分散式電源併網對電能質量的影響

來自專欄中國電力市場與能源未來-交能說

分散式能源在我國正處在一個飛速發展的階段，在政策和資本的助推下，「十三五」期間，我國分散式光伏項目將全面開花，進入加速發展的快車道。近年來，以風力發電和光伏發電為代表的分散式發電技術得到了迅速的發展和大力的推廣。一方面，分散式電源的環境友好性和循環再生性為應對能源危機和環境污染提供了幫助；另一方面，人們也注意到了分散式發電由於受到自然條件的限制，其輸出功率具有很強的隨機性和波動性，大規模的分散式電源併入電網，將會對現有電力系統的供電質量產生嚴重的影響。

目前分散式電源的容量都比較小，在現有的裝機水平下，分散式電源不會對大電網系統產生影響，但隨著分散式電源的發展，如果這種小型機組的數量達到一定水平，就有可能影響到整個電力系統的特性。分散式電源併網運行，目前主要發生在配電網，其對電能質量的影響表現為如下兩個方面：對電壓波動的影響及諧波問題。

1）對電壓波動的影響

在傳統配電網中，有功、無功負荷隨時間變化會引起系統電壓波動。如果負荷集中在系統末端附近，電壓的波動會更大，一般盡量避免這種情況的發生。而對於分散式電源而言，其對接入點電壓波動的影響程度主要取決於分散式電源有功功率的變化情況。主流分散式電源包括微型燃氣輪機、風電機組、太陽能光伏發電以及燃料電池等，各自運行特性差異較大，造成有功功率波動的因素較多，歸納起來大致有三種情況。

（1）輸入能量變化及其它外界干擾

對於風電機組、光伏電池板等可再生能源發電系統，外界自然能源輸入的變動是造成分散式電源輸出功率變化的主要原因。為了提高分散式電源的發電效率，很多機組採用了最大功率追蹤控制，而不是定功率控制，當外界資源條件發生變化時其輸出功率必然隨之變動。

對於風電機組來說，輸入功率來自風能，風力機提供給發電機的機械功率與風速有關，而風速的變化是由自然條件來決定的，隨機性較強。一旦風速快速變化，則風電機組的輸出功率必將劇烈變化。當風速在額定風速以上的有效風速範圍內時，通過傳動機構和控制系統的調節，可以盡量減少風電輸出功率的波動，但是也不易保持絕對的功率恆定。此外，風電機組在運行過程中還會受到風剪切、塔影效應以及偏航誤差的影響，導致風電機組轉矩不穩定，從而造成輸出功率的波動，進而導致風電機組所在的電網電壓發生電壓波動。

對於光伏發電系統，其核心部件光伏電池板的最大功率點會隨著光照強度、環境溫度的變化而改變，一旦天氣發生劇烈變化，必將引起光伏電池輸出功率的明顯變化。此外，「熱斑效應」也會造成光伏電池輸出功率的變化。

（2）不受電網控制的分散式電源起動和停運

分散式電源的起動和停運與自然條件、用戶需求、政策法規、電力市場等諸多因素有關。分散式電源的調度和運行，往往由電源的產權所有者來控制，而分散式電源的產權所有者往往不是電網公司，而是用戶自己或者其它經營主體。這樣就可能出現分散式電源隨機啟停甚至頻繁起停的情況。例如，分散式電源的所有者根據自己的用電情況自由決定何時啟動和停機，或者以贏利為目的，只在電價高於發電成本時才開啟機組，在峰荷過後退出。隨著分散式電源數目的增多，這種情況對發電上網功率的影響也不容忽視。

（3）輸入能量變化及其它外界干擾

對於燃料電池、微型燃氣輪機、柴油發電機組等輸入燃料流量可控的分散式電源來說，輸入能量是基本恆定的，一般不會因為輸入能量的波動造成輸出功率的明顯變化。

典型的往複式引擎驅動發電機組——同步柴油發電機，其氣缸存在點火熄滅過程，因此會出現輸出功率波動現象；，為此國家在設計和製造過程中提出了一定的技術規範，要求往複式驅動引擎的發電機組動態電壓小於0.5%。

燃料電池可以通過對燃料輸入控制、反饋控制等方法對電源輸出進行控制，但是其對控制系統的精確度要求很高，實際使用過程中，可能存在一些參數的偏移，控制系統不穩定，從而也將導致功率輸出的波動。控制器的演算法和參數整定可能導致分散式電源輸出功率的周期性波動。

對於熱電聯產的分散式發電機組，輸出必須滿足熱量的需要，而且功率的變化速度也是有時間限制的，在供熱需求發生變化時，也會引起分散式電源發電功率的變化。

以上講的是分散式電源接入後，可能引起電壓波動。但合理利用分散式電源，使其與當地負荷協調運行，即當負荷增加（或減少）時，分散式電源的輸出量增加（或減少），也可以抑制電網電壓波動。

