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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流DG接入对电能质量的影响分析及对策研究(整合)7.16【精品文档】第 13 页第二章 DG接入对电能质量的影响分析及对策研究分布式供电系统中输电线路大多呈放射状分布，为分析不同分布式电源对电能质量的影响，本文基于MATLAB/Simulink仿真环境建立了如图1所示的简单配电网供电系统结构图。在仿真中为了减少变量因素，所使用的分布式电源均采用PQ控制方法来完成功率控制。为了方便分析忽略并网逆变器谐波。图1 简单分布式供电系统结构图和传统电网相比，含分布式电源的配电网的电压等级一般较低，低压传输线和中压及高压输电线路参数特点不同，为了方便分析配电网参数见表
2、1。表1 线路阻抗参数图1中馈线A中，每一段线路长度均为1km，采用低压线路参数，电阻，。系统母线电压标幺值去1.05，电压基值为0.4kV,功率基值为10MVA，馈线A中所有负荷节点数据如表2所示。表2 负荷节点数据电网的潮流决定了电网的电压分布状态，所以电网中负荷消耗和电源注入功率的变化都会引起电网节点的电压波动。分布式电源接入配电网引起电压波动根本原因是分布式电源输出功率波动，下面将分析并网分布式电源输出功率波动引起电压波动的机理。图2 分布式电源并网等效电路图2为分布式电源并网示意图，在等效过程中忽略配电网中其他节点的影响只考虑该分布式电源于网点处对配电压电压的影响，同时为了分析出电压
3、波动的本质忽略分散的无功补偿装置，其中为机组出口电压相量；为电网电压相量，Z为线路阻抗，S为线路上流动的功率相量，其中： （1-1） （1-2） 取与实轴重合，其向量图如图3所示。图3 电力线路的电压向量图则有：可得：电压波动也是向量，由两个分量和组成，分别为电压降落的纵分量和横分量，即：则电压波动为：由于分布式电源多采用电力电子装置并入配电网，且与负载相距很近，没有长距离传输过程。因此与大电网相比，含有分布式电源的配电网有一些不同，并相应地需对传统电力系统分析方法进行修正。从表可以看出，对于中高压传输线，系统呈现电抗特性：XR，故电阻R可以忽略不计；而对于以低压为主的含有DG的配电网，系统其
4、呈现阻性：RX，故电抗X可忽略不计.则有：电压波动幅值为：考虑分布式电源的有功远大于无功，即，可将式进一步化简为: 由式可见，配电网的电阻R和电网电压恒定，则分布式电源的电压波动主要决定于有功功率的波动。即：式中：。验证结果经过多次验证具有通用的准确性，在实际工况下具有一定的使用价值。为进一步分析不同DG对馈线负荷电压的影响，定义系统电压稳定性指标如下：此指标较之其他指标更能体现出分布式电源的接入对电压质量的影响。在实验仿真中引入四个分布式电源，当分布式电源接入配电网后，考虑各DG不主动参与电压调节，除光伏电池采用最大功率点跟踪模式进行工作输出外，其余分布式电源控制模式均采用定功率模式，仿真模
5、型图如图4。图4 系统MATLABSimulink仿真图功率分布式电源有功出力恒为225MW，其有功出力为总负荷的45，负荷采用静态恒功率负荷。逆变器型DG采用输出特性较好的燃料电池模型，运行在额定功率因数。考虑不同DG分别安装在馈线首端Bus2、馈线中部Bus6和馈线末端Busl2这三种情况。三种情况下对负荷电压质量的影响情况与无DG时做了对比，仿真结果如下：(图中0，1，2，3分别表示无DG接入、接入逆变器型DG、接入同步电机型DG和异步电机型DG的情况)(b)馈线首端Bus2接入不同DG引起的变化(b) 馈线中部Bus6接入不同DG引起的变化(c) 馈线末端Busl0接入不同DG引起的变
