分布式风电并网系统的状态稳定及电能质量改善研究

袁钢

摘 要：随着社会的不断向前发展，当前人们的生活水平变得越来越高。为了保障生活质量，当前人们对可持续发展及环境污染的相关问题变得越来越重视。而分布式发电技术由于其在实际应用中对生态环境的友好性，受到了人们的广泛重视。当前，可再生能源技术不断向前发展，已经成为世界范围内能源研究的重要方向之一。

关键词：分布式风电并网系统;状态稳定;电能质量;改善

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.023

随着DG技术的不断向前发展，当前很多大容量分布式电源并入了电网当中。然而由于技术上的局限性，当前一些设备在实际应用中依然存在缺陷，比如微型燃气轮机及燃料电池在应用中，相应的响应速度相对较慢，而风力发电及光伏发电会由于周边生态环境的变化，无法稳定输出电能。DG容量小、电压等级低，而且大多数都在配电网中并入电力系统。因此，DG的并入将会给配电系统带来很多问题。

目前，江阴局部地区风电和光伏发电存量大，待并网需求大，在只考虑分布式并网、接入方案按现有规定的情况下，根据当地电网情况（上级电网潮流、变电所主变容量等），保护、机组无功补偿、消谐装置人工计算后合理配置是当前可行的[1]。文章从电压方面保障电网的稳定性着手，对分布式风电并网系统的战略稳定及电能质量改善进行了研究。

1 DG变网并网存在的问题

DG一旦在配电侧并入电网，必然会对电网运行的稳定性产生一定影响，甚至会破坏整个供配电系统控制等。为了保障人们的用电安全及用电稳定性，传统的配电网规划方法已经无法满足分布式风电并网系统的实际需求，因此有必要改革其规划方法。

就一般情况而言，DG并网通常是和配电网并列运行的，但这种做法很可能导致电力网络出现并网控制不良等问题。DG有多种相应的并网技术，一般可以将其分为直接相连、间接相连两种方案。因此，对于如何并网才能进一步减小对电力系统产生的冲击，已经成为当前研究工作的重点内容之一。并网工作结束后，才能根据用户实际需求，调节相关控制工作，进而保障电能供应质量[2]。

1.1 对系统电压的影响

当引入DG量较小时，并不会对整个电网的正常运行产生太大影响。但是，当电网中存在大量DG时，会对电力系统的各项参数产生极大影响。例如，在稳态运行下，由于馈线上传输功率不断减小，馈线沿着馈线的各复合节点电压将被进一步抬高。

1.2 对电能质量的影响

DG技术的应用将会对电能质量产生局部影响。首先会产生谐波，其次会使电压发生一定的闪变问题。不同情况下，DG接入量的多少，都会对电能质量产生影响。就一般情况而言，当接入DG后，电网传输电能质量可能产生两种变化：第一，电力网络输送电压的谐波很可能出现畸变行为;第二，电力网络输送的电压很可能出现闪变现象。

在不同条件下，DG会对电能接入产生提高或降低系统电能质量的影响。同时，DG在投入和退出过程中，会由于不同步或者功率缺额等原因，使得系统电压产生较大的波动。出现这种情况的根本原因是DG在使用中需要通过用户产生的一些行为控制其具体动作。当用户端结合自身用电需求决定DG使用与否时，可以按照用户的自身实际需求启动和停运DG，在这种情况下配电网电压经常发生波动。因此，相关作业人员必须精准控制DG的投入及退出。

随着科技的不断进步，为使得DG的作用变得更加强大，人们会为DG加入一些电子型的电源，以此促进DG设备的发展。采用此种类型的电源会使得电压的调节和控制方式和常規方式存在一定的不同，因此，必须借助相应的控制策略及控制手段，与其紧密配合。绝大多数情况下，电力电子型的电源在其实际应用过程中极易产生谐波，进而造成谐波污染和明显的电压畸变，在此种状况下降低了电能质量。因此，必须限制引入的谐波，达到提高电能质量的效果。

