新能源接入对微电网电能质量的影响研究

边 缘，何 淼，孙英华，于浩航，吴 扬

（1.国网辽阳供电公司，辽宁 辽阳 110013；2.国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000）

近年来，新能源的发展趋势日益迅猛，新能源的大规模并网已成为新形势，这也影响了电网的电能质量，引发了电网的安全稳定问题。微电网是新能源接入的载体。因此，为提高新能源接入后电网的电能质量，保障电力系统的安全稳定运行，本文对微电网电能质量问题展开分析，对新能源接入后微电网电能质量的变化及与配电网之间的交互影响进行深入研究。

1 微电网的电能质量问题

由于微电网在运行过程中的特殊性，其出现的电能质量问题不仅包括传统大电网的电能质量问题，还会出现特有的微电能质量问题。

1.1 传统电能质量问题

1.1.1 电压偏差

电压偏差是指电网运行过程中，某一节点的实际电压和额定电压的差值ΔU*与额定电压UN的百分比［1］，定义为δU：

式中，U为实际运行电压；UN为系统额定电压。

导线截面和变压器分接头的选择都会引起电压偏差，而微电网的电压偏差源于功率不平衡，尤其是分布式电源与负荷间存在的无功功率不平衡。分布式电源调节功率的能力非常弱，当无功负荷发生较大的变化时，就会产生电压偏差。无功功率损失与电压偏差成正比，当电压偏差过大并超过了正常范围时，若外界产生扰动，接收端的电压就会急剧下降，严重时会发生大规模停电事故。

1.1.2 频率偏差

对比电力系统的额定频率，基波频率的偏移程度百分比用频率偏差来表示［1］。频率偏差通常是由有功功率的供需不平衡引起的，如在微电网运行过程中，出现风电和光伏等可再生能源的出力变化引发孤岛运行时，会出现频率偏差，其表达式同电压偏差。

1.1.3 电压波动

不同于电压偏差，电压波动指电压快速且连续地变化，用ΔD表示：

以风能和太阳能为主的微电网分布式电源具有间歇性和高渗透性，当外界环境条件变化或分布式电源忽然被切除时，会引发电力系统的功率输出不稳定，从而导致电压快速地连续变化，形成电压波动。

1.1.4 三相不平衡

三相负载不平衡以及系统元件三相参数不对称是引发电力系统三相不平衡的重要原因。当系统出现三相不平衡问题时，各相相位偏差不等于120°，各相幅值也不相等。微电网中包含的可再生能源和负荷种类多样，任一种分布式电源的投切，或是大容量负荷的投切都会使得微电网的三相电压不平衡。

1.1.5 谐波

诸如整流装置和荧光灯等用电设备与非线性负荷存在于微电网中，会使得电流中的谐波含量增多。此外，分布式电源通过电力电子变换器注入微电网，而电力电子变换器的开关频率和死区效应会导致大量谐波电流进入微电网，使微电网谐波电流含量上升，对电能质量影响颇深。

1.2 特有的微电能质量问题

不同于传统电力系统，微电网作为一种特殊形式，运行过程中不仅会产生传统的电能质量问题，还会产生特殊的电能质量问题。

1.2.1 微电网投切的暂态冲击

微电网在并网运行和孤岛运行之间切换时，会使得电力电子变换器产生电压和频率的突变，导致静态开关两侧电压和频率不匹配，由此产生的暂态电压形成暂态冲击，严重影响微电网的电能质量。

并网运行时，分布式电源在大电网的支撑下只进行功率调节，逆变器多采用恒功率（PQ）控制方式来控制输出功率；孤岛运行时，分布式电源进行电压调节和功率调节，主逆变器多采用恒压/恒频（VF）控制方式来控制参考电压，其他逆变器仍采用PQ 控制［2］。在孤岛运行状态下，负荷的投切与并网转孤岛运行状态的切换都会引发短时的功率不平衡，从而形成暂态冲击。

1.2.2 微电网与配电网电能质量的交互影响

微电网电能质量不仅受内部的分布式电源及负荷的运行特性影响，还会与外部连接的配网产生交互影响。微电网产生的谐波电流会通过公共连接点注入配电网，配电网末端产生的电压问题也会传回微电网，导致公共连接点处的电能质量受到影响，严重时会影响微电网的并网运行［3-5］。此外，随着电力系统的快速发展，未来会有越来越多的微电网接入，这些接入的微电网之间也会相互作用，产生交互影响。

2 新能源接入微电网对电能质量的影响

2.1 风电接入微电网

2.1.1 对微电网频率的影响

风电接入电力系统后，通过P-F 平衡控制器保证风机输出功率和负荷功率的一致性。在实际运行过程中，以电网日负荷趋势为依据调度风机发电量，调度结束产生的风机发电量与实际电量需求的差值由热备用进行补偿。因此，热备用容量的大小是影响风电接入的电网频率特性的主要因素。

