微电网电能质量问题及其改善措施研究

贾 豫 左亚锋 赵 华

榆林电力投资有限责任公司 陕西 榆林 719000

在当今的电力行业中，微电网系统已经成为了不可忽视的存在。微电网是指基于分布式电源所建立的小型电力系统，它具有相对独立的系统运行特征，能够提供高质量的电力，不仅可以向主电网提供电能，还可以向本地负载提供电力。然而，随着微电网系统的广泛应用，其电能质量问题也日益凸显，例如微电网的电压稳定性、频率稳定性、谐波问题以及电力波动等都需要得到改善，以提高其可靠性和稳定性，更加满足用户的需求。因此，研究微电网电能质量问题及其改善措施具有重要的理论意义和实际应用价值。

1 微电网的定义及其特点

微电网是指由多个分布式电源和负荷组成的电力系统，旨在实现在其本身和主电网之间进行协调、控制和管理。微电网的特点在于它具有自主的控制和管理能力，能够在单独运行或和主电网联合运行的情况下，为用户提供高质量、低成本和可靠的电力服务。随着可再生能源技术的迅速发展，微电网的应用也越来越广泛，尤其是在偏远地区和岛国等地区的电网供电方面具有显著的优势。同时，微电网也成为应对能源安全、环境保护、灾害防范等问题的有效工具。据国际能源署数据显示，到2030年，全球微电网市场规模预计将达到220亿美元，年复合增长率将达到10.8%[1]。

微电网的特点主要表现为以下几方面。一，储能能力强。微电网可以通过各种能源存储技术，如电池、超级电容器、储能飞轮等实现能源的储存和调节，从而实现电网的稳定性和可靠性。二，接入性强。微电网可以连接不同类型的能源资源，如太阳能、风能、生物质能等可再生能源，以及还有传统的化石燃料能源。三，网络化程度高。微电网可以通过智能的电网控制系统，实现与主电网、其他微电网以及电力用户之间的互动和协作。四，可靠性强。微电网可以通过内部的电力设备和电网控制系统，实现对电力系统的自我保护和自我修复，从而提高电力系统的可靠性和韧性。五，灵活性强。微电网可以根据用户的需求和环境的变化实现电力系统的灵活性和可调节性，从而提高电力系统的效率和经济性。

图1 微电网示意图

2 微电网的电能质量问题

2.1 电压波动

电压波动是微电网中的常见电能质量问题。电压波动是指电网中电压在短时间内发生较大幅度的变化，超出了电器设备所能容忍的范围，这可能会导致设备的故障或损坏。电压波动会对电力系统的稳定性和可靠性造成严重的影响，进而影响到用电设备的正常运行，甚至可能会引发事故。微电网电能质量问题中的电压波动可能是由以下这些因素引起的。首先，微电网中可能存在多种分布式电源，如光伏发电、风力发电等，这些分布式电源输出会受到天气、环境等因素的影响，进而导致电网中的电压波动[2]。其次，负载的突然变化也会引起电压的波动。例如，当负载突然增加时，电网可能无法及时进行响应，这就会导致电压的下降；而当负载突然减少时，电压可能会突然上升。最后，电网中的故障，如设备损坏、短路等，也可能会导致出现电压波动的问题。

2.2 谐波扰动

微电网中存在着谐波扰动的电能质量问题。谐波扰动是指电网中存在频率为整数倍基波频率的非线性电流或电压成分，这些成分会引起电压和电流的畸变，进而会对电力系统和用电设备造成不良的影响。微电网的谐波扰动电能质量问题可能是由以下这些因素引起的。首先，微电网中的负载通常由电子设备组成，这些设备会引入非线性特性，进而就会产生谐波电流。常见的非线性负载包括电子器件、电磁设备等。其次，分布式电源也可能存在输出电流中的谐波成分，尤其是逆变器等功率电子设备。最后，微电网中的谐振现象也可能导致电网中谐波电流和电压的产生和扩大。谐波扰动对微电网的电能质量主要造成了以下这些方面的影响。首先，谐波电流会增加线路和设备的额定电流，进而可能导致设备过热、电网过载。其次，谐波电流经过电力设备时，会引起设备的损坏，例如变压器的局部绕组过热、电容器的寿命缩短等。最后，谐波电流还会引起线路的电能损耗增加，降低电能的有效使用率。

