风光储微电网并网对系统电能质量的影响分析

李雄梁 资容涛 黄智华 邹学翔

（云南电网有限责任公司昆明供电局）

0 引言

现代社会，电能是工业产品的一种，但由于电能产品的形式单一以及电能商品自身所具有的独特性质，集中体现为电能的产用具有同时性、瞬时性。电能质量的评定与其他工业产品也有所差异，主要体现在以下两方面：①电力系统是一个动态变化系统，能量流动始终维持在动态平衡状态。电能从生产到传输再到最后被消费基本是同时完成的，电气连接把发输配用电环节连成一个整体，因此，任何一个发生电能质量问题都将波及到其余各个环节。②电能质量扰动具有广泛的传播特性。如今，衡量电力系统运行与管理水平高低的主要影响因素就是电能质量的优劣情况，从电力系统自身发展出发，控制和改善电能质量也尤为必要，在此基础上，竭力追求全面的电能质量管理具有深远意义。

微电网发展对可再生能源的利用带来了福音，随着微电网研究的进一步深入，将会有越来越多的微电网组网。但由于分布式电源（DG）的固有局限、微电网网内负荷、控制策略的影响，微电网并入公用电网将不可避免地对电力系统电能质量产生扰动。因此，研究微电网并网对电能质量的影响并提出相应的解决措施具有重要意义。微电网电能质量可以从多方面进行评价，如谐波畸变、电压波动、三相不平衡的暂态冲击以及独立运行下还可能产生频率偏差问题。

1 分布式电源建模

1.1 风光储混合的微电网

微电网一般包括五部分，分布式电源（DG）实现能量转换，为负荷供电，常见的利用可再生能源的分布式发电形式有光伏发电和风力发电；控制系统提供必要的控制，以维持微电网的稳定、安全运行，常见的控制方式有PQ控制、V／f控制以及下垂控制等；储能系统作为能量缓冲装置，用来弥补系统功率缺额时所需能量，包括飞轮储能、超级电容器以及蓄电池；电力电子装置实现DG的能量转换输出以及并网，主要有逆变器、整流器、斩波器等；负荷是微电网供电的主要对象，如家用电器、工业机器、异步电机等。

1.2 光伏发电数学模型

忽略各种损耗，理想的光伏阵列电路由一个电流源和理想二极管组成。在理想电路模型的基础上加入串联电阻Rs和并联电阻Rsh，可以对光伏阵列内部损耗进行模拟，光伏阵列输出伏安特性为：

式中，U为光伏阵列输出电压；I为输出电流；Is为二极管饱和电流；q为电子常量，为1.602×10－19C，Ipv为光生电流源电流；T为光伏阵列工作绝对温度值；k为波尔茨曼常量，为1.381×10－23J／K，A是一个变量，表示二极管拟合系数。

风能是一种分布广泛的可再生清洁能源，风力发电系统实现风能到电能的转换，是分布式发电中的重要一员。近年来风力发电系统发展迅速，各种风力发电技术也越来越成熟。最早投入使用的恒频／恒速风力发电系统可直接并网，具有结构简单、经济性好等优点，但恒频恒速发电系统受外界环境因素影响较大，输出功率不稳定，风速改变时，其运行效率降低。恒频／变速风力发电系统可以快速响应外界环境变化，并通过系统控制方式维持发电机向公用电网输入频率基本稳定功率，恒频／变速风力发电包括双馈风力发电和永磁同步直驱风力发电。恒频／变速永磁同步直驱风力发电系统建模需考虑空气动力系统模型、永磁同步发电机模型、AC／DC、DC／AC模型以及相应的控制系统模型。下面分别从理论、建模两方面展开论述。

通过转子叶片的空气的动能是：

空气动力系统模型表征风能转换为风机功率输出的能力，能量转换公式为：

式中，ρ表示空气密度；S为风轮机叶片半径扫过的面积，m2；v为风速大小，m／s；Cp为功率系数。

功率系数Cp与叶尖速比λ以及叶片桨距角θ有关，即：

叶尖速比：

式中，ww为风机机械角速度。

1.3 微型燃气轮机发电系统建模

微型燃气轮机是近年来兴起的一种以可燃性气体为燃料的小型热力发电机，其发电功率在几百千瓦以内以可燃性气体为燃料，可同时产生电能和热能，是一种发展迅速且具有广泛应用前景的分布式发电技术，具有高能量转换率、维护安装方便等优点。微型燃气轮机发电系统的特性和集中发电机组类似，其动态模型为：

