分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定及電能質(zhì)量改善研究

袁鋼

摘 要：隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展，當(dāng)前人們的生活水平變得越來(lái)越高。為了保障生活質(zhì)量，當(dāng)前人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境污染的相關(guān)問(wèn)題變得越來(lái)越重視。而分布式發(fā)電技術(shù)由于其在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)生態(tài)環(huán)境的友好性，受到了人們的廣泛重視。當(dāng)前，可再生能源技術(shù)不斷向前發(fā)展，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)能源研究的重要方向之一。

關(guān)鍵詞：分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng);狀態(tài)穩(wěn)定;電能質(zhì)量;改善

中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.023

隨著DG技術(shù)的不斷向前發(fā)展，當(dāng)前很多大容量分布式電源并入了電網(wǎng)當(dāng)中。然而由于技術(shù)上的局限性，當(dāng)前一些設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中依然存在缺陷，比如微型燃?xì)廨啓C(jī)及燃料電池在應(yīng)用中，相應(yīng)的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，而風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電會(huì)由于周邊生態(tài)環(huán)境的變化，無(wú)法穩(wěn)定輸出電能。DG容量小、電壓等級(jí)低，而且大多數(shù)都在配電網(wǎng)中并入電力系統(tǒng)。因此，DG的并入將會(huì)給配電系統(tǒng)帶來(lái)很多問(wèn)題。

目前，江陰局部地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電存量大，待并網(wǎng)需求大，在只考慮分布式并網(wǎng)、接入方案按現(xiàn)有規(guī)定的情況下，根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)情況（上級(jí)電網(wǎng)潮流、變電所主變?nèi)萘康龋?，保護(hù)、機(jī)組無(wú)功補(bǔ)償、消諧裝置人工計(jì)算后合理配置是當(dāng)前可行的[1]。文章從電壓方面保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性著手，對(duì)分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的戰(zhàn)略穩(wěn)定及電能質(zhì)量改善進(jìn)行了研究。

1 DG變網(wǎng)并網(wǎng)存在的問(wèn)題

DG一旦在配電側(cè)并入電網(wǎng)，必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，甚至?xí)茐恼麄€(gè)供配電系統(tǒng)控制等。為了保障人們的用電安全及用電穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法已經(jīng)無(wú)法滿足分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際需求，因此有必要改革其規(guī)劃方法。

就一般情況而言，DG并網(wǎng)通常是和配電網(wǎng)并列運(yùn)行的，但這種做法很可能導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)并網(wǎng)控制不良等問(wèn)題。DG有多種相應(yīng)的并網(wǎng)技術(shù)，一般可以將其分為直接相連、間接相連兩種方案。因此，對(duì)于如何并網(wǎng)才能進(jìn)一步減小對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，已經(jīng)成為當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。并網(wǎng)工作結(jié)束后，才能根據(jù)用戶實(shí)際需求，調(diào)節(jié)相關(guān)控制工作，進(jìn)而保障電能供應(yīng)質(zhì)量[2]。

1.1 對(duì)系統(tǒng)電壓的影響

當(dāng)引入DG量較小時(shí)，并不會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生太大影響。但是，當(dāng)電網(wǎng)中存在大量DG時(shí)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)產(chǎn)生極大影響。例如，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，由于饋線上傳輸功率不斷減小，饋線沿著饋線的各復(fù)合節(jié)點(diǎn)電壓將被進(jìn)一步抬高。

1.2 對(duì)電能質(zhì)量的影響

DG技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生局部影響。首先會(huì)產(chǎn)生諧波，其次會(huì)使電壓發(fā)生一定的閃變問(wèn)題。不同情況下，DG接入量的多少，都會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。就一般情況而言，當(dāng)接入DG后，電網(wǎng)傳輸電能質(zhì)量可能產(chǎn)生兩種變化：第一，電力網(wǎng)絡(luò)輸送電壓的諧波很可能出現(xiàn)畸變行為;第二，電力網(wǎng)絡(luò)輸送的電壓很可能出現(xiàn)閃變現(xiàn)象。

