摘要
针对分布式电源对电网电压波动具有潜在影响的问题，本文对分布式电源接入引起的电网电压波动进行系统研究。首先分析了电压波动的形成机理；然后说明了分布式电源接入配电网时电压波动的特殊性，在此基础上分析了分布式电源功率变化对电压波动的影响；接着讨论了容易引起电压波动的分布式电源功率变化的几种情况；最后探讨了利用分布式电源抑制电压波动的优势与基本思路。
引言
近年来，以风力发电和光伏发电为代表的分布式发电技术得到了迅速的发展和大力的推广。一方面，分布式电源的环境友好性和循环再生性为应对能源危机和环境污染提供了帮助；另一方面，人们也注意到了分布式发电由于受到自然条件的限制，其输出功率具有很强的随机性和波动性，大规模的分布式电源并入电网，将会对现有电力系统的供电质量产生严重的影响。
本文将对分布式电源接入而引起的电压波动进行系统研究，分析电压波动的形成机理，在考虑分布式电源接入的配电网特性上指出分布式电源对电压波动的影响及计算方法，分类讨论容易引起电压波动的分布式电源功率变化的几种情况。提出利用分布式电源抑制电压波动的优势与基本思路。
1 电压波动及其形成机理
1.1 电压波动的定义
为了研究分布式电源接入对电压波动的影响，首先分析电压波动的形成机理。根据GB/T 12326—2008，电压波动被定义为基波电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变。其变化周期大于工频周期。相对于电压偏差而言，电压偏差也可称为快速电压变动或动态电压变动。
电压波动可以通过电压方均根曲线来描述，电压变动d和电压变动频度r分别是衡量电压波动大小和快慢的指标。波动大小可由式（1）计算得到
式中：ΔU为电压方均根曲线上相临两个极值电压之差；UN为系统标称电压。
1.2 电压波动的形成机理
考虑三相平衡的供用电系统，图1所示为简化的供电电路的等效单线图。其中，Z0=R0+jX0为系统等值阻抗，ZL为负荷阻抗，U0为供电系统的无限大电源母线电压， 为负荷电流，P＋jQ 为负荷的复功率。
图1 供电系统简化单线图
系统等值阻抗Z0上的电压降表达式为
如果认为无穷大电源母线电压不受用电负荷影响，U0维持不变，那么负荷侧的供电母线电压的波动就是由系统等值阻抗Z0上的电压变动造成的。负载侧供电母线电压波动的幅度与系统等值阻抗Z0上的电压变化幅度是相同的。
忽略负荷电压变动影响，电压变动量与各参量之间的关系式可表示为
在传统的高压电网分析中，一般认为供电母线电压与无穷大电源母线电压的相角差较小，电压降横分量对电压损失的影响可以忽略不计，把电压降纵分量近似看作电压损失，则电压变动量大小与各参量的关系式为
由（4）还可得到供电母线相对电压变动值d（％）的计算公式
在假设R0<
由上式我们可以很清楚地了解到，电压波动值与负荷的无功功率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。这是计算电压波动的基本关系式，也是GB/T 12326—2008中提供的电压波动测量和估算方法。它从物理意义上反映了高压电网中供电电压发生波动的根本原因。
2 分布式电源引起的电压波动
2.1 电压波动的形成机理
在110kV及以上电压等级的输电线路中，X>>R，由式（4）可知，无功功率Q对电压变动值的影响显然远远大于有功功率P对d的影响。所以由式（6）可知，在高压大容量输电网络中，负荷的无功功率变动可以认为是电压波动主要原因。
但是在分析分布式电源引起电压波动问题时，该结论不一定适用。通常情况下，分布式电源容量不大，不适合直接接入110kv及以上的输电网中，而是就近接入电压等级相对较低的配电网中。而适用配电网电压等级的电力线路，其阻抗特性与X>>R的110kV及以上电压等级的线路不同，主要呈现电阻特性，即R>>X。显然在分析配电网中分布式电源对电压波动影响时，式（4）中与R有关的项不能再任意忽略。
但要注意的是：在含有分布式电源的配电网中，虽然可能R>>X，但这并不意味着无功功率Q对电压波动的影响可以忽略不计。即使无功功率Q对电压波动的影响不如有功功率P的影响明显，在设计抑制电压波动的措施时，也要优先考虑减少线路上传递的无功功率Q。因为有功功率P是分布式电源理应输送给电气用户的功率，为了抑制电压波动而减少有功功率输出P并不可取。
2.2 分布式电源功率变化对电压波动的影响
电网的潮流分布情况决定了电网各节点电压大小，所以当电网中的电源输出功率或者负荷吸收功率发生变化时，电网各母线节点电压也会随之变化。而分布式电源的特点之一是输出功率具有波动性，不确定性程度高，所以在有分布式电源接入的情况下，分布式电源功率变化将是电网电压波动的主要成因。图2为负荷侧接入了分布式电源的供电系统简化单线图。
