含分布式电源的配电网电能质量分析

第一章 绪论
 

本课题作为山西省晋中市电力公司的项目《含微网的配电网电能质量综合评估》来做研究，在建立了分布式电源并网仿真模型的基础上，对并网点的谐波影响、治理及暂态电能质量进行了研究。
 

1.1 分布式电源发电技术的研究近况

当今世界三大主力能源为煤、石油和天然气，其损耗约占一次能源的 80%。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格不断上涨，按现在能源的消耗速度和探明储量，全球的煤、石油和天然气等生物能源有可能在 40~200 年内逐渐耗尽；并且化石性能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害身体健康、导致全球变暖。因此，寻求清洁、可再生的替代性能源以满足不断增长的能源需求，是当今世界面临的重要问题。目前，发现的替代性能源包含水能、太阳能和风能等。其中，太阳能和风能是当今可再生能源中发展最为迅速且最合适的能源发电形式。

1.1.1 光伏发电技术在国内外的研究近况

2015年，整个世界光伏市场急剧扩大，全年装机容量增加了50GW ，比前年增加了16.3%，全球光伏总容量超过了230GW[1-3]。日本、欧洲等这些传统光伏发展的速度和幅度仍然很大，装机容量的新增量将分别达到9GW 、8GW 和7.5GW 。同时，全球持续涌现出新的其他的光伏市场，东南亚和拉丁美洲等国在光伏应用方面的发展速度颇快，印度、泰国、智利和墨西哥等国迅速扩大其装机规模，如印度在 2016 年将达到2.5GW 。我国光伏新增装机容量将达到16.5GW ，持续稳居世界第一，累积装机很有可能突破43GW ，超过德国成为全世界光伏累积装机量排名第一的国家。2015年重点国家推行的光伏行业相关政策如表 1-1 所示。

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1.2 含分布式电源的电能质量的研究现状

近些年来，由于新型电机、电力电子设备和无功补偿装置的广泛利用，导致电力系统中电能质量的污染越来越严重[7-10]。而与此同时，精密仪器和先进控制设备的大量使用对电能质量的敏感度很高，要求电力系统中的电能质量具有很高的标准，因此到目前为止，针对电能质量的研究未少反多。文献[11]已对不含分布式电源的传统配电网的电能质量做了深入的研究，并给了相应的解决方案。

之后由于原本采用的化石燃料、煤等发电能源污染环境且不可再生，人们开始着眼于找到一种可再生且清洁的能源来适应发电技术的发展，于是分布式电源应运而生，且渐渐在电力系统中普遍运用。伴随其出现的问题便是分布式电源接入会对电力系统产生一定影响。因此对分布式电源接入配电网时电能质量的影响研究逐渐成为了国内外研究的重点课题，文献[12]、[13]便是欧美发达国家对分布式电源接入电力系统对配电网电能质量影响的分析研究。我国也在近几年内展开了大量的相关研究工作。文献[11]就分布式发电系统中并网对电力系统潜在的电能质量影响及对应的解决措施进行了深入的研究。

分布式电源接入对电能质量的危害大致分为电压和谐波两个方面，当分布式电源接入时，需要大规模的电力电子装置接入对分布式电源的输出电压和电流控制以满足它与电网之间的连接条件，这样便不可避免的带来了谐波污染；并且当容量较大的分布式电源突然启动或停机时，这种大负荷的瞬间变动特别容易引起电力系统电压的变化。文献[14]在建立基于Matlab 的配电网仿真模型基础上，对几种接入方式下配电网谐波特性的影响进行了计算，由此研究了分布式并网系统中电力电子器件对配电网谐波特性的影响，仿真结果表明配电网谐波的大小与分布式电源和配电网之间的连接阻抗关系很大。文献[15]重点研究了三相四线制 APF 对电网电流谐波的治理，在了解了 APF 的工作原理及基本结构的基础上，建立了其在两相静止坐标系下的数学模型，设计了对应的控制策略，最后在Matlab 中考证了 APF 对电网电流谐波治理的有效性。
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第二章 分布式电源并网造成的电能质量问题
 