在不同條件下，DG會(huì)對(duì)電能接入產(chǎn)生提高或降低系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。同時(shí)，DG在投入和退出過(guò)程中，會(huì)由于不同步或者功率缺額等原因，使得系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大的波動(dòng)。出現(xiàn)這種情況的根本原因是DG在使用中需要通過(guò)用戶產(chǎn)生的一些行為控制其具體動(dòng)作。當(dāng)用戶端結(jié)合自身用電需求決定DG使用與否時(shí)，可以按照用戶的自身實(shí)際需求啟動(dòng)和停運(yùn)DG，在這種情況下配電網(wǎng)電壓經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)。因此，相關(guān)作業(yè)人員必須精準(zhǔn)控制DG的投入及退出。

隨著科技的不斷進(jìn)步，為使得DG的作用變得更加強(qiáng)大，人們會(huì)為DG加入一些電子型的電源，以此促進(jìn)DG設(shè)備的發(fā)展。采用此種類型的電源會(huì)使得電壓的調(diào)節(jié)和控制方式和常規(guī)方式存在一定的不同，因此，必須借助相應(yīng)的控制策略及控制手段，與其緊密配合。絕大多數(shù)情況下，電力電子型的電源在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中極易產(chǎn)生諧波，進(jìn)而造成諧波污染和明顯的電壓畸變，在此種狀況下降低了電能質(zhì)量。因此，必須限制引入的諧波，達(dá)到提高電能質(zhì)量的效果。

1.3 對(duì)繼電保護(hù)的影響

LEESTD1547規(guī)定，在線路故障后要將DG切除，然而，這一規(guī)定在一定程度上違反了安裝初衷，是不可取的。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的DG并網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程在多數(shù)情況下要求其并網(wǎng)不會(huì)影響原配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)行原則包括：DG不能主動(dòng)參與調(diào)壓，如果配網(wǎng)發(fā)生故障，相關(guān)工作人員要快速退出DG，確保配網(wǎng)機(jī)電保護(hù)功能以及其機(jī)電保護(hù)動(dòng)作的及時(shí)性和有效性。上述規(guī)定盡管在最大程度上確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但是會(huì)在一定程度上局限甚至可能破壞DG的正常運(yùn)行。在這種情況下，會(huì)損害DG發(fā)電商和相關(guān)用戶的經(jīng)濟(jì)收入，因此，不利于擴(kuò)大供電范圍和提高供電的可靠性。

1.4 對(duì)聯(lián)合電力系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

DG對(duì)于聯(lián)合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響主要根據(jù)功率水平和發(fā)電方式?jīng)Q定的。在DG中涵蓋了大量的電力電子設(shè)備及電容電感。因此，DG并入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)后，必然會(huì)改變電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得電網(wǎng)的潮流發(fā)生改變。在此基礎(chǔ)上，會(huì)極大地影響聯(lián)合電力系統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

除此之外，外界相關(guān)因素的干擾也極有可能使聯(lián)合電網(wǎng)的頻率和電壓失去穩(wěn)定性，進(jìn)而在其實(shí)際運(yùn)行中使整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)較低。因此，在聯(lián)合電網(wǎng)運(yùn)行后，在各種狀態(tài)下要做到故障時(shí)相互隔離，遇到外界干擾能夠做到相互配合，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 DG面臨問(wèn)題的具體解決措施

2.1 DG電源位置和容量的確定

設(shè)置分布式系統(tǒng)的過(guò)程中，充分考慮各種衡量指標(biāo)并且在此基礎(chǔ)上確定發(fā)電方式，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。設(shè)計(jì)DG電源位置必須充分考慮其周邊地理環(huán)境、交通運(yùn)輸條件等多種相關(guān)因素。同時(shí)，還應(yīng)考慮線損的消耗等相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)而改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

