分布式电源接入条件下配电网电能质量研究

于旭东 李 强

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州450003）

0 引言

随着我国智能电网建设进入重要阶段，分布式电源、电能质量近年来受到了越来越多的重视。继2012年国家电网公司启动分布式光伏发电支持政策之后，2013年国家电网再次发布《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》（以下简称《意见》），进一步将示范扩大到天然气、生物质能、风能等新能源形式。传统的配电网被规划为“被动的或无源的”，从设计和运行上电能都只是单方向流动，即从高压的电源侧流动到低压的负荷侧。随着分布式电源（或分布式发电，本文不作区分）的出现，配电网从被动、无源的网络转变为主动、有源的网络，以往单纯的负荷节点变成了有时是电源有时是负荷，如在正常运行时可能需要电网提供部分功率，但在电网或者分布式电源与电网之间的连接线上发生故障时，却表现为电源。大量的基于新能源的分布式发电通过电力电子设备与配电网相连，配电网的负荷特性也表现出越来越复杂的变化，这必然会对原有配电网的运行、控制、保护等方面产生影响。

《意见》中对分布式电源的定义是：位于用户附近，所发电能就地利用，以10 k V及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6 MW的发电项目。包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等类型。

从发电角度而言，分布式电源的技术早已完成实用化，快速发展并走向商业化，在国外也早已有大量的分布式电源并网运行。相信随着技术的不断发展以及国家政策支持的不断加大，分布式电源会取得越来越快的发展。同时应当看到，配电网的发展并没有因为分布式电源的接入而在网络结构、设备配置、运行管理水平上有快速的发展。当前对于配电网的规划、建设、管理仍然按照传统的格局进行，这就为分布式电源接入后带来诸多影响埋下了隐患。

1 分布式电源接入后对电能质量产生影响的关键因素分析

1.1 分布式电源自身的特性

分布式电源因所利用的一次能源类型的不同而表现出不同的特性，如风力发电受风力影响表现出输出功率不稳定等。这些分布式电源或受气候等自然条件影响，或受时间限制，发电时间及输出功率并不能有效控制，有时还不得不退出运行。

分布式电源的另一个特点是广泛的私有化。当前和未来，都会有大量的分布式电源为私有性质，从而导致电网公司或供电部门不能有效控制这些分布式电源，分布式电源的拥有者或管理者可以随时将分布式电源投入或者退出，这就为供电或电网的规划、运行和管理带来了困难。对于发电容量，需要同时考虑分布式电源投入与退出2种情况，从而增加了建设发电计划的复杂性。

1.2 分布式电源的渗透率

分布式电源渗透率是指分布式电源发出的功率在区域内短路容量的比重。当前接入条件下，仅是对单个接入的分布式电源容量进行限制，虽然单个容量不大，但随着数量的不断增多，渗透率会越来越大，对配电网的影响也会越来越大。而由于分布式电源的自身特性，特别是设备故障、线路故障等原因而导致突然停运等特殊情况时，将会对系统产生较大的影响。

1.3 不同类型电源的组成

不同类型的分布式电源，可能在同一配电网络中同时存在，但会由于自身特性的不同而导致对电能质量的影响也不相同。多种类型的分布式电源综合作用，将导致对电能质量的影响复杂化。以电压波动为例，风电、光伏等有可能导致电压波动问题的严重化，而其他分布式电源的增多又同时会提高短路容量，弱化电压波动问题。

1.4 负荷特性

对电能质量的研究，必须考虑负荷特性。一方面，负荷特性与分布式电源、配电网络共同作用影响电能质量；另一方面，电能质量是否作为问题最终由负荷的需求决定。

以某铝厂为例，分析负荷特性对电能质量的影响。该铝厂使用电弧炉进行冶炼，并配备分布式电源作为自备电厂，通过配电线路与电网相连。不利方面：电弧炉是典型的谐波源，即使电网提供较高质量的电能，也会由于电弧放电导致的电流畸变使得连接点的电能质量较差，同时随着电弧率功率的变化，电压畸变、电流畸变的程度也不断发生变化。由于谐波的严重性，甚至会导致与谐波源采用同一条线路供电的其他用户电能质量非常差。有利方面：这类负荷对于电能质量的要求并不高，主要关心的是供电可靠性指标。此外，此类企业有大量的电能需求，是供电企业的重要用户，同时对电价敏感，只要给予适当的阶梯电价，就可以有效地调节其分布式电源发电时间及负荷的用电时间。