2.1 本文研究的分布式电源主要形式

当今世界三大主力能源为煤、石油和天然气，其损耗约占一次能源的 80%。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格不断上涨，按现在能源的消耗速度和探明储量，全球的煤、石油和天然气等生物能源有可能在 40~200 年内逐渐耗尽；并且化石性能源燃烧产生有害气体，污染环境、导致全球变暖。因此，寻求清洁、可再生的替代性能源以满足不断增长的能源需求，是当今世界面临的重要问题。替代性能源包罗水能、核能和可再生资源。水能和核能虽然是现阶段低碳能源的首选，但是水电开发总量有限并且影响自然环境，核电有泄露危险和核废料的处理问题。从长远来看，开拓洁净的、可循环利用的可再生资源才是未来解决能源短缺与环境污染的基础途径。

到目前为止发现的可再生的能源包含太阳能、风能和地热能等[28]。其中，太阳能和风能是当今可再生能源中发展最为迅速且最合适的能源发电形式。本文将侧重分析目前成长速率很快且不污染环境的风力发电和太阳能光伏发电。

2.1.1 太阳能发电

太阳能光伏发电中太阳能主要有太阳光和太阳热两种类型。太阳光形式的发电直接将太阳能转化成电能。而太阳热发电是将光照先转变为热能，再将其转变成电能的一种发电方式。光伏发电系统（PVSystem）是通过装置将太阳能转化为电能的系统，这些装置主要由太阳能光伏电池板、各个控制器和并网逆变器组成。而光伏发电系统又由独自运行状况下的光伏发电系统、并网运行状况下的光伏发电系统和分散式光伏发电系统三种组成[29-30]。独自运行和分散式的太阳能光伏发电系统产生的电直接供给给负载，多出来或不够的电能由大电网调节；并网运行的太阳能光伏发电系统产生的电直接供给给大电网，由大电网负责向各个负载分配电能；当下，全国的太阳能发电技术研究及使用大多针对并网运行的太阳能光伏发电系统。1）独自运行状况下的太阳能光伏发电系统
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2.2 分布式电源并网时对电网电能质量的作用原理

2.2.1 分布式电源并网对稳态电能质量的影响

目前为止，正在使用的分布式电源有多种，当其接入电网时，电网就不再是我们以前所理解的电网单向向负荷供电，而是负载与分布式电源共存，能量在三者之间双向或者多向流动。分布式电源的运行特性不仅受外界环境因素的影响，还与发电机组的结构有关，其大量接入电力系统需要很多电力电子器件的支撑，这样便会对电网电能质量产生很多方面的影响[31-33]，本文针对光伏和风力发电机组接入时对电网谐波的影响进行了具体的分析[34-36]。关于并网光伏和风力发电机组，当它独立运行直接供电给负载时，机组中不包含任何电力电子器件，这种机组产生的谐波基本可以忽略不计。所以当发电系统中电动机直接与电网相连接时，并网点电流的谐波不大，当下 IEC61400—21 并没有要求对这种分离系统所发出的谐波进行测量。

当光伏通过升压电路和逆变器并网运行时，为了得到同频反相的电网电压电流曲线，系统中需要加入大量的电力电子器件来满足要求，一旦电力电子器件的频率处于产生谐波的范围内，系统中将会发生很严重的谐波污染问题。当风力机通过整流器和逆变器并网运行时，由于电力电子器件的加入，系统并网点产生的谐波电流不可忽略，并且有可能会很大。风力发电机并网系统中需要运用具有变速功能的双馈异步发电机或者永磁同步发电机。这些都意味着系统要大规模的采用电力电子器件。以往所研究的直驱式风力发电机组整流侧采用可控或不可控整流，中间环节运用DC/DC变换，并网侧采用PWM 逆变，这样便可以输出标准的三相电压。虽然风电机组的变流器总是在工作状态，但是如果滤波器设计的好，变流器所带来的谐波包括间谐波完全可以最小化，甚至可以使谐波的影响忽略不计。一旦电力电子器件的频率处于产生谐波的频率范围内，便会产生很严重的谐波问题，甚至影响到整个系统的稳定运行[37]。由此可知，一般情况下谐波的大小由变流器的结构特点和滤波装置的好坏决定。
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第三章 并网光伏发电系统仿真模型的搭建........................13