如果總出力相對(duì)較多則會(huì)進(jìn)一步增高復(fù)合比值，在此種條件下會(huì)加大電壓支撐，從整體上提高電壓水平。在不改變分布式電源總出力的條件下，如果將所有分布式電源連接在同一節(jié)點(diǎn)上，其電壓的支撐效果略低于接在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的效果，主要原因是由于DG單個(gè)容量較小能夠廣泛地分布在線路上，從而達(dá)到較好的支撐電壓的效果。

2.2 繼電保護(hù)的改進(jìn)

傳統(tǒng)形式下的配電網(wǎng)具有龐大的特性。對(duì)于電力企業(yè)而言，徹底放棄當(dāng)前已有的一些電力保護(hù)措施會(huì)遭受很大的經(jīng)濟(jì)損失，而根據(jù)當(dāng)前已有的技術(shù)手段，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上加大改造力度，全面解決饋線接入后造成電力網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)情況，將對(duì)DG的推廣具有極大的促進(jìn)作用。

配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)與氣墊保護(hù)的類型、數(shù)量以及其接入位置具有極其重要的關(guān)系。在進(jìn)行保護(hù)改造作業(yè)之前，如果可以對(duì)DG進(jìn)行系統(tǒng)分類，能夠判定該DG是否對(duì)系統(tǒng)故障產(chǎn)生影響，從而降低改造難度，增加經(jīng)濟(jì)效益。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果每個(gè)DG都可以通過(guò)電流型逆變器作用的正常發(fā)揮接入電力系統(tǒng)，那么無(wú)論在后續(xù)使用時(shí)發(fā)生何種類型的安全事故，DG都會(huì)充分發(fā)揮作用并自動(dòng)脫離電力系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2.3 利用電力電子轉(zhuǎn)換接口技術(shù)

無(wú)論是任何一種形式的DG都必須要解決DG電源和電網(wǎng)用戶以及儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的接口能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。近年來(lái)，對(duì)于電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，然而并不能完全滿足DG的要求。因此，必須開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新新型的電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備，使其以較低的成本完成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換。

目前，用于DG的電力電子接口常采用的有逆變器、DC—DC轉(zhuǎn)換器、輸出過(guò)濾器以及處理器。為滿足成本低、可靠性高的要求，必須針對(duì)這四類接口進(jìn)行模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照其連接方式的不同，模塊化接口可以使用不同的功率和電壓等級(jí)的DG系統(tǒng)。變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略必須在實(shí)踐和探索中逐步形成。除此之外，電力電子接口電路提供輔助性服務(wù)給DG也要進(jìn)行研究。

2.4 電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用

電力系統(tǒng)發(fā)明以來(lái)，即使經(jīng)過(guò)多年的使用，在當(dāng)代有關(guān)于電力系統(tǒng)如何對(duì)能量進(jìn)行有效儲(chǔ)存也依然是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。而DG元部件的大量應(yīng)用也是的能量?jī)?chǔ)存問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)展更為迫切，目前絕大部分已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)在這一過(guò)程中也取得了相對(duì)較為理想的效果。

然而，如果人類要想使DG技術(shù)得到更好的應(yīng)用，就必須要加大研究力度采取全面措施使其可靠性得到實(shí)質(zhì)性的增加，只有這樣才能讓能量的儲(chǔ)存量得到進(jìn)一步增長(zhǎng)。如何才能提升系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在安全及時(shí)的狀態(tài)下吸取和釋放電能，將嚴(yán)重影響并網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

3 STATCOM-PSS控制對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性及電能質(zhì)量的改善研究

當(dāng)大量風(fēng)電接入電網(wǎng)后，將會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極大影響。因此，如何才能采取有效措施，使得風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)本身具有的穩(wěn)定性及電能質(zhì)量得到保障，是當(dāng)前研究人員面臨的主要問(wèn)題。由于風(fēng)能在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中本身就具備一定的隨機(jī)性，因此風(fēng)電機(jī)的實(shí)際輸出功率會(huì)隨著風(fēng)力變化而變化，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)或者閃變，最終使電能輸送質(zhì)量得不到保障。為了改善這一問(wèn)題，可以通過(guò)一些能量?jī)?chǔ)存裝置緩解閃變問(wèn)題。

