分布式电源接入对配电网电能质量影响的研究

姚文博

摘 要：随着分布式电源在配电网的渗透率日益增加，分布式电源接入对配电网带来的电能质量影响愈发突出。通过对配电网中的分布式电源技术进行总结，详细分析了分布式电源接入对配电网造成的电压偏差与波动，谐波污染以及三相不平衡等电能质量问题的产生原因与危害，在此基础之上，深入探讨了分布式电源的接入对改善配电网电能质量的优势与作用。

关键词：分布式电源；电能质量；配电网

中图分类号：TM732 文献标识码：A

0.引言

随着国民经济的发展，近年来电网规模不断扩大，用电负荷总量急剧增长，集中式大容量的传统电力系统一些无法忽视的弊端逐渐暴露出来：大面积停电事故屡发不止，偏远地区输电费用过高，无法灵活跟踪负荷变化等。此外，世界性的能源危机与环境污染，让各国对可持续发展，节能减排，环境保护等问题日益重视。基于以上原因，为了减少远距离输电的电能损耗，就地实现能源的开发与利用，一种高效、灵活、清洁的新型发电技术—分布式发电成为了电力系统的新兴研究热点，引起了世界范围内科学研究工作者的广泛关注和研究。

然而，随着分布式电源在电力系统中的不断渗透，分布式电源接入对传统电力系统产生系统稳定性、电能质量、继电保护等方面的影响相继暴露出来。其中，随着社会和经济的发展，人们对于电能质量的要求不断提高，而许多电能质量新问题也随分布式电源的接入而产生，因此，通过研究分布式电源接入对配电网电能质量的影响将更好地指导我们如何充分发挥分布式电源的优势，并对其进一步发展和应用以及维护电力系统运行的可靠性和稳定性具有重大的意义。

1.分布式电源技术

分布式电源，通常是指接入35kV及以下电压等级，容量为数千瓦至几十兆瓦的小型模块式、与环境兼容的独立电源。这些小容量的发电装置可以直接连接在配电网上，甚至可以直接安装在每个居民家中，主要包括燃料电池、微型燃气轮机、小型风力发电、储能设备、光伏发电等。

相对于传统的大容量集中式发电厂，分布式电源的优势在于可以充分开发利用各种分散存在的可再生能源（如风能和太阳能等）和清洁能源（如天然气），对节约资源、环境保护和人类可持续发展具有重大意义。其次，分布式电源容量较小，接入电网的操作简单，控制灵活，直接接入用户附近，可以大大减少输电线路的电能损耗。除此之外，分布式电源非常适合为那些远离大电网的如海岛等偏远地区供电，形成独立的发用电系统，非常具有实用价值。

2.分布式电源接入对配电网电能质量的影响

电能质量指的是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。电能质量的内容包括电压波动与闪变、三相不平衡、频率偏差、电压偏差、暂时或瞬态过电压、谐波、电压暂降等。分布式电源的接入对配电网电能质量的影响主要表现在电压偏差和波动，谐波污染和三相不平衡。

2.1 电压偏差

电力系统电压偏差是指网络中某点的实际电压值同该处的额定电压值之差，一般以额定电压的百分数表示：

电能质量国家标准《电能质量供电电压允许偏差》中规定：10kV及以下电压等级的供电电压偏差范围为额定电压的±7%。

集中供电的传统配电网的结构一般呈辐射状，在配电线路上，电能从电源向负载单方向流动。稳定运行时，电压沿着配电线路是逐渐降低的。而分布式电源接入后，相当于在负荷侧接入电源，对原来电网中电源的供电需求会降低，导致配电馈线上的传输功率减小。除此之外，由于分布式电源输出的无功支持，会使配电馈线上的各节点处的电压被抬高，一些负荷节点处的电压便因此产生偏差，电压偏差的程度取决于分布式电源接入的位置及容量的大小。

配电网出现电压偏差，许多设备的正常运行将会受到影响，使生产线程序紊乱，造成产品质量下降。实际电压偏高，将对设备造成过电压，威胁设备绝缘，降低设备使用寿命。实际电压偏低会造成敏感设备停止运行或不正常运行，严重时甚至无法重启，设备长时间不能恢复正常工作会造成严重损失。

