3%时，持续时间低于200毫秒，最高不超过4%。闪变包括瞬时闪变视感度S（t）、短时闪变值Pst长时闪变值几种参数P1t。S（t）能够表示瞬时值与时间的相互关系，瞬时值曲线可应用在闪变评估中，一般情况下，闪变觉察率为50%。负荷有着一定的随机性，电压波动的检测事件一般超过10分钟，Pst为表示电压波动特性的参数，可制作出函数CPF曲线，通过5个典型值进行求解。P1t是通过短时闪变值的综合求解得出[2]。

（五）互感器通道矫正

有很多算法被应用在电力系统分析过程中，比如Prony算法、希尔伯特黄变换和神经网络算法等。对互感器进行建模，将分布式发电系统互感器参数进行函数辨识，因为实际中互感器仿真运算所得到的波形会夹杂着谐波，造成失真，需借助算法进行相应的处理，实现对互感器通道的校正。

二、分布式发电系统的能效管理系统设计

（一）电容分配

在制定电容容量的分配方式过程中，存在等容分配与不等容分配两种方法，等容分配是当系统总容量确定后，将总容量合理分成几份，若份数多，则每组容量较小，电容数量也偏多，这种方法具有灵活的优点，但所需成本偏高，并占地面积大。若每组的电容容量较大，会导致补偿或欠补偿。

不等容分配是指各个小组的电容容量均不同，要按照具体情况进行设计，通常情况下，各组容量比例为1：2：4：8.这种方法还有助于提升系统性价比，并降低系统体积，适合用在分布式发电系统中。

（二）控制算法

无功功率检测算法是基于电路原理基础上得出的，实现起来比较容易，但只适用于正弦电路中，但分布式发电系统中包含很多非线性电子器件，导致产生较大的谐波。

在设计无功补偿系统过程中，关键在于精准测出无功电流，瞬时无功功率为三项电网中最为常见的无功电流方法，要保证电压对称、并且电流未出现畸变，获取无功功率比较简便，把有关功率设为零就可以，借助反变换可以将无功电流加入到三项坐标系中，因为分布式发电系统中的电压波动较大，随之要求也偏高，要保证准确性与实时性，传统方法虽然简便，但精度不足，不适合用在分布式发电系统中，通过瞬时无功功率检测法能够迅速得到无功电流，实现对各区电压与无功功率的有效控制。

（三）系统硬件设计

使用计量芯片收集数据，借助专用芯片可以对信号开展高精密度测量，通过转换器对模拟量进行采集并传输，可同时测量三项电压与电流信号。在系统中运用电压、电流互感器开展电气隔离，避免系统中较大输出电压和电流导致芯片损坏，提升安全系数，利用互感器对待测信号进行收集，再传输至微控制器中实行测算。搭建抗混叠滤波器可提升电路稳定性，并过滤不必要波形，还可在收集数据过程中降低温漂，互感器中的取样电阻是100欧姆，输入信号量程大，可将电流信号转变为电压信号，芯片收集互感器的信号，达到电气隔离的目的。应用低电平触发复位子系统，当系统发生故障时，可利用复位电路实现重新启动，在这个过程中，电容放电减小电压，加入控制器，触发控制器复位口低电平，实现复位效果[3]。

因为元器件供电的电压较小，并且为直流电，但常用为交流电，并且电压较高，所以要加入变压器进行降压，利用稳压芯片使电压更稳定，以免电压不稳对元器件造成影响。在电源后端放置发光二极管可以检测电路的工作状态，当系统通电后，灯亮意味着没有问题，滤波整流后可得到5V的输入电压，再增设稳压电路，让MCU能够接收3.3V的工作电压，适当减少稳压器的输入和输出电压，可避免由于因数值相差过多致使系统不稳。

使用液晶显示屏作为显示模块，具备并行与串行两种通讯模式，内置转换电力，直接接入电源与底线，此模块能够直接处理数据，简化了编程设计。计量芯片和微控制器经过六条数据线相连，包括复位线、握手数据线和四条SPI线，SPI线被用于传输数据，在编程过程中还要同I/O口相连。

（四）实验测试

将设计好的系统投入实验，将12V大小的开关电源和系统连接，利用断路器等方法保护回路，采用适当方法精准控制电容，当负载和系统连接后，可自行对电参数进行检测，将电容加入电路中。投入电容后，需将功率因数变化值进行统计，对测试结果进行深入分析。

结论：

可再生能源可以有效解决能源危机与环境恶化的问题，但使用过程中存在很多问题，限制了发展，要加大研究力度，掌握可再生能源分布的规律，再运用合适的方法进行推广，可大幅度提高使用效率，减少资源浪费，开发能源互联网，保障分布式发电系统的正常供电。

参考文献：

[1]焦迎雪.智能电力装备控制系统在分布式发电系统中的应用与研究[J].信息技术与信息化，2021（03）：227-229.

[2]张琦，都成刚.逆变型分布式发电系统孤岛检测方法的研究[J].自动化技术与应用，2021，40（02）：119-123.

[3]罗威.论述分布式发电对配电网继电保护及自动化的影响[J].电气技术与经济，2021（01）：19-21.