系统的能量转换为：压缩后的空气和燃料在燃烧室混合燃烧，化学能转换为热能，热能推动燃气涡轮转动转换为机械能，带动与其同轴的同步发电机旋转，机械能转换为电能。

1.4 超级电容器建模

超级电容器是一种复杂的电容网络，为方便研究，常常使用其等效电路模型进行研究与仿真。

利用阻值较小的电阻与理想电容C的串联电路等效超级电容器，其中，超级电容储能能量与电容C大小相关，可由求得，U为电容端电压，C为电容器电容。超级电容器内部发热损耗与电阻R相关，此外，在放电过程中电阻R也会引起电压降落。串联RC模型结构简单且能准确地反映出其充放电过程中的外在电气特性，简化计算，便于分析。鉴于上述优点，本文采用串联RC等效电路模型进行超级电容器储能系统仿真。

2 混合微电网控制策略

风光柴储混合微电网包括了多种分布式电源（DG），不同的分布式电源（DG）其能源输入、能量转换形式、能源输出等也各有差异，其受环境的影响也各不相同，给微电网的运行与控制带来了挑战。光伏发电系统出力与工作温度、光照强度有关；风力发电系统受外界环境风速大小的影响，而外界风速具有较强的随机性；微型燃气轮机发电系统控制较为容易，另外，不同发电系统与储能装置的配合以及微电网与配电网的交互等，决定了微电网较单个分布式电源（DG）发电系统而言，其系统控制、运行方式等更为复杂。

PQ控制一般将有功和无功解耦控制，目的是控制DG输出有功和无功基本稳定，主要应用于DG并网运行时，以最大化接纳可再生能源。其控制原理为：DG功率输出值与设定参考值做差，差值经比例积分器后产生电流环控制的输入d轴和q轴参考值，电流参考值与电流实际值做差，其差值经比例及分环节后生成d轴和q轴电压参考值，与经坐标变换生成的d、q轴电压求和做差后输出电压经逆变换后产生PWM控制信号，使逆变器输出功率接近给定值。恒功率控制的电流环控制方程为：

其控制原理如图1所示。

图1 控制原理图

其中，P0、Q0分为三相逆变器输出有功功率和无功功率；Pref、Qref为功率参考值；逆变器输出电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic经过abc－dq0坐标变换得到ud、uq、id、iq，id－ref、iq－ref，为电流环控制参考值；uds、uqs为逆变器电压的控制信号；θ为相角值；w为角频率。

3 微电网控制策略

微电网具有并网运行和独立运行两种模式。在并网模式下，微电网交流母线的电压和频率参考值由公用电网提供，此时，微电网系统控制目的是最大化DG出力，以实现可再生能源的充分消纳。微电网并网运行时极大地提高了供电可靠性。并网运行时，公用电网类似于混合微电网的无限容量的额外储能，作用是平衡电网的负荷需求与供应。当微电网内DG发出的总功率大于负荷时，微电网向公用电网馈电，反之，混合微电网DG出力不足时，公用电网向微电网馈电。在并网状态下，所有可再生能源转换系统都控制在最大功率点跟踪（MPPT）模式下运行，以最大化利用可再生能源。除此之外，在并网运行时，可由公共电网内的无功补偿装置向微电网提供无功功率，此时，微电网控制系统中无功功率参考值可设置为0。

4 电能质量的各项指标的分析与计算

4.1 电压偏差

电压偏差直接影响电力系统稳定、经济运行以及用电设备，主要表现在，当电压过低时，系统电流增大，会使电网损耗大大增加；此外，电压偏差也会影响用电设备的使用寿命，大幅度缩短用电设备使用寿命。合理确定电压偏差对系统的安全性和经济性以及电气设备的正常运行都有重要意义。

2008年出台的供电电压偏差国家标准中规定电压偏差的计算公式如下所示：

4.2 频率偏差

我国电力系统额定频率为50Hz，是评价电力系统供电质量的重要参数，频率稳定是维持电力系统正常运行的基础。系统频率与电力系统有功功率平衡密切相关。一般而言，当电力系统有功功率缺额时，频率会降低，反之，系统有功富余时，频率会上升。频率偏差是指系统当前频率值与额定频率值之间的差值，频率偏差用Δf表示。

