微电网接入对配电网电能质量的影响研究

摘要:随着新能源的大力发展，可再生能源发电技术受到人们的关注，但风、光等分布式发电技术具有一定的波动性和不确定性，导致其发电规律难以控制，给大电网的安全运行带来了极大的隐患，并网后大电网电能质量也就成为了重点问题。本文介绍了微电网的典型结构，归纳了微电网接入对配电网电能质量的影响研究现状，利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建了配电网、微电网仿真平台，对风光储组成的微电网与配电网进行并网模拟，进一步研究了微电网接入配电网对配电网电能质量的影响，所得结论为微电网接入配电网研究提供一定参考。

关键词：配电网；电能质量；微电网；MATLAB

A Study on the Impact of Micro-grid Access on PowerQuality of Distribution Grid

Abstract: With the vigorous development of new energy, the technology for generating electricity from renewable energy sources gradually receives attention. However, due to the strong volatility and uncertainty of wind, light and other factors, it is difficult to master the pattern of power generation, which brings great hidden danger to the grid connection, and the power quality after grid connection has become a key issue. This paper introduces the typical structure of micro-grid, simulatingthe current situation of research on the impact of micro-grid access on power quality of distribution grid, uses MATLAB/Simulink to build a simulation of distribution grid and micro-grid for simulating distribution grid and micro-grid composed of wind and solar energy storage,further studies the impact of micro-grid access to the distribution grid on power quality. The conclusions provide some reference for the study of micro-grid access to distribution grid.

Keywords: distribution grid; power quality; micro-grid; MATLAB

（来源：北极星输配电网 作者：罗文新疆风能有限责任公司）

1绪论

在电力系统中，配电网关注的方面有很多，如负荷预测、继电保护、故障定位等，其中电能质量是电力生产中从发电到售电两个环节上的重要参数。良好的电能质量对用电设备具有一定的友好性，劣质的电能质量在电力生产中的发电、输电环节会产生效率低下的影响。所以，电能质量在电力系统中是一项关键参数，也成为了电力企业在运用微电网接入配电网时重点考虑的内容。

1.1选题背景及意义

随着社会的发展，非常规能源的使用比率骤增。我国是人口大国，对能源的需求量远远大于其他的国家，新能源发电也被称为非常规能源，其中包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等。新能源有着清洁无污染的好处，但是也有自己的弊端，目前的技术相对火力发电的技术是不成熟的，风力发电、太阳能发电有间歇性、随机性的特点，使得所产生的电能接入电网的覆盖面在一定程度上受限，非常规能源的利用率增加，如果探索一些新方式来改变这类情况，那么可再生能源产业的道路将会是非常平坦的。微电网的概念是在21世纪提出来的，当微电网被接入配电网后，不但可以弥补一般传统供电系统的不足之处，而且能提高供电系统的可靠性。从环境方面考虑，微电网的接入还能减少由传统供电方式所带来的环境损害，为传统供电厂减轻负担。微电网的应用是有许多积极影响的，例如，在大电网出现故障不能正常工作时，微电网可以单独运行，提高供电的可靠性。除此之外，从经济方面考虑，微电网可以降低新建和扩建输电线路和发电机组的投资成本。微电网一般都包括分布式电源、负荷、储能装置、控制装置等几个部分组成，并能实现孤岛（直接连接用户）、并网（连接大电网）两种运行模式，还可以在这两种模式中平滑切换^[1]。微电网对配电网的影响是多元的，所以微电网对配电网的影响会更大。在此背景下，本次设计以配电网的电能质量作为切入点，研究微电网接入配电网前后的电能质量。

1.2微电网

1.2.1微电网的定义

微电网的概念最早是被美国学者提出来的，是为了更好的研究如何提高供电系统的供电可靠性。1999年，美国可靠性技术解决方案协会（American Association for reliability teclmology solutions）首次对微电网的结构、控制和经济进行了研究,并于2002年正式提出了一个相对完整的微电网概念，该概念在微电网概念上相对权威^[2]。

微电网是由多个分布式电源、储能装置及负荷组成微型电力系统，可以并网运行也可以在大电网故障时独立网孤岛运行^[3]。通常，微电网可以包括生物质能源、风能、储能光伏、燃料电池、微型燃气轮机以及各类电子元件等。如图1-1所示。

1.2.2微电网的典型结构及其优缺点

风光储微电网由光伏电池、风力发电机、储能系统、负载以及其他换流设备组成^[4]，如图1-2所示。

微电网把蓄电池储能和其他的分布式电源结合起来，能够将其连接到大型电网。微电网能够实现分布式能源的便捷高效，并且能够让数量体积大、形式冗杂的分布式电源并网。从而实现由多能源形式的供给，也是传统电网走向智能电网的途径。

传统的电网存在环境治理问题、资源不可再生的弊端，然而微电网的出现，能够弥补这些弊端。而且微电网的能够和配电网联合运行也能够孤立运行，确保电网的可靠性。微电网可以直接将电能输送到用户，避免了损耗，从而节约了发电成本。

电网的可靠性是很重要的，由分布式能源组成的微网能提高电能质量，将供电任务分散到微源，能够更好的满足供应关系，减小大规模的发电中断影响。虽然微电网的优势很明显，但是微电网的经济成本和技术支撑是要重点考虑的。虽然能够享受政府的鼓励补贴，但是微电源的成本是非常高昂的；而且技术标准欠缺；微电网的应用目前还尚未成熟，缺少可行的运行和保护问题的标准^[5]。