而不同类型的负荷也对电能质量有不同的要求，如需连续生产的企业，对供电可靠性的要求较高，因此对电压暂降、短时停电等都难以接受；居民用户对主要用电时段的供电可靠性、电压偏差、电压波动与闪变反映强烈；谐波会对与大量采用电机、变压器的用户有不利影响等。

2 分布式电源接入后对电能质量产生影响的结果

分布式电源接入后，会对配电网电能质量会产生多方面影响，其影响有好的方面，也有不利的方面。

2.1 供电可靠性

供电可靠性是电能质量的最重要方面，是考核供电企业的重要指标，也是电力用户反映最为强烈的问题。分布式电源的接入对配电网的供电可靠性既有有利影响，也有不利影响。

分布式电源可以灵活快速投入的优点对提高供电可靠性有重要意义。首先，可以在负荷与主网之间因故障等原因而断开的情况下，保障全部或部分重要负荷的供电。这对于因为灾害等原因导致的多条线路或部分电网发生故障极为重要，也是近年来分布式电源能够得到各方关注与快速发展的重要原因。其次，可以在功率不足时快速投入，避免因为功率不足导致的负荷切除。此外，在发生大范围故障后的恢复供电过程中，可以为黑启动提供最初的功率支持，能够有效缩短启动时间。

分布式电源对于供电可靠性的不利影响，主要是由间歇性能源以及私有化问题导致的。这2个问题都可能导致分布式电源的随时退出或者不能有效投入运行，从而降低依靠分布式电源供电负荷的可靠性。

2.2 电压偏差

分布式电源接入，在配电网中作为电源存在。依据采用发电技术类型的不同，其会产生或消耗无功功率，从而提高或者降低节点的电压。

考虑到电源的性质不同，可能吸收或者发出无功功率，特别是通过逆变器的分布式电源（如风电、光伏系统等），可以在一定程度上改变输出的无功功率。因此，电压偏差的程度，需要综合考虑电源性质、系统阻抗情况、接入点位置、配电网特性等来综合确定。

同时，诸如利用风能、太阳能、潮汐能等发电的分布式电源，还会受到自然条件的影响而使输出功率发生变化。而分布式电源的私有性质更决定了其可能突然的投入或者退出，这些都为电压的变化增加了不确定性，从而导致电压升高、电压暂降问题的发生。

2.3 电压波动与闪变

多种分布式电源会导致电压波动与闪变问题，这是由电源本身的特点造成的，特别是受自然条件影响的分布式电源表现更为突出。

风力发电极易引起电压波动与闪变的发生，在以风电作为分布式电源的地区，特别是风电渗透率较高的地区，更容易引发电压波动与闪变。一方面，风电场风速的变化会导致发出功率的变化；另一方面，对于下风向风力机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，塔架干扰流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，从而会导致风机出力波动，进而影响功率的输出。

同样受自然条件影响的还有光伏系统，日照条件的不同会导致输出功率的波动，特别是对于在一定区域内集中布置容量较大或数量较多光伏系统的地区，由于渗透率较高，且周围自然条件基本相同，会导致输出功率同时的波动，从而导致电压波动。

2.4 谐波与间谐波

大范围的分布式发电系统通过电力电子设备接入配电网，会不可避免地为配电网注入谐波。谐波的类型和严重程度取决于电力电子技术和逆变器连接配置。国家标准与IEEE P1547等国际标准都对总谐波失真提出了限制，一般是对分布式电源或者微网与配电网的公共耦合点PCC进行规定，而对于主要由分布式电源直接供电的地区，其谐波含量有可能超过标准要求。

2.5 三相电压不平衡

与传统的发电系统采用三相发电不同，分布式电源系统，如小型光伏发电系统，会采用单相发电的方式接入低压电网，可能导致不平衡问题更加严重。三相不平衡问题会导致电能损耗增加，是电能损耗的重要原因，此外还会产生零序电压，从而导致与零序相关的继电保护正确动作。

3 总结与展望

除以上方面外，随着分布式电源的大量接入与逆变器单元的不断增多，一个亟需解决的问题便应运而生，这就是基于逆变器接入电网的分布式电源的故障特性。随着分布式电源数量的增多，发生故障的几率也会不断增加，而包括最大冲击电流、衰减时间常数在内的重要参数等都需要进一步确定，从而保障分布式电源接入条件下，对电能质量、保护等方面不产生负面影响。

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［2］薛迎成，邰能灵.国际上分布式电源的互联标准介绍［J］.南方电网技术，2008（6）

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