6、化图5 安装位置变化时不同DG对电压质量的影响由于标幺值计算的特殊性，各节点的标幺值与基准值的偏差即为电压偏差，利用电压偏差比上额定电压即可获得电压改善率。由图5知，不论DG安装在馈线首端、中部还是末端，逆变器型DG对配电网电压支撑作用最大，然后是直驱同步电机型DG，它们都能显著改善配电网电压质量，而异步电机型DG降低了配电网电压质量，定义加入分布式电源后电压变化值与未加入前电压比值为电压改善率。对于不同馈线上的节点，由于PCC点的存在使分布式电源的作用力无法直接穿越PCC节点对其产生影响，故而其电压质量变化很不明显。不同DG对馈线负荷电压的影响情况详见表。验证结果经过多次验证具有通用的准确性
7、，在实际工况下具有一定的使用价值。表3 不同DG对馈线负荷电压的影响由表3分析知，DG安装位置从馈线首端到末端变化时，逆变器型DG对负荷电压的改善作用增强，系统电压稳定性也逐渐提高。而异步机型DG对负荷电压的影响却明显不足，这是因为正常运行时，异步电机型DG的惯性系数较大，从而降低了馈线上各负荷的电压质量。因此，异步电机型DG接入系统时需配置一定的补偿设备来加快反应速度。验证结果经过多次验证具有通用的准确性，在实际工况下具有一定的使用价值。DG安装位置从馈线首端到末端变化时，同步机型DG和逆变器型DG的电压改善作用逐渐增强，是因为馈线末端距平衡节点电气距离长且其短路容量较小，因此同样的DG出力
8、便会产生更大的电压变化。以上几种情况均可视为单DG集中接入时DG对电压质量的影响，下面考虑DG总出力不变，多DG分散接入时DG对电压质量的影响。以逆变器型DG为例，考虑在馈线中部Bus6接入有功出力恒为225MW的逆变器型DG，分散接入设置以下三组： 在Bus2、Bus4、Bus6分别接入有功出力恒为0.75MW的逆变器型DG； 在Bus7、Bus9、Busl1分别接入有功出力恒为0.75MW的逆变器型DG； 在Bus3、Bus6、Bus9分别接入有功出力恒为0.75MW的逆变器型DG。不同情形下DG对电压质量的影响做了对比，仿真结果如下：图6 多DG分散接入时引起的电压变化图7 DG分散接入
9、时馈线负荷电压改善率由图6、图7仿真结果知，集中接入时DG对馈线负荷电压的改善作用小于各分散接入方式，而各分散接入方式下DG对负荷电压的改善作用亦不同。对于不同馈线上的节点，由于PCC点的存在使得分布式电源的作用力无法直接穿越PCC节点对其影响，故而其电压质量变化不明显。各接入方式下馈线负荷电压指标对比如表所示。验证结果经过多次验证具有通用的准确性，在实际工况下具有一定的使用价值。表4 DG分散接入时馈线负荷电压指标对比由表4知，各分散接入方式较集中接入的电压平均改善率高，电压稳定性也好；各分散接入方式中分散下DG对负荷电压的平均改善率最高，电压稳定性也最好。表明：多DG分散接入时，DG对馈线
10、负荷电压的改善作用优于集中接入，且分散接入的位置越靠近馈线末端对电压改善作用越明显，这和单DG接入时越靠近末尾对线路电压改善率越高的结论相符合。验证结果经过多次验证具有通用的准确性。以逆变器型DG为例，通过改变出力进一步研究对配电网电压的作用。考虑在馈线末端Busl2接入4台额定有功出力为225MW的逆变器型DG，分别就逆变器型DG出力0、33、67、100情况进行分析，仿真结果如下。图8 逆变器型DG出力变化时引起的电压变化图9 逆变器型DG出力变化时馈线负荷电压改善率由图8、图9仿真结果知，随逆变器型DG出力的增加，其对馈线负荷电压的改善作用逐渐增强。对于不同馈线上的节点，由于PCC点的存
11、在使得分布式电源的作用力无法直接穿越PCC节点对其产生影响，故而其电压质量变化很不明显。逆变器型DG出力变化时馈线各负荷电压指标如表所示。表5 逆变器型DG出力变化时馈线负荷电压指标对比由表5知，逆变器型DG出力从0到100逐渐增加时，电压平均改善率逐渐升高，系统电压稳定性也越来越好。表明：在不改变逆变器型DG安装位置时，对负荷电压的支撑作用由出力决定，出力越大，其对馈线负荷电压的支撑作用越大，系统电压稳定性也越好。验证结果经过多次验证具有通用的准确性，在实际工况下具有一定的使用价值。配电网中电流质量参数指标主要表现在分析谐波电流的特性，而谐波电流占有率是常用的对谐波研究的工具，所以本节主要通