利用分散式電源抑制電壓波動的優勢包括三方面：

分散式電源的接入，提高了配電網整體的短路容量，這對抑制區域配電網內的電壓波動問題起著積極作用。在出現負荷衝擊性投切等情況時，其電壓波動大小相比傳統配電網得到了削弱。

分散式電源往往就近接入電力用戶所在配電網，與負荷的距離較近能夠快速及時地提供電能。因此利用分散式電源，對動態波動的負荷進行有功功率的就近提供、無功功率的就近補償較為方便，並且輸電損耗小。

分散式電源的併網換流器，與靜止無功發生器等電能質量調節裝置所用的電路結構和控制技術有很大程度的相似性，為兩類設備的優化配置提供了可能性。

所以將分散式電源納入電網的統一調度理中，在用戶負荷突然變化時，對分散式電源的輸出功率進行相應調整，以補償或抵消負荷的功率波動，可以達到抑制電壓波動的效果。當然，這需要資源條件允許並且分散式電源可以進行宏觀調控。同時，採用定功率控制的分散式電源顯然無法做到改善電壓波動，因此這對分散式電源的控制策略也提出相應改進要求。需要指出的是，抑制分散式電源發電量而抑制電壓波動並不可取，在分散式電源所在配電網中設置儲能節點，便可在不主動降低分散式電源發電量基礎上，對負荷的功率波動進行動態調整，從而抑制電壓波動。

綜上所述，分散式發電接入系統對系統電壓波動的影響屬於固有問題，只要該分散式電源處於運行狀態，其波動的輸出功率就會對電網電壓造成影響，只是影響程度大小不同而已，在某些情況下電壓波動已經成為制約分散式電源裝機容量的主要因素。但是，如果控制合理，分散式電源也能夠抑制系統電壓的波動。因此，全面系統地對分散式電源接入的電壓波動問題進行研究，具有實際意義。

2）諧波問題

在複雜的周期性振蕩中,包含基波和諧波。和該振蕩最長周期相等的正弦波分量稱為基波（比如中國家庭用電220V、50Hz的正弦震蕩即為基波）。相應於這個周期的頻率稱為基本頻率。頻率等於基本頻率的整倍數的正弦波分量稱為諧波。

諧波會對公用電網造成危害：使電網中元件產生附加的諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的使用效率；在中性線上疊加出電流，使中性線發熱，甚至發生火災；引起電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，上述危害進一步加大；使繼保設備誤動作，測量設備失准等。此外，還會對通信、電子類設備產生干擾。

分散式電源是諧波源，在正常運行時，所採用的一些電力電子設備會產生一系列的諧波分量。分散式電源併網導致大量的電力電子轉換器應用到系統中，例如太陽能光伏電池、燃料電池等併網時，需通過逆變器接入交流電網;微型燃氣輪機的輸出是高頻電壓，風電機組的輸出電壓頻率與風力機的轉速有關，這些分散式電源併網往往都要經過變流器。這些變流器是通過電力電子器件的頻繁開通和關斷來實現電力變換功能的，其輸入輸出關係具有明顯的非線性特徵。開關器件頻繁的開通和關斷容易產生一系列的諧波分量，對電網造成諧波污染。其中開關頻率附近的諧波分量幅度較大，是優先需要重視的諧波分量。另外，在分散式電源的特殊運行情況下，例如三相不平衡、直流偏磁等非理想情況，也會造成諧波增加。

與傳統電網諧波相比，分散式電源由於數量眾多，不同諧波源產生諧波不同，並且新能源接入使用的換流器的開關頻率更高，使諧波本身的產生機理、傳播特性更加複雜，更易引發諧波諧振以及穩定性問題。其次，分散式電源接入電網，其參數具有較強的波動性與隨機性，產生的諧波使電網參數隨時變化，諧波分析雜訊干擾大。並且，分散式電源離負荷近，產生的諧波對附近負荷供電質量影響更明顯。由於接入配電網電壓等級低，阻抗標幺值相對大，諧波電流產生的情況下，線路兩端的諧波電壓更明顯。

以上原因就使得分散式電源的接入對電網的諧波帶來了不可忽視且複雜的影響。分散式新能源併網在帶來諧波問題的同時，若能合理接入，則能與電網背景諧波相互抵消、使網路參數相互匹配，降低電網的諧波水平和諧波諧振發生的幾率。

參考文獻：

1. 張璐，朱永強。分散式電源併網的諧波問題分析。亞洲電能質量聯盟。

2. 朱永強，張少謙。分散式電源對電網電壓波動的影響分析。亞洲電能質量聯盟。

3. 艾芊，鄭志宇。《分散式發電與智能電網》。2013。

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