1.2.3微电网的国内外现状及发展

最近几年，以美国为首的几个发达国家对微电网应用进行了广泛研究，主要包括控制策略和电网安全保护的研究。美国一直以来都非常重视微电网技术的发展与示范工程建设，是开展微电网技术研究最早的国家之一，从2005年开始，应用实验室技术指导现场示范运行。美国能源部（DOE）发表“Grid2030”报告，提出美国电力系统下一个百年愿景^[6]。未来可实现满足多种电能质量需求、供电可靠性高且智能的微电网^[7]。

我国的微电网研究晚于其他国家，处于起始阶段，也建设了相关的实验基地，相关的单位正在投入研究，从“十二五”就制定相关的发展计划，在“十四五”期间又再次将新能源的比重上调。未来，微电网将成为电力行业不可或缺的一部分。

1.3含微电网的配网电能质量研究现状

在新能源发电并网的过程中，由于多数能源的波动性较强，输出功率稳定性差，同时，由于多数新能源及其接入过程需要电力电子装置来整流逆变等，也在一程度上产生附加谐波，这些都会引起新能源并网的电能质量问题^[8]，保证电网电能质量成为至关重要的问题。当由分布式电源组成的微电网接入配电网后，会对原本平稳的电网带来一定程度的波动，对于含微电网的配电网电能质量的研究需要重点探索。

微电网很容易引起电网电压、电流波形的畸变，同时会对配电网带来谐波的干扰，这就对电能质量带来了影响，产生这样的变化主要是因为微电网中含有大量的电力电子元器件，通过阅读相关的文献，主要影响有以下几个方面：

（1） 产生电压闪变：分布式电源就是风电、光伏电等能源，受到天气因素的影响非常大，这些不确定的因素就是造成配电网电压闪变到的原因。

（2） 产生谐波：分布式电源产生谐波的情况很多，主要原因还是因为微电网本身就是一个产生谐波的源头，并且微电网接到配电网的三相电是需要经过逆变后再接入到配电网，这就很容易产生谐波，谐波对电力系统中电能质量影响很明显。

（3） 影响稳态电压：微电网的组成基本单元就是光伏发电、风力发电，发电的多少受到外界自然条件的限制，处于一个不稳定的状态下，甚至会出现多次的启动停止，这种状态会对稳定的电网产生冲击。

（4） 影响系统电压波动：电网的电压分布情况由电网的潮流决定，一旦电网中电源注入的功率或负荷消耗的功率发生变化，将引起电网各母线节点的电压发生变化^[8]。

文献［9］从新能源发电的分类、特点以及并网情况分析，对其并网方式与并网时对电网造成的影响进行论述，并且提供了优化的配置方案。

文献［10］研究了风电场并网的运行过程，对影响电能质量的原因进行了探讨，分析了成因，提出了有效的解决措施。

文献［23］重点关注谐波治理，提出了消除谐波的策略，但是只对5次和7次谐波进行治理，其他谐波治理不能够完全实现。

文献［11］对电能质量的影响做了详细阐述，提出安装电能质量调节装置和安装超级电容器的储能装置来提升电能质量的策略。

1.4课题简介及实现方案

此次课题研究微电网接入对配电网电能质量的影响，通过MATLAB/Simulink仿真平台研究微电网接入配电网前后母线各参数的变化趋势，归纳其对配电网的电能质量的影响。该研究以配电网的电能质量为评价指标，通过仿真平台搭建的微电网和配电网为载体进行研究。微电网接入配电网电能质量的研究主要包括以下几个方面：

（1） 利用MATLAB仿真平台构建光伏发电系统、风力发电系统、储能系统的微电网模型。

（2） 利用MATLAB仿真平台构建配电网模型。

（3） 研究在未接入微电网时，原配电网电能质量情况，以及在故障时电能质量的变化和波动范围。

（4） 在接入微电网时，监测构成的配电网系统电能质量的情况，以及在故障时电能质量的变化和波动范围。

（5） 通过对比分析获得相关结论。

2微电网的建模

微电网包括的分布式电源涉及很多部分，本文研究微电网中主要包括三个部分，分别是风力发电、光伏发电以及储能电池。

2.1光伏发电系统

光伏发电系统的基本组成单元就是光伏电池，光伏电池的输出电流电压值都是比较小的，从而导致所输出的有功功率也比较小。为实现光伏系统的大功率输出，需要将多个光伏电池单元经过一系列的串并联构成光伏阵列，从而增大光伏阵列输出的电压和电流值^[12]。

2.1.1光伏电池发电原理

光伏电池的主要原材料是硅，硅外层有4个电子，当硅不含杂质的时候，外层电子就会和周围电子形成4对共价键，也就没有了自有电子。磷的外层有5个电子，当硅中含有磷时，每个磷原子周围就会多出一个自由电子，这样的半导体称之为N型半导体。硼外层有3个电子，当硅中掺杂硼时，每个硼原子周围就会形成一个空穴，这样的半导体称为P型半导体。

如图2-1所示，当P电极与N电极结合时，N电极中的自由电子会扩散到P电极中，因此在中间的耗尽层中，N电极失去电子带正电，P电极得到电子带负电，形成了一个内建电场。

当太阳光照射光伏电池时，光子激发产生电子。在电场力作用下，电子移动到N区，形成电势差，因此接通外电路后，电子会从外电路回到P区，形成电流，这就是光伏电池的发电原理。

一般太阳能光伏发电的工作方式主要有两种方式，一种是并网方式，另一种则是离网方式，图2-2即为光伏发电的两种工作模式。

2.1.2光伏电池的数学模型

在正常情况下，光伏电池由电流源和一个二极管并联构成，内部损耗可通过串并联电阻模拟，可画等效电路图如图2-3所示。