12、过研究谐波占有率来反映配电网电流质量。参考对电压的分析，为了分析结果统一，所有分布式电源仍然采用逆变器并网形式，针对DG安装位置不同而引起配电网中谐波电流变化，假设DG数量没有变化，并且保持每个DG容量不变，只改变它们在网络中的位置。表显示的是各DG的装设位置信息。表6 DG位置变化的信息根据表6给出的分布式电源接入位置，在MATLABSimulink中进行分析可获得如图10表示的馈线沿线各负荷节点的谐波电流畸变率值。图10 不同DG接入位置配网谐波情况从图10可以看出：(1)总容量相同的DG，其位置越接近线路末端，馈线沿线各负荷节点的电流畸变越严重。反之，DG越接近系统节点，对系统造成的谐波
13、影响越小；(2)从减小谐波畸变的角度来看，DG并不适宜在末节点接入系统，相反，可选择在线路接近系统节点处和馈线中间位置的组合；(3)对于不同馈线上的节点，由于PCC点的存在使得分布式电源的作用力无法直接穿越PCC节点对其产生影响，故而其电流质量变化很不明显，验证结果经过多次验证具有通用的准确性。由于逆变器型DG接入系统后，谐波问题比较突出，因此研究仅针对逆变型DG。4台DG分布的位置为：节点3接入DGl，节点5接入DG2，节点7接入DG3，节点9接入DG4，容量分布情况见表7。表7 各方案DG容量分布情况通过仿真可获得容量变化后配电网谐波电流占有率的分布如图11。图11 不同容量DG接入后配网
14、后谐波情况从图11可以看出：在不改变DG接入位置的情况下，馈线上的谐波畸变率由DG总容量决定，总容量大，同一馈线沿线各负荷节点电流谐波畸变率明显，当容量大于到一定值时，某些畸变严重节点的谐波电流超过标准规定的谐波电流畸变率的限值。对于不同馈线上的节点，由于PCC点的存在使得分布式电源的作用力无法直接穿越PCC节点对其产生影响，故而其电流质量变化很不明显。验证结果经过多次验证具有通用的准确性，在实际工况下具有一定的使用价值。分布式电源之间位置关系或者出力关系发生变动时，均会导致电流质量的变化，实际上当配电网中的多个逆变型分布式电源同时独立地进行并网运行时，逆变电源都是将多输入多输出系统当成单输入
15、单输出系统来控制，然而此时多逆变电源间的交互影响不能忽略。单逆变电源独立运行时好的控制方法在多个逆变电源同时运行时效果会明显变差。分析时需要首先求得系统输出和输入之间的传递函数矩阵G(0)。考虑如图12所示的等效简化电路。图12 等效简化电路图12中：以为非线性负荷等效谐波源，位置靠近分布式电源1，将2个逆变型分布式电源等效成谐波注入源记和；Rl和L1，R2和L2为等效线路谐波阻抗；R3和L3，R4和L4为分布式电源处等效谐波阻抗；Rl和Ll为谐波源处等效谐波阻抗。选择谐波源处电压u作为系统的输出，谐波电流和作为系统的输入。对图12电路列微分方程如下：（1-3） 此外，图12中电流把和由分布式
16、电源的逆变器控制方式决定，采用基于逆变型分布式电源的谐波等效方法，以分布式电源源1为例建立数学模型如图13所示。图13 分布式电源谐波数学模型框图图13中：G1(s)为谐波检测环节的传递函数，谐波增益为l，基波增益0：GF(s)为谐波电流生成环节的传递函数，可以等效成时间常数很小的一阶惯性环节；k为补偿系数，完全补偿时；为逆变器直接输出的补偿电流；为谐波源1检测到的本地负载中流过的谐波电流；，不等于实际注入电网的谐波电流。考虑到逆变器中LC滤波器电容支路的分流作用，与之间的传递函数GZ（s）可以近似的表示如下：(1-4)式中：C为滤波器电容。综上可得分布式电源1的闭环传递函数GCl(s)为：(