影响风电接入的电网频率特性的因素还包括旋转机械惯性时间常数。当风机低速或失速运行时，其出力下降速度加快，电网的频率也会随之大幅度下降，影响电力系统的稳定性，这种惯性即为系统惯量。系统频率的高低与系统惯量的大小成正比，为了保证系统在频率大幅度下降时有足够的反应时间，应保证系统惯量足够大。现今的风电场多采用双馈式或直驱式风机，两者都是恒频变速式风机，采用降低转速来使频率下降的方式不再可行。因为这种方式形成的隐形惯量降低了系统惯量，导致风机出力不足，负荷降低过快，造成并网时电网频率的稳定性下降。

2.1.2 对微电网电压的影响

1）电压偏差的产生原因及危害

在电力传输过程中，外界不平衡和负荷波动都会造成无功损耗大量增加，从而引起电压偏差。同时，包括变压器和变流器在内的大量元件以及输电线路在内的电力系统在运行过程中还需要消耗大量无功功率，加重电压偏差。电压降落与无功的关系如下：

式中，U1-U2为送受端的电压差；U为系统母线电压。

由于输电线上的有功功率损耗远远小于无功功率损耗，电压偏差的计算公式同式（1）。

2）电压波动及闪变的产生原因及危害

与电压偏差不同，电压波动主要是由系统中接入冲击性大负荷引起的。以电气化铁路为例，其运行需要两相电。当电气化铁路接入电力系统时，会对系统产生一个比较大的冲击，从而导致三相电压不平衡。此外，如果这些冲击负荷的短路容量不平衡，还会导致有功和无功的大幅度波动。当非线性电流经过这些冲击性元件时，产生的波动电压会使其他负荷产生同频率的电压波动，出现谐振现象，谐振现象较严重时会导致受端丧失工作能力。

电压闪变带来的诸多影响也是消极不利的。以现代生活中最普遍的电灯为例，闪变现象出现的过于频繁且不能得到控制时，长时间的灯光闪烁会使人类视觉受到严重影响，造成眼部肌肉疲劳和神经衰弱，导致视力下降；以成像设备为例，电压闪变导致图像在垂直方向上抖动，这会使用电设备的寿命缩短；以精密元件制造为例，任何形式的电压波动或是闪变都会导致设备质量不合格或设备无法正常工作等问题。因此，要求电压绝对平稳。

3）电压暂降的产生原因及危害

保证设备可以连续正常工作的最大电压被称为最大工作电压，最大工作电压的大小与设备电压的暂降关系密切。正常情况下，设备的最大工作电压为特定系数与额定电压的乘积。对于220 kV及以下的电力系统，特定系数为1.15；220 kV 以上的电力系统的特定系数为1.1。电压暂降现象是指在短时间内，电压下降到0.1～0.9倍的额定电压，且时间在0.01 s～0.6 s 内，即线路在短时间内由于短路故障出现了远大于正常情况的电流，从而产生了远小于正常情况的电压，但保护装置很快就会动作，使得电压恢复正常。此外，电网内突然接入大功率负荷也会导致电压暂降。

用暂降深度MF衡量电压暂降的幅度：

式中，Usag为电压暂降后的有效值；Uref为电压暂降前的有效值。

2.1.3 对微电网谐波的影响

电压总谐波畸变率（THDU）为描述谐波指标［6，9］：

式中，U1为基波电压的方均根值；UH为第h次谐波电压的方均根值；h为分析量的谐波最高次数。

谐波广泛存在于电力系统中。目前，绝大多数风电场都采用软并网的形式，因此需要投入大量的辅助电力设备。无论是风机本身还是辅助的电力设备，甚至是无功补偿装置都会产生5 次或7次谐波。事实上，由于未投运电力电子设备，恒速风机不会产生谐波电流，虽然辅助电力设备会产生大量谐波电流，但持续时间很短。因此，风机本身和辅助电力设备产生的谐波都非主要因素，可以忽略。现代大型风电场配备的风力发电机多采用变速风机，如直驱型或双馈型，这两种类型的风机内部存在的变流器才是谐波产生的主要来源。