2.3 电流不平衡

微电网还会出现电流不平衡的电能质量问题。电流不平衡是指三相电网中的电流不均匀分布，即三相电流的幅值和相位存在差异。这种电流不平衡问题可能是由以下这些因素引起的。首先，微电网中的负载可能存在不均匀分布的情况，这种情况进而又会导致三相电流的幅值和相位不平衡。其次，微电网中的各分布式电源的输出功率不均匀，这可能会导致电网中电流不平衡。最后，电网中的线路参数不一致、阻抗不平衡等原因也会导致电流分布的不均衡。电流不平衡又会对微电网的电能质量造成不良的影响。首先，电流不平衡会引起电网中的电压波动，使得电压可能超出电器设备的耐受范围，进而影响了设备的正常运行。其次，电流的不平衡会导致无功功率的增加，从而造成电能的浪费[3]。并且电流的不平衡还可能导致某一相的电流过大，进而造成设备过载、温升过高的现象，甚至会出现设备损坏的情况。此外，电流的不平衡还会引起谐波电流的产生和扩大，进而会造成谐波扰动问题的出现。

2.4 电能质量差

微电网的电能质量污染通常指微电网中存在的电磁干扰、谐波、高次谐波、电流浪涌等问题，这些问题可能会对微电网的设备和系统产生不良的影响，甚至会对人体的健康造成危害。电能质量污染主要包括以下这些方面的问题。一，谐波污染。谐波污染是指电网中存在频率为整数倍基波频率的非线性电流或电压成分，这些谐波电流和电压会引起电能质量的畸变，进而对电力设备和用电设备造成危害。二，电压失真。电压失真是指电网中电压的波形失真，可能是由于非线性负载、电力设备故障等原因引起的，电压失真会对用电设备的正常运行产生不良的影响。三，电流不平衡。电流不平衡是指三相电网中的电流不均匀分布，可能导致设备过载、功率损耗增加等问题。四，电磁干扰。电网中的电磁干扰可能会对无线通信、广播电视等电磁设备造成干扰，进而影响通信和广播的质量。电能质量污染主要会对微电网造成以下这些方面的不良影响。首先，电能质量污染可能会引起设备的故障和损坏，增加设备维修和更换的成本。其次，电能质量污染会导致电力设备的正常运行出现问题，使得使用的电力质量下降，进而影响到用户的工业生产和生活用电质量。此外，谐波污染和电磁干扰还可能会对人体的健康产生危害，引发头痛、眼睛疲劳、失眠等健康问题。

3 微电网电能质量问题的改善措施

3.1 应用电力电子器件和控制技术

电力电子器件作为微电网中的核心部件，具有调节电力的功效。在微电网中，利用电力电子器件的多功能性，可以有效地改善微电网的电能质量。例如，使用开关调光器等调节电力的装置，可以有效降低电压波动和电压谐波的问题，提高微电网的电能质量。此外，微电网还可以利用现代的控制技术来实现对微电网的稳定控制[4]。通过利用先进的控制技术能够实现对微电网中的需求和能源的平衡控制，从而达到改善微电网电能质量的目的。

3.2 增加电容器和滤波器的使用

由于微电网中的电荷和负载变化较大，会产生较大的电压波动和电流谐波，进而影响电能质量。因此，在微电网中适当增加电容器和滤波器的使用是有效改善微电网电能质量的方法之一。电容器作为一种经济有效的电力电容元件，在微电网中可以用来改善电压波动和电压谐波的问题。通过在电容器电路中加入适当的电阻、电抗等元件，可以有效滤除高频谐波成分，提高微电网的电能质量。滤波器则是一种用来滤除电力系统中所含频率的电路，主要用于消除电力系统中所含谐波、闪变等噪声，并控制电网的无功功率的漏电容器。在微电网中，通过在微电网中引入合适的滤波器，可以显著降低电压谐波和电流谐波的含量，从而改善微电网的电能质量。