17、1-5)同理，可求得分布式电源2的闭环传递函数GC2(s)。对式做Laplace变换并将由GC1(s)和GC2(s)确定的电流关系代入，可得多逆变器谐波时系统的传递函数矩阵为:(1-6)则RGA的表达为：(1-7)式中：和为参数，表示Hadamard积，表示矩阵的广义逆。RGA描述的是当其他谐波源加入时对原控制回路的影响，反映分布式电源l受分布式电源2的影响程度，反映分布式电源2受分布式电源1的影响程度。由式和式可以看出，RGA由G(0)决定，而G(0)的值与图电路中的阻抗参数有关。令G(0)=g1，g2，图14给出了g2=5时RGA参数随g2变化的仿真结果。图14 影响系数关系曲线或越接近1
18、说明分布式电源产生的谐波电流受其他分布式电源的影响越小，从图14中可以看出，2个分布式电源之间始终存在交互影响。此外，和和始终为l，这是由RGA矩阵的性质决定的。图14中随着g2的增大，逐渐减小，逐渐增大，说明分布式电源1受分布式电源2的影响越来越大，分布式电源2受分布式电源1的影响越来越小，即分布式电源2接入点越来越远离分布式电源1，与上述仿真结果相符合。当时，2个分布式电源之间的影响程度是相同的。综上，分布式电源之间始终存在交互影响，交互影响的大小由分布式电源之间电路的具体阻抗参数决定。另外，分布式电源并网后会对原线路上的电流起到助增作用，使该段线路的短路容量提高。短路容量的水平会对电压波
19、动和闪变造成影响。同时短路容量的高低也会对系统中的谐波造成影响。分布式电源渗透率的提高，负荷的频繁投切，将会引起电压暂降频次的提高，会对感应负载造成更大的冲击，并且短路容量的增大会改变电压暂降的程度。通常分布式新能源发电系统大部分采用电力电子装置实并网，电力电子装置会产生的电压电流谐波，甚至电网不对称故障产生的负序电压以及电网自身的电压谐波，与分布式新能源发电站变流器相互作用，将导致变流器产生附加谐波电流。当大电网具有足够的备用容量和调节能力，一般不必考虑分布式新能源发电站功率波动引起的频率偏差，而主要考虑功率波动引起的电压波动和闪变。2.1 DG接入谐波影响分析谐波指配电网中一个频率是基波的
20、正整数倍数的周期性正弦波形分量。如公式所示，可用各次谐波的含有率来描述配电网中谐波等相关参数。(1-8)配电网中用户负载的非线性是引起谐波电流的最常见原因。非线性表示负载阻抗随时间、温度等其他参数而变化，导致回路中电容器、互感器等元件因过流或过压损坏；也有可能是使继电保护装置损坏出现不操作或者误操作；谐波也会使电网中电气设备利用率下降，大幅减少设备的使用寿命，而且谐波电流还会降低功率因素，降低配电网效率。第h次谐波含有率的定义是周期性交流量中含有的第h次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值百分比： 式中，与分别表示电能信号数据的h次谐波与基波有效值。 分布式新能源发电主要通过两个途径给系统带
21、来谐波：一是电机本身所装备的电力电子装置，此外，电机并联补偿电容器也会和线路电抗产生谐振。由于谐波的不固定性，会随着电环境的变化而变化，在配电网运行时谐波电流一旦被放大发生谐振后，对电力系统的危害极大。由于并网光伏逆变器的绝缘栅双极型功率开关（IGBT）的物理特性，以及采用脉宽调制控制方法的逆变器自身特点，并网光伏电站运行时会产生相应的电压电流谐波，且由光照强度变化（如自然光照强度变化、浮云的阴影效应、物体的阴影效应等）引起光伏电站输出功率的波动间歇变化以及光照不对称都会引起谐波污染。图为并网光伏发电站在晴转多云天气的实测电流谐波畸变率曲线，可见在出力较小的凌晨和傍晚时电流谐波畸变率较大，中午
22、多云时电流谐波畸变率也有所突增。图15 新能源发电站总电流谐波畸变率2.2 DG接入电压闪变分析电压的波动是一种物理现象，具体指配电网中供电电压的有效值发生了一次或者连续发生的变化。闪变是指人对灯光亮度改变的一种心理感觉，是由灯光亮度发生改变所引起的不稳定感。例如用户家里同时使用白炽灯、洗衣机、电冰箱等，如果这些电器都使用同一电源，很有可能造幅值波动现象成供电电压出现幅值波动现象，进而白炽灯灯光出现闪烁。如图所示，当闭合开关S，启动电机M时，电路中容易出现冲击电流，此时公用配电网的阻抗就会导致白炽灯两端电压下降，电压下降就会引起白炽灯亮度发生变化，即使电压波动很小，亮度变化也很大，这种现象就是
