微电网电能质量总结_微电网中电能质量控制
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微电网电能质量相关问题总结
0 引言
电能，是电力供应方和用电客户共同保证质量的一种特殊商品。不合格的电能质量问题会对用户产生巨大危害。随着近年来电网中金融行业、医院、精密仪器生产线等敏感性负荷的比例增大，对电能质量提出了高的要求。因此，改善电能质量对于维护电网安全经济运行、保障工业产品质量、保证科学实验等具有十分重要的意义。一般来说，电力系统中各种扰动引起的电能质量问题可分稳态问题和暂态问题两大类。稳态电能质量问题通常是以波形畸变为主要特征，包括了电压偏差、频率波动、谐波、间谐波、噪声、三相不平衡、闪变、波形下陷等；暂态电能质量问题主要是以频谱和暂态持续时间为特征，包括电压跌落、电压骤升、供电短时中断、暂态过电压、电容器充电暂态等。
微电网是近年来逐渐兴起的一种电力组网概念，它是由一系列分布式发电系统、储能系统和负荷组成的微型电力网，根据需要可选择与配电网并网运行也可选择独立运行，能够实现自我控制、保护和管理。微网一般联接于低压配电网中，电压等级为380/220V。正常情况下，微网均处于并网状态，当检测到大电网故障、异常或电能质量难以满足指标时，则打开静态开关转为孤岛运行直至故障消除。实现两种模式间的平滑无缝转换是影响微网供电可靠性和电能质量的一个重要因素，关键在于静态开关的性能和采用的控制技术。并网模式下，频率、电压的稳定交由配电网来支撑调节，微网仅辅助调节局部电压和减少无功流动，此时微电源可采用PQ控制。而孤岛模式下，需要微网自身维持频率和电压的恒定，主要有单主或多主控制、对等控制和基于多代理技术三种控制思路，但都是由一个或多个微电源采用下垂控制和V/f控制来维持电压稳定。
由于微电网课题愈加受到学者们的密集关注以及高要求下电能质量问题的凸显，本文即对微电网接入所带来的影响及相关解决方法进行简要的总结。1 微电网电能质量特性总结
微网接入会对配电主网产生电能质量问题，配电主网的电能质量问题也会影响微网的供电质量，因为微网与主网联接不仅仅是物理上的相连，而是存在功率、电压和频率的交互影响。例如由于连接配电网和微网的静态开关仅在主网电压失衡严重时才会断开，若主网电压失衡程度没有严重到引发静态开关动作，微网就必须承受主网的影响，在公共连接点(PCC)处维持不平衡电压。如果微网内部没有足够的功率补偿装置，无法维持电压和频率的恒定，其中的敏感负荷就可能不正常运行或断开，从而使电网的电能质量问题扩散到微网中。
就微网自身来说，微电源的运行特性和控制方法、微电源的接入点和容量、微网运行方式和控制方法、采用的电力电子装置、储能设备及负荷特性都会影响电能质量，从而导致微网电能质量的检测、分析、评估和改善较之大电网更为复杂和困难。而其中微电源所引发的电能质量问题尤为凸显，且风电、光伏发电等新型间歇式微电源大都采用全控型换流装置接入，又带来了更多电能质量问题。微网的电能质量特殊性是由微电源、负荷及微网运行和控制方法共同决定的，其中主要的电能质量问题及特点有以下几个方面： 1.1 稳态电压分布变化
微电源的接入会影响微网各点的电压分布，抬高或降低原有电压，造成新的问题。传统电网通常呈辐射状，稳态运行情况下电压沿馈线潮流方向逐渐降低，而微电源的接入使得电网潮流复杂化，馈线上传输的功率减小及微电源输出的无功支撑，减缓馈线各点电压幅值的减低甚至抬高电压，负荷减小时微电源接入处电压可能出现波峰，严重时更可能导致电压超标，电压升高多少与微电源的位置及容量有关。微电源也可能带来低电压问题，例如馈线中采用了一些补偿设备来调节电压，当微电源处于此类电压调节器的下游，其输出电压又是调节器负载的重要部分，就可能引起电压调节器的输出电压减小，当微电源无法注入足够的无功功率，调节器下游区域电压水平就会降低。此外低电压水平也可能是由于基于异步发电机并网的微电源从系统中吸收滞后的无功功率而产生的。1.2 电压波动和闪变
可再生能源的起动和停运受自然环境、本地用户需求等因素的干扰，输出功率不规律且变化频繁，功率的突然变化导致电源和反馈环节的电压控制设备互相影响，给电压调整增加难度。微电源接入位置、数量、容量和控制方式的不合理均会直接或间接造成微网内明显的电压波动和闪变，与负荷的不协调运行也会加剧电能质量问题。当微电源与本地负荷协调运行时会抑制电压波动，但若微电源与本地负荷功率失衡反而会加剧电压波动。当微网转为孤岛运行模式时，需要协调控制维持自身的频率和电压，如果没有足够的无功补偿装置或储能元件，就容易导致电压波动、闪变等问题。1.3 频率调节难度增加