1.3 对继电保护的影响

LEESTD1547规定，在线路故障后要将DG切除，然而，这一规定在一定程度上违反了安装初衷，是不可取的。

现阶段，国内外的DG并网运行规程在多数情况下要求其并网不会影响原配电网保护系统的正常运转，其运行原则包括：DG不能主动参与调压，如果配网发生故障，相关工作人员要快速退出DG，确保配网机电保护功能以及其机电保护动作的及时性和有效性。上述规定尽管在最大程度上确保系统的安全稳定运行，但是会在一定程度上局限甚至可能破坏DG的正常运行。在这种情况下，会损害DG发电商和相关用户的经济收入，因此，不利于扩大供电范围和提高供电的可靠性。

1.4 对联合电力系统电网稳定性的影响

DG对于联合电力系统稳定性的影响主要根据功率水平和发电方式决定的。在DG中涵盖了大量的电力电子设备及电容电感。因此，DG并入传统电力系统后，必然会改变电力系统的网络拓扑结构，进而使得电网的潮流发生改变。在此基础上，会极大地影响联合电力系统电网的稳定性。

除此之外，外界相关因素的干扰也极有可能使联合电网的频率和电压失去稳定性，进而在其实际运行中使整个电网系统稳定性相对较低。因此，在联合电网运行后，在各种状态下要做到故障时相互隔离，遇到外界干扰能够做到相互配合，从而确保电力系统的稳定运行。

2 DG面临问题的具体解决措施

2.1 DG电源位置和容量的确定

设置分布式系统的过程中，充分考虑各种衡量指标并且在此基础上确定发电方式，能够及时应对突发事件。设计DG电源位置必须充分考虑其周边地理环境、交通运输条件等多种相关因素。同时，还应考虑线损的消耗等相关问题，进而改善系统的经济性和可靠性。

如果总出力相对较多则会进一步增高复合比值，在此种条件下会加大电压支撑，从整体上提高电压水平。在不改变分布式电源总出力的条件下，如果将所有分布式电源连接在同一节点上，其电压的支撑效果略低于接在多个节点上的效果，主要原因是由于DG单个容量较小能够广泛地分布在线路上，从而达到较好的支撑电压的效果。

2.2 继电保护的改进

传统形式下的配电网具有庞大的特性。对于电力企业而言，彻底放弃当前已有的一些电力保护措施会遭受很大的经济损失，而根据当前已有的技术手段，在原有设备基础上加大改造力度，全面解决馈线接入后造成电力网络波动情况，将对DG的推广具有极大的促进作用。

配电网发生故障时与气垫保护的类型、数量以及其接入位置具有极其重要的关系。在进行保护改造作业之前，如果可以对DG进行系统分类，能够判定该DG是否对系统故障产生影响，从而降低改造难度，增加经济效益。

在实际应用中，如果每个DG都可以通过电流型逆变器作用的正常发挥接入电力系统，那么无论在后续使用时发生何种类型的安全事故，DG都会充分发挥作用并自动脱离电力系统，保障电力系统运行的安全性。

2.3 利用电力电子转换接口技术

无论是任何一种形式的DG都必须要解决DG电源和电网用户以及储能系统之间的接口能量转换问题。近年来，对于电力电子转换设备进行了改进和优化，然而并不能完全满足DG的要求。因此，必须开发与创新新型的电力电子转换设备，使其以较低的成本完成系统的能量转换。

目前，用于DG的电力电子接口常采用的有逆变器、DC—DC转换器、输出过滤器以及处理器。为满足成本低、可靠性高的要求，必须针对这四类接口进行模块化标准设计，按照其连接方式的不同，模块化接口可以使用不同的功率和电压等级的DG系统。变流器的拓扑结构以及控制策略必须在实践和探索中逐步形成。除此之外，电力电子接口电路提供辅助性服务给DG也要进行研究。