3.3 优化传输介质

要想改善微电网的电能质量问题，还需要优化传输介质。传输介质包括电缆、变压器、开关、接头等，在传输电能的过程中可能会产生一些电能质量问题，例如电压波动、电流谐波等。因此，需要选用质量好的电缆、变压器等传输介质，这样能够大大减少电能质量问题的发生。同时还要对传输介质进行定期的检测和维护，有助于保持其良好的状态，减少电能质量问题的发生。

3.4 调节能量存储装置和负载平衡

在微电网中，能量存储装置也是一个十分重要的部件。通过合理地调节能量存储装置的运行，可以有效地改善微电网的电能质量。例如，调节能量存储装置的充放电状态，可以有效降低微电网电压波动和电压谐波的问题，进而提高微电网的电能质量[5]。此外，微电网中负载平衡也是改善微电网电能质量的关键。通过合理地调节微电网中各个负载的使用时间和能量消耗量，可以实现负载的平衡，从而有效提高微电网的电能质量。

3.5 建设电能质量监测系统

建设电能质量监测系统可以对微电网中的电能质量进行实时监测和分析，及时发现并解决潜在的电能质量问题。建设电能质量监测系统主要有以下几个步骤。首先要在微电网关键节点处安装电能质量监测设备，例如电能质量分析仪、功率质量分析仪等，对电压、电流、功率因数等参数进行实时的监测，并对异常情况进行报警提示。其次要建设数据采集和处理平台，对监测到的电能质量数据进行采集、存储和处理。通过对数据的分析可以及时发现并解决电能质量问题，为微电网的正常运行提供技术支持。最后还可以通过电能质量监测系统对微电网中的电能质量进行管理和控制。通过建立电能质量管理标准和指标体系能够确定电能质量管理的目标和要求，制定相应的电能质量提升方案，不断提升微电网的电能质量水平。

3.6 制定电能质量标准

制定电能质量标准可以明确微电网的电能质量要求，提高微电网的供电质量，保障用户的用电质量。因此，首先需要针对微电网的用途和运行特点，制定相应的电能质量标准。电能质量标准应包括电压、电流、频率、谐波、电压暂降等各项指标。其次要建立电能质量检测机构对微电网的电能质量进行检测和评估，并对检测结果进行分析和比对，以便及时发现和解决电能质量问题。最后，随着微电网的不断发展和用途的扩大，还需要不断提高电能质量的标准。为了满足用户的用电需求，应根据实际情况逐步提高电能质量标准，保障微电网的正常运行。

3.7 加强电能质量方面的教育和培训

通过提高从业人员和用户的电能质量意识和专业技能，可以有效预防和解决电能质量问题。主要可以从以下这些方面来进行。第一，要针对微电网从业人员开展电能质量的相关教育培训，包括电能质量基础知识、电能质量标准和规范、电能质量监测和分析方法等方面的培训。培训内容可以通过面授、网络教育等多种形式进行。第二，要建立专业的电能质量技术支持和咨询服务机构，为微电网用户提供电能质量方面的技术支持和咨询服务，包括解答用户关于电能质量问题的疑问，提供相应的解决方案等。第三，还需要通过组织宣讲、培训班、研讨会等形式向公众和用户普及电能质量知识，提高用户对电能质量的关注和认识。同时也可以通过宣传推广来提高用户对优质电能的需求和意识。

4 结语

综上所述，微电网的电能质量问题一直是制约其发展的一个重要因素，因此需要针对这一问题采取一系列有效的改善措施，从而提高微电网的电能质量，实现微电网的可靠和稳定运行。