23、闪变。图16 波动以及闪变电路现象示意图光伏发电站的输出功率随光照强度和温度波动变化，图为某地6MW光伏并网发电站接入电网时，发电站与电网公共连接点在24 h时间内的相电压波动曲线，图中C相电压波动大于A和B相，且C相电压波动多次超出4%限制。通常新能源发电站所接入的电网短路容量越大，则表明该配电网络越坚强，新能源发电站的功率波动以及启动和停机引起的公共接入点的电压波动和闪变就越小。若新能源发电站接入的电网较薄弱时，则在设计时需要选择合适的并网点和电压等级。图17 新能源发电公共连接点电压波动分布式小水电本身没有调节性水库， 其出力受季节、气候、 水势影响较大。 发电机组的起动还会改变线路的潮
24、流分布， 使原来单一的放射性配电网变为有多个电源接入的复杂电网，从而加大了电力部门调压的难度，调节不及时或调节失误会使电压超标。垃圾发电是把各种垃圾收集后，进行分类处理。 第一步是对燃烧值较高的进行高温焚烧， 同时彻底消灭其中病原性生物和腐蚀性有机物等，在高温焚烧的过程中，产生高温蒸汽，从而推动涡轮机转动，使发电机产生电。 第二步对不能燃烧的有机物进行发酵，进行厌氧处理，然后干燥脱硫，产生甲烷气体后再经过燃烧，产生蒸汽从而发电。 经过焚烧后的垃圾残渣容积，只有原容积的 13 成，从而达到缓解土地资源紧张、延长填埋场使用寿命的目的。垃圾发电与传统小型火力发电具有相似之处。 由于城市生活产生垃圾总
25、量大，且每日市政出车专门收集各种垃圾，发电所需的垃圾供应源稳定。 因此，垃圾发电厂出力较其他分布式能源可预测、可控、可靠，但是垃圾发电接入电网依然会有以下方面的影响：（1）配网潮流。 垃圾发电产生电力除满足厂内用电外，还将流经并网点进入配电网，供电网络中其他负荷。 在电网小方式运行，垃圾发电厂所发电力无法在所处馈线上被消纳时，多余电力将通过更高电压等级进入电网， 使配电网中有功潮流由原来的单向变为双向流动。（2）可靠性。 垃圾发电需要对收集的垃圾分类处理，并对焚烧后的尾气进行无害化净化。 发电厂内部存在大量的辅机，而这些辅机需要从公用电网（配电网）取电。 当公用电网出现故障失电，垃圾发电厂将因
26、此停发，它不仅不能给电网提供电力支撑，还加大故障产生的功率缺额，进而扩大故障影响。2.3 对策研究（1）改善新能源装置性能。在选择新能源发电设置时，建议采用性能高的电力电子设备，以增强设备自身功率、减少谐波产生量；安装相关的电能质量治理装置，增强风电侧的无功支撑（如SVC , STATCOM等）；配备一定量的储能装置并提高风电机组的低电压运行能力。（2）提高系统接纳能力。增加系统的旋转备用容量；采用先进的柔性交流输电系统（FACTS技术）；积极构建坚强的智能电网，应协调控制。此外，新能源接入标准如风电、太阳能等设备接入标准都对设备的接入提出了明确、具体的要求，作为电力设备的生产企业也应按照标准
27、，开发出具备电能质量治理能力的新型设备。（3）抑制谐波和闪变问题。一是谐波问题，首先就电场注入系统的谐波电流做好相关的抑制措施，在发电厂利用电力电子转换器发电机组时，要保证注入的电流满足公共电网谐波（GB/T145149）的标准要求；在发电厂向配电网中注入谐波电流时，应参考发电厂装机容量与供电公共连接点上的谐波源发电和供电设备的总容量的比值进行分配。避免使用单一发电机，建议采用不同类型发电机进行混合配置，保证新能源发电稳定、安全运行。二是闪变问题，要保证接入公共连接点处的闪变干扰值满足电能质量、电压允许波动和闪变（GB12326-2000）的要求，要严格按照风力发电厂装机的总容量与供电公共连接点干扰源的总容量之间的比值做好相应的分配。