谐波对电力系统产生巨大的影响，不同设备受谐波影响的程度不同。以汽轮机为例，当系统中谐波含量较高时，会导致汽轮机转子上的叶片发生谐振现象。由于汽轮机转速过快，尽管谐振发生程度极小，也会因为长时间的冲击导致叶片断裂。当系统中投入无功补偿装置后，雷电过电压、操作过电压或三相投切时间不一致也会使电网发生谐振现象。谐波的产生不仅会对电力系统自身造成一定程度的破坏，还会导致潮流计算精度下降。此外，变压器、发电机和输电线路等也会因受到谐波的影响而产生额外的热损耗，也就意味着谐波会影响系统的效率，会造成系统绝缘性能下降，会影响系统的继电保护能力。

2.2 光伏电站接入微电网

2.2.1 对微电网频率的影响

光伏电站接入电网后，起初由于其容量较小且允许多台机组同时投入或切除，对电网频率不会产生影响。伴随着新能源的快速发展，新能源发电站在电力系统中出现的比例逐渐提高，由于其发电的随机性和波动性，会影响整个电力系统的频率，从而影响电网的正常运行。通过建立光伏电站容量变化对电网频率的评估模型，可以得出0.01 Hz～1.0 Hz 的频率波动产生的影响对电网最大［7］。

2.2.2 对微电网电压的影响

光伏发电系统在实际过程中以最大功率跟踪法（MPPT）运行，是为了抑制其发电的随机性和波动性，确保系统的功率输出稳定。因此，控制MPPT 的质量是保证光伏接入的电力系统不会发生电压波动和闪变的重要手段。当外界环境改变或出现局部阴影导致光伏电池板被遮挡时，光伏输出功率无法保证输出的稳定性而出现多峰现象，此时如果MPPT 无法进行及时有效地控制，光伏阵列的输出功率波动就会引发整个电力系统的电压波动或闪变，进而影响能量变换器件的正常工作，同时也会导致公共连接点（PCC）两端产生电压偏差，严重时会引发并网解列［8］。

2.2.3 对微电网谐波的影响

光伏电站接入微电网系统中后，由于系统内存在大量的电力电子元件，导致非线性负载增加从而引发并网过程中谐波的大量渗透，且随着非线性负载数量及种类的增加，产生的谐波也将更复杂多变，这些电力电子元件以逆变器为主。并网逆变器是光伏电站接入微电网后能成功并网运行的重要元器件，对并网逆变器进行有效地控制，通过合理的方式保证其稳定运行是保证微电网系统稳定，防止出现三相电压不平衡的关键。

3 微电网与配电网电能质量的交互影响

电力系统运行过程中包含多个微电网，各个微电网之间以及微电网与配电网之间的功率交换都会对彼此的电能质量产生交互影响。其中，配电网受微电网影响会产生谐波电流和三相不平衡等电能质量问题，配电网自身的谐波电流、三相电压不平衡以及电压的陡升骤降等问题也会对微电网的电能质量产生影响［10-11］。

3.1 配电网电能质量对微电网的作用

与微电网连接的大多为处于线路末端的低压配电网，低压配电网自身的电能质量问题就很明显。当配电网内包含非线性负载或存在三相不平衡时，就会出现电压不平衡和波动的现象，此时这些问题通过PCC 传递至微电网中，会影响其内部负荷的稳定运行，严重时会造成微电网解列。此外，低压配电网的谐波含量增多时，也会通过PCC传递至微电网中，导致微电网的谐波含量上升，造成谐波污染［12］。

3.2 微电网电能质量对配电网的作用

微电网的接入给配电网电能质量带来了一定的积极影响。微电网接入后，配电网的网络结构不再是原本单一、辐射状的网络结构，其末端电压水平和电压分布也有所改善。此外，在负荷高峰时期，微电网可以在配电网运行压力过大时迅速响应，分担调度压力。

微电网的接入也给配电网的电能质量带来了一定程度上的消极影响。微电网作为一个小型的复杂电力系统，具有自身容量小、分布式电源和负荷种类多的特点，微电网单相电源会导致输出功率不平衡，受自然因素影响的分布式可再生能源也会导致输出功率不平衡，这都会引起电压波动，进而影响配电网的可靠运行。同时，微电网中的大量电力电子元件产生的谐波污染也会通过PCC 随着输入功率注入配电网，导致配电网谐波污染情况加剧。因此，伴随着微电网的快速发展，所出现的电能质量问题也越来越多地影响自身和配电网的运行，导致配电网受电能质量影响的风险增大［13-16］。

4 结语

随着微电网中接入分布式能源和非线性负载数量的增加，微电网的电能质量问题必将日趋复杂。本文介绍了微电网中常见的电能质量问题，以及当可再生能源接入时产生的电能质量问题，并对问题产生的原因进行了简要分析。今后，电力用户对电能质量的要求越来越高，准确并快速地检测到电能质量问题所在不仅对电网和设备的安全稳定运行具有重要意义，而且有利于国民经济快速发展。