3.1 并网光伏发电系统结构......................................13

3.2 光伏电池模型的搭建........................................14

第四章 并网风力发电系统仿真模型的搭建......................25

4.1 风力机数学模型........................................25

4.1.1 贝兹理论..............................................25

第五章 分布式电源并网后的电能质量仿真分析....................51

5.1 电能质量影响分类........................................51

5.1.1 并网后的稳态电能质量影响分类.......................51
 

第五章 分布式电源并网后的电能质量仿真分析
 

5.1 电能质量影响分类

5.1.1 并网后的稳态电能质量影响分类

现实生活中存在的大型光伏和风力发电机组普遍存在一个问题，那就是由于自然界中光照和风的随机性，导致不同的安装位置或同一个安装位置的不同地方接收光照和风的能力是不同的，转换成电能的效率也不同，而机组又不能积蓄电能，转换的电能必须立马传输给电网或者负荷。这样随之而来的便是这么大容量且不稳定的电能突然供给给电网时会对电网造成很大的冲击，电能质量大大下降，且容量越大，对电能质量的危害也会越来越严重，甚至会影响到将来分布式电源发电系统研究的进度。因此研究并网后电能质量冲击的问题便成为了近几年的热点。光伏和风力发电接入对电能质量造成的危害主要包含对电压、频率和谐波的危害[52]。下面对其进行具体的分析：

1、电压波动与闪变

发电机组处于并网状态时引起的电压波动与闪变由功率输出的不稳定造成，通过发电机组—无穷大系统的结构来分析发电机组的并网机理，如图 5-1 所示。

通过以往对闪变问题的了解，我们知道只有当频率范畴在0.1Hz~35Hz 范围内的电压波动才能被人类观察到，而一般情况下电力系统中很少会出现这样的电压波动。但是一旦自身出现故障或者遭受别的影响，便会引起很严重的闪变问题。

2、频率问题

电力系统的频率由发电量和负荷是否均衡决定。当发电量与负荷相均衡时，系统的频率保持不变；当发电量大于负荷时，系统的频率会上升；当发电量小于负荷时，系统的频率会下降。当系统中发生大的扰动时，如发电机跳闸或负荷增加时，系统的频率响应按时间尺度可以分为三种：

（1）惯性响应，持续时间为几秒钟。（2）调速器响应，也称为“一次响应”，几秒到几十秒。（3）AGC 响应，也称为“二次响应”，几十秒到几十分钟。在实际的风电场中，风电场并网对大电网的频率几乎无任何作用。
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第六章 总结与展望
 

6.1 全文总结

近些年来，由于全球经济情况的飞速发展，人们对于能源的需求量不断增加，但是能源损耗使得传统的能源日渐消逝、供不应求。在这种情况下分布式电源应运而生，它既减少了环境污染，又减缓了不可再生能源的损耗。但是随之而来的是，当分布式电源并网时，由于其突然的使用或者电网侧发生短路接地故障都可能会对电网造成巨大的影响。本课题便在建立分布式电源并网仿真模型的基础上，对并网点的谐波影响及治理和暂态电能质量进行了仿真研究，具体的工作总结如下：

1.分析了光伏和风力发电系统的定义、结构和特点。以此为基础分析了两种系统并网时对大电网谐波的影响机理；光伏和风机并网情况下，研究了电网发生短路故障或者分布式电源突然起停等对电网产生的暂态电能质量分类、特点及影响。

2.根据光伏发电系统的特点和组成，建立了光伏阵列和并网逆变器的数学模型，提出了基于升压型变换器的MPPT控制和电压电流双环控制策略，在Matlab平台上建立光伏发电系统模型进行仿真，仿真结果表明所提出的控制策略是准确可用的，能够实现电网侧的电压和电流曲线为同频反相的正弦波，且光伏阵列的输出功率能很快地追踪到最大功率并以最大功率稳定地运行。

3.分析了并网风力发电系统的构造及工作特点，建立了风力机、永磁同步发电机、换流器的数学模型，提出了机侧采用零d 轴电流控制，网侧采用电压定向矢量控制的控制策略，调制波信号的产生采用了电压空间矢量脉宽调制，在Matlab平台上建立了风力发电系统，并对各种故障情况进行仿真分析，仿真结果为：正常风速下，电网电压和电流为标准的正弦波，直流侧电压恒定不变；电网电压跌落故障中，对风力机几乎无影响，对电网侧及直流侧影响很大；短路接地故障中，单相短路接地故障对系统影响不大，三相短路故障对系统影响很大。
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参考文献（略）