2008年出台的电力系统频率偏差国家标准中规定频率偏差的计算公式为：

式中，fm为系统运行频率；fN为额定频率。

4.3 三相不平衡度

三相电压不平衡通常用电压不平衡度%来表示：

式中，Unegative为负序基波分量有效值；Upositive为正序基波分量有效值。

同理可得，三相电流不平衡度求解公式为：

式中，Inegative为三相电流负序基波分量有效值；Ipositive为三相电流正序基波分量有效值。

我国国家标准对三相不平衡度规指明：在正常情况下，电压不平衡不超过2%，短期上限为4%。

对传统电力系统而言，当电力系统运行的过程中出现三相不平衡时，会对发电厂、负荷、线路保护造成很大的危害。此外，当电网供电处于三相不平衡时，还会导致输电线路上的电能损耗增加。

4.4 谐波污染

谐波污染是电力系统最常见的一种电能质量问题，由电力系统中的非线性负荷设备产生。谐波污染会导致电力系统损耗增加，如使得变压器产生涡流损耗、铁心损耗以及附加损耗，危害系统正常运行；在540～1200Hz附近的谐波会干扰通信系统；另外，谐波功率也会引起功率计量误差。

电力系统的谐波用总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion）表示。周期性交流量的谐波含量的方根均值与基波分量的方根均值即为总谐波畸变率（THD），电压谐波畸变率用THDU表示，电流谐波畸变率用THDI表示，以电流谐波畸变率为例，计算公式如下：

微电网中含有大量电力电子设备，因此更容易产生谐波污染，影响微电网的供电质量和正常运行。

5 混合微电网并网运行仿真分析

微电网并网运行仿真时，将光伏阵列发电系统、微型燃气轮机发电系统以及风力发电系统三种分布式电源（DG）接入微电网，对0～12s的运行状态进行仿真，设定微电网交流母线电压为380V，微型燃气轮机采用恒功率控制，风力发电机组采用定直流母线电压方式控制，光伏发电系统采用恒功率控制策略。接入超级电容器储能系统，超级电容器储能系统采用恒压恒频控制模式，由于超级电容器工作过程是一种物理过程，不发生化学反应，并且储能可逆，因而，超级电容器的充放电可以反复进行，进行0～12s的仿真。图2是微电网系统交流母线电压，图3是微电网内系统频率。微电网并网运行时，由公用电网提供电压和频率参考，通过采取合适的控制方式对逆变器控制，可以使得逆变器输出电压满足公用电网电能质量的基本要求，从图4可以看出，此时公共连接点处的电流波形发生畸变，而微型燃气轮机发电系统输出电流波形也发生了畸变，分析可知，此时微型燃气轮机发电系统因未引入滤波装置，给电网注入了大量谐波，导致电流波形畸变。

图2 微电网交流母线电压

图3 微电网系统频率

图4 公共连接点PCC处电流

6 微电网谐波研究及治理措施

微电网并网时，在PSCAD中利用FFT模块进行谐波观测，选定测量谐波次数上限为7，图5显示了在未装设滤波装置时谐波含量，图6显示了在逆变器侧安装滤波器后谐波含量图，由图可知，在装设了滤波器后，谐波含量得到较低，即谐波得到有效消除。图7为PCC处三相电压波形，图8为装设滤波装置后进行仿真分析后的PCC处的电流波形图，可以看出，在逆变器侧增加滤波环节后，谐波分量减少，电流波形更为平滑。

图5 未装设滤波装置谐波畸变率

图6 装设滤波装置谐波畸变率

图7 PCC处三相电压波形

图8 装设滤波装置PCC处三相电流波形

7 结束语

使用PSCAD软件分别对典型微电网结构中的小型风力发电机、微型燃气轮机、光伏电源三种分布式电源（DG）进行建模仿真，以验证三种分布式电源（DG）能量转换模块、逆变器模块、控制模块是否正确，接下来进行风光柴储混合微电网的并网仿真研究，并对电能质量相关问题进行分析，主要体现在对微电网有功负荷变动时交流母线频率变化和微电网谐波污染两方面。得出结论，微电网并网时负荷波动时由于主电网的调节作用，频率波动很小，在逆变器侧装设滤波器可以有效地减少谐波污染。