3.1 STATCOM的基本原理

STATCOM技術(shù)在實(shí)際使用中，要想保障其功能的穩(wěn)定性，需要以VSC為其使用基礎(chǔ)。就性質(zhì)上而言，其是自激式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的一種。在該裝置實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于本身具有的一系列優(yōu)勢(shì)，不需要借助傳統(tǒng)的被動(dòng)元件吸收無(wú)功功率;相反，該裝置是直接利用直流電壓元以及PWM技術(shù)，控制相應(yīng)的無(wú)功功率?；陔妷涸醋兞髌鞯腟TATCOM如圖1所示。

3.2 STATCOM的建模與控制

根據(jù)STATCOM改善電能質(zhì)量的具體情況，可以將其進(jìn)一步分為提高功率因素以及調(diào)節(jié)電壓兩種類型，這兩種類型的具體結(jié)構(gòu)大致相同[3]。經(jīng)過(guò)綜合考慮，文章采用如圖2所示的STATCOM結(jié)構(gòu)控制方案。

在該控制方案中，為了保障其功能，一共包含兩個(gè)級(jí)聯(lián)控制回路，外面的電壓控制回路獨(dú)立于調(diào)整分層，而接入點(diǎn)則是B2的電壓以及STATCOM的直流電容電壓。內(nèi)部的電流控制回路會(huì)產(chǎn)生電壓分量，后續(xù)通過(guò)合理的方式方法可以將該電壓分量應(yīng)用于PWM模塊，從而進(jìn)一步產(chǎn)生IGBT門(mén)的控制信號(hào)。

3.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

PSS是為了使同步電機(jī)變得更加穩(wěn)定而專門(mén)設(shè)計(jì)出來(lái)的一種自動(dòng)控制裝置[4]。該裝置可以控制電機(jī)的勵(lì)磁電壓。當(dāng)電力系統(tǒng)由于風(fēng)電系統(tǒng)的接入而產(chǎn)生震蕩時(shí)，通過(guò)該裝置可以讓發(fā)電機(jī)的電功率產(chǎn)生一定的變化，使其和轉(zhuǎn)速震蕩處于相同的相位之內(nèi)，最終使得發(fā)電機(jī)的阻尼得到一定程度的改善[5]。具體的作用原理圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人類社會(huì)不斷向前發(fā)展，當(dāng)前世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)不斷加深。在這樣的情況下，由于基于可再生能源的分布式發(fā)電方案本身具有節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)，因此該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前風(fēng)電力系統(tǒng)不斷向前發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。

風(fēng)力發(fā)電由于受到自然條件的影響，無(wú)法產(chǎn)生持續(xù)的電能。一旦大量風(fēng)電并入電力系統(tǒng)中，必然會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響，在系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)尤其如此。

因此，為保障并網(wǎng)系統(tǒng)的使用效果，筆者對(duì)分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的一些內(nèi)容進(jìn)行了研究，并從STATCOM-PSS方面研究了相應(yīng)的解決方案，希望能對(duì)行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)新有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 王奕.含光伏和風(fēng)電接入的概率潮流計(jì)算的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2019.

[2] 王子璇.含需求響應(yīng)虛擬電廠的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)分布式優(yōu)化調(diào)度建模[D].吉林：東北電力大學(xué)，2019.

[3] 陳厚合，王子璇，張儒峰，等.含虛擬電廠的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)分布式優(yōu)化調(diào)度建模[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39（9）：2615-2625.

[4] 吳國(guó)棟.基于潮流轉(zhuǎn)移識(shí)別的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2017.

[5] 朱星陽(yáng).風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)隨機(jī)潮流計(jì)算方法及安全評(píng)估應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2014.