2.4 电能存储系统的利用

电力系统发明以来，即使经过多年的使用，在当代有关于电力系统如何对能量进行有效储存也依然是一个值得探讨的问题。而DG元部件的大量应用也是的能量储存问题进一步发展更为迫切，目前绝大部分已经应用于工业领域，同时在这一过程中也取得了相对较为理想的效果。

然而，如果人类要想使DG技术得到更好的应用，就必须要加大研究力度采取全面措施使其可靠性得到实质性的增加，只有这样才能让能量的储存量得到进一步增长。如何才能提升系统的存储能量，确保储能系统能够在安全及时的状态下吸取和释放电能，将严重影响并网系统的经济性和稳定性。

3 STATCOM-PSS控制对风电并网系统稳定性及电能质量的改善研究

当大量风电接入电网后，将会对整个电力系统的稳定运行产生极大影响。因此，如何才能采取有效措施，使得风电并网系统本身具有的稳定性及电能质量得到保障，是当前研究人员面临的主要问题。由于风能在实际应用过程中本身就具备一定的随机性，因此风电机的实际输出功率会随着风力变化而变化，从而导致电网电压产生波动或者闪变，最终使电能输送质量得不到保障。为了改善这一问题，可以通过一些能量储存装置缓解闪变问题。

3.1 STATCOM的基本原理

STATCOM技术在实际使用中，要想保障其功能的稳定性，需要以VSC为其使用基础。就性质上而言，其是自激式无功功率补偿装置的一种。在该装置实际应用过程中，由于本身具有的一系列优势，不需要借助传统的被动元件吸收无功功率;相反，该装置是直接利用直流电压元以及PWM技术，控制相应的无功功率。基于电压源变流器的STATCOM如图1所示。

3.2 STATCOM的建模与控制

根据STATCOM改善电能质量的具体情况，可以将其进一步分为提高功率因素以及调节电压两种类型，这两种类型的具体结构大致相同[3]。经过综合考虑，文章采用如图2所示的STATCOM结构控制方案。

在该控制方案中，为了保障其功能，一共包含两个级联控制回路，外面的电压控制回路独立于调整分层，而接入点则是B2的电压以及STATCOM的直流电容电压。内部的电流控制回路会产生电压分量，后续通过合理的方式方法可以将该电压分量应用于PWM模块，从而进一步产生IGBT门的控制信号。

3.3 电力系统稳定器

PSS是為了使同步电机变得更加稳定而专门设计出来的一种自动控制装置[4]。该装置可以控制电机的励磁电压。当电力系统由于风电系统的接入而产生震荡时，通过该装置可以让发电机的电功率产生一定的变化，使其和转速震荡处于相同的相位之内，最终使得发电机的阻尼得到一定程度的改善[5]。具体的作用原理图如图3所示。

4 结语

随着人类社会不断向前发展，当前世界范围内的能源危机不断加深。在这样的情况下，由于基于可再生能源的分布式发电方案本身具有节能降耗优势，因此该项技术已经逐渐成为当前风电力系统不断向前发展的主要趋势之一。

风力发电由于受到自然条件的影响，无法产生持续的电能。一旦大量风电并入电力系统中，必然会对电力系统的运行稳定性产生一定程度的影响，在系统产生故障时尤其如此。

因此，为保障并网系统的使用效果，笔者对分布式风电并网系统的一些内容进行了研究，并从STATCOM-PSS方面研究了相应的解决方案，希望能对行业的发展创新有所帮助。

参考文献

[1] 王奕.含光伏和风电接入的概率潮流计算的研究[D].长沙：湖南大学，2019.

[2] 王子璇.含需求响应虚拟电厂的风电并网系统分布式优化调度建模[D].吉林：东北电力大学，2019.

[3] 陈厚合，王子璇，张儒峰，等.含虚拟电厂的风电并网系统分布式优化调度建模[J].中国电机工程学报，2019，39（9）：2615-2625.

[4] 吴国栋.基于潮流转移识别的风电并网系统保护研究[D].兰州：兰州理工大学，2017.

[5] 朱星阳.风电并网电力系统随机潮流计算方法及安全评估应用[D].北京：华北电力大学（北京），2014.