2.2 电压波动

电压波动是随着系统中的波动负荷而产生的一种电压随机变动。电压波动衡量方法为为电压方均根值曲线上相邻的两个极值之差，然后与系统额定电压的比值。

分布式电源受气候和环境的影响较大，其输出的不确定性会造成所接电网产生明显的电压波动。其中以风能、太阳能受环境的变化影响最为严重。在正常运行情况下，如果环境突然发生变化，如光伏池板上空突然有乌云飘过，或者忽然刮起大风等，都会造成这些分布式电源输出功率发生变化，进而使电网产生电压波动。

配电网出现电压波动，将引起照明灯光闪烁、电视机画面亮度变化，引起人的视觉不适和疲劳，进而影响视力；还会引起电动机转速不均匀，危害电机运行和寿命；此外，电压波动还会影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果，导致实验无法进行。

2.3 谐波

供电系统谐波的定义是对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。波形畸变现象的产生主要是由电力电子设备，以及其他非线性负荷造成。国标《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）中规定0.38kV低压配电网的谐波电压总畸变率上限为5%。

由于分布式电源一般通过换流器等电力电子设备并网。如光伏发电需要使用逆变器将直流电变为交流电并网，风力发电需要使用变频器控制其受风速影响的电压和频率进行并网。而电力电子设备作为典型的非线性负荷，电力电子器件频繁的导通与关断容易在其开关频率附近产生大量谐波分量，这些谐波电流注入电网，将会对配电网造成谐波污染，并且越靠近开关频率，谐波分量就会越大。

分布式电源接入导致的配电网谐波污染会使电网元件产生附加的谐波损耗，影响各种电气设备的正常工作，如使变压器局部严重过热，使电机产生机械振动、噪声和过电压，使电缆和电容器等设备过热、绝缘老化，以致损坏。除此之外，谐波还会干扰通信，造成自动化装置误动作。特别需要强调的是，谐波会引起电网中的局部谐振，使对应次数的谐波放大，上述危害大大增加，引起严重事故。

2.4 不平衡

理想的三相交流电力系统中，三相电压应有相同的幅值，且相位角互差120°，这样的系统叫做三相平衡系统。电力系统出现不对称故障，或者三相元件或负载不对称等都会造成电力系统三相不平衡。电力系统中采用不平衡度描述电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。国标《电能质量三相供电电压允许不平衡度》（GB/T15543-95）中规定：电力系统公共连结点正常电压不平衡允许为2%，短时不得超过4%。

3.分布式电源接入对配电网电能质量的改善

虽然分布式电源接入对配电网电能质量带来一系列不利的影响，但是由于其灵活的控制方式，分布式电源也存在改善配电网电能质量的能力。

3.1 改善配电网电压质量

首先，分布式电源安装在电力用户附近，既能方便地实现有功功率就近提供，也能方便地进行无功功率就近补偿，可以大大减少输电损耗。分布式电源的接入会增大配电网的短路容量，配电网中因负荷波动引起的电压波动会得到一定的抑制和削弱。其次，分布式电源的并网变流器控制灵活，通过对其进行适当地控制，可以控制接入点电压，等效于并入STATCOM，通过对并网变流器的控制，在实现电能的传输转换的同时，在一定程度上还会灵活地改善配电网内的电压质量。另外，很多分布式电源在接入电网时都配备一些相应的补偿装置，来改善因分布式电源投入而引起的电能质量问题。

3.2 增加系统可靠性

由于分布式电源的容量较小，位置较为分散，控制较为灵活，通过适当的控制，分布式电源能够迅速地进行投切，因此具有应急和备用功能，增加系统可靠性。当配电网发生故障时，分布式电源不仅能够继续保持运行，还可以转做备用电源，在适当控制条件下会尽可能时间短的投入使用，对减小停电范围、缩短停电时间都具有很大帮助，从而增加整个系统的稳定性。

结论

（1）分布式电源作为一种高效、环保、灵活的新型发电技术，在电力系统中的应用越来越广泛。

（2）由于分布式电源出力的波动性以及并网机组的非线性，分布式电源的接入将会对配电网造成电压偏差、电压波动、谐波污染、三相不平衡等电能质量影响。

（3）由于分布式电源和电力用户距离近，容量小，数目多，位置分散，控制灵活，对改善系统电压质量，增加系统可靠性具有潜在优势。

参考文献

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[3]易桂平，胡仁杰.分布式电源接入电网的电能质量问题研究综述[J].电网与清洁能源，2015，30（6）：38-46.