在传统电力系统中由于存在惯量，通过频率的轻微调节就能满足负荷变动时的初始功率平衡，再利用功率调节器使系统的频率恢复额定值[27]。而基于电力电子型接口微电源由于原动机响应速度较慢且没有储备功率，使得惯性较小，无法对负荷的阶越变化做出快速响应。当微电网与主网联接时可由主网来平衡负荷变化，但转入孤岛运行时，为了提高响应的快速性、减小电压和频率波动，就需更多的功率快速补偿措施。1.4 谐波和直流注入
谐波是除了电压波动、频率波动之外的电网第三大公害。微电源大多采用电力电子转换器接入微网，其电压调整和控制方式与常规方法有很大不同，对其进行操作不可避免地会引起微网电流、电压波形畸变，引入谐波污染，开关器件的频繁通断会产生开关频率附近的谐波分量，谐波的幅度和阶次受转换器工作模式的影响。此外，如微网不采用隔离变压器而直接接入电网，就有可能向电网注入直流，变压器和电磁元件可能出现磁饱和现象，造成附近机械负荷发生转矩脉动。1.5 继电保护整定困难
新的微电源接入必须配合微网中原有的继电保护装置，微电源必须在故障时早于重合闸动作被切除，否则可能引起电弧重燃，导致重合闸失败。微电源在不同点的功率注入会减小继电保护的范围，如果继电器不具备方向敏感性，则并联分支故障时微电源的电流注入会引起本线路继电器误动。此外微电源并网减小了感应电机和同步电机的临界切除时间。这些都会影响电网运行的安全性和可靠性。
1.6 短路电流增大
微电源会增大电网的短路电流水平，影响其大小、方向和持续时间，严重程度取决于很多因素，诸如微电源的技术类型、接入地点、容量、运行模式、渗透率与并网方式及采用的控制技术等。许多情况下并网侧装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但配电网故障瞬间微电源可能向电网注入较大电流，使得短路电流超标，导致断路器开断能力不足不能切除故障，扩大了故障范围危及系统安全。若发生接地故障时，注入大地的电流过大还会使地电位升高造成反击，严重威胁接地点附近的变电站和人身安全，还会影响通信设备的正常运行。微电网电能质量处理对策
微网中微电源对电能质量的最大影响是由于微电源输出功率的不确定性和所采用的大量电力电子转换装置带来的谐波污染和无功损耗，会形成微网“公害”，引发更为严重的电能质量问题，因此消除微网谐波污染、进行无功补偿提高功率因数具有十分重要的研究意义。抑制谐波污染问题基本有两条思路：一种是装设附加的谐波补偿装置来抑制谐波，适用于各种谐波源；另一种则是从谐波产生的源头入手，对谐波源本身进行改造，减少谐波的注入，适用于谐波源是电力电子装置的系统。而无功补偿看似和谐波抑制是两个相对独立的电能质量问题，但二者之间却有着紧密的联系：产生谐波的装置大多也是消耗无功功率的装置，如各种电力电子装置、变压器等，而抑制谐波的措施又可用于补偿无功功率，如LC滤波器、有源滤波器等。目前微网对于谐波污染及无功不足已经有一些可行有效的改善措施，但主要还是加装补偿装置，包括固态切换开关、无/有源电力滤波器、动态电压恢复器、静止无功补偿装置(SVC)等。随着更易于实现灵活控制的电力电子元件(例如GTO、IGBT等)的发展，柔性交流输电(FACTS)技术也成为改善电能质量的有力工具。储能设备的发展也在抑制电压、频率波动上发挥了重要作用。因此，若想进一步提高微网电能质量，还需从第二种思路入手，从源头处减少谐波的注入，即对微电源进行改进，提高其并网电能质量。
虽然微电源给微网带来了更多电能质量问题，但也存在改善电能质量的独特优势。首先微电源能及时快速地提供电能，在短时间内投入使用满足系统负荷变化，减少故障，提高系统稳定性。其次微电源与电能质量调节器的优化配置能实现统一控制，统一电能质量调节器、有源电力滤波器等电能质量调节器都是基于电力电子技术，而微电源中采用的电力电子转换器使实现转换器复用功能成为可能，可以改进现有的电力电子设备吸收、释放有功和无功，在改善微网电能质量的同时还减少了系统的建设投资，这将是改善微网电能质量的一个可行的经济方案。未来的微网逆变技术的发展趋势将会是集合不同的控制方法加以协调整合，形成复合控制，在向本地负荷及电网同步传输有功功率的同时，也能实现谐波抑制、无功调节和故障检测等多重功能，这将是未来微网电能质量治理的一个新的方向。小结
本文总结了微电网接入所带来的电能质量各方面的问题。由于微网在不同地点引入了不同容量、不同种类的微电源，具有各自的发电特性及并网方式，且采用了大量电力电子装置，带来特殊电能质量问题有别于传统电网。因此文中重点分析了微网电压、频率、电流质量、继电保护及短路容量等方面的特殊性和存在的电能质量问题。为了改善微网接入后的电能质量，对消除微网谐波污染、无功补偿提高功率因数进行研究具有十分重要的研究意义，文中整理了微网电能质量治理的主要思路，为学者进一步研究提供参考。
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