图2 接有分布式电源的供电系统简化单线图
对于图2所示的等效电路，分布式电源功率变化引起的接入点电压变化量等于系统等效阻抗上的电压变化量（实际上二者的变化趋势正好相反，为了表述方便，这里不对其正负号做特别关注），可用下式计算：
式中：U为分布式电源接入点的电压，UN为该点的额定电压；Sk为DG接入点处的短路容量；ΔS为分布式电源注入功率的变化量；φ0为系统等效阻抗Z0的阻抗角；θ为分布式电源的功率因数角。
一般低压配电线路不会太长，两端的相位移比较小，在分析时往往可以忽略电压变化的垂直分量（即虚部），认为电压变化量可以近似用其水平分量（实部）来表示。同时考虑到负荷供电电压大致在额定电压附近变化（即U≈UN），分布式电源接入点的电压波动可表示为：
由上述分析可见，主要是四个方面的因素决定着单个分布式电源接入对系统电压波动的影响，包括：供电系统的短路容量Sk、分布式电源注入功率的变化ΔS分布式电源的功率因数角θ以及系统等效阻抗的阻抗角φ0。
供电系统的短路容量越小，则分布式电源引起的电压波动越大。分布式电源接入点多为10kV或者380V的配电网，其短路容量相对较小，会在功率波动时产生较大的电压变化。
分布式电源注入系统的功率变动越大，则引起的电压波动也越大。某些大型分布式发电机机组的启动和退出、分布式发电机组输出功率骤然变化时，由于功率快速变化而且变动幅度大，引起的电压波动也最为明显。例如，在分布式电源起动，输出功率从0迅速增加到额定容量附近时，分布式电源注入系统的功率变化量最大（相当于其额定容量SN），在其它条件不变的情况下，此时引起的电压波动也最大。电压波动最大值可以表示为
其中SCR为短路比，即供电母线短路容量和设备额定容量的比值。
分布式电源的功率因数是由其自身的控制方式决定的，原则上可以实现任何功率因数输出，也可以实现恒功率因数输出。系统等效阻抗是由系统结构决定的，不是分布式电源所能改变的。这两者都不是讨论电压波动时需要重点关注的因素。
时根据2.1章节的分析可知，由于含有分布式电源的配电网，其供电线路阻抗特性往往是R>>X，并且分布式电源的功率变动主要是有功功率的波动，所以根据式（4），电压变动量的表达式可简化推导为
可见，分布式电源对接入点电压波动的影响程度主要取决于分布式电源有功功率的变化情况。当分布式电源切换成孤岛方式运行时，如果没有储能设备或者储能能量太小，很容易导致电压波动等电能质量问题。此外，系统中的负荷变化也可能造成一定程度的电压波动。分布式电源与配电网负荷的运行不协调，可能会使系统的电压波动变得更严重。
2.3 分布式电源功率变化情况分析
由上节内容可知，分布式电源有功功率变化是造成电压波动的主要原因。主流分布式电源包括微型燃气轮机、风电机组、太阳能光伏发电以及燃料电池等，各自运行特性差异较大，造成有功功率波动的因素较多，归纳起来大致有三种情况。
（1）输入能量变化及其它外界干扰
对于风电机组、光伏电池板等可再生能源发电系统，外界自然能源输入的变动是造成分布式电源输出功率变化的主要原因。为了提高分布式电源的发电效率，很多机组采用了最大功率追踪控制，而不是定功率控制，当外界资源条件发生变化时其输出功率必然随之变动。
对于风电机组来说，输入功率来自风能，风力机提供给发电机的机械功率与风速有关，而风速的变化是由自然条件来决定的，随机性较强。在起动风速与额定风速之间的风速范围内，风力机输出功率表达式如下
式中：ρ为空气密度；v为风速；A为叶片半径；Cp为风能利用系数。
由式（12）可知，一旦风速快速变化，则风电机组的输出功率必将剧烈变化。当风速在额定风速以上的有效风速范围内时，通过传动机构和控制系统的调节，可以尽量减少风电输出功率的波动，但是也不易保持绝对的功率恒定。此外，风电机组在运行过程中还会受到风剪切、塔影效应以及偏航误差的影响，导致风电机组转矩不稳定，从而造成输出功率的波动，进而导致风电机组所在的电网电压发生电压波动。
对于光伏发电系统，其核心部件光伏电池板的最大功率点会随着光照强度、环境温度的变化而改变，一旦天气发生剧烈变化，必将引起光伏电池输出功率的明显变化。此外，“热斑效应”也会造成光伏电池输出功率的变化。
（2）不受电网控制的分布式电源起动和停运
分布式电源的起动和停运与自然条件、用户需求、政策法规、电力市场等诸多因素有关。分布式电源的调度和运行，往往由电源的产权所有者来控制，而分布式电源的产权所有者往往不是电网公司，而是用户自己或者其它经营主体。这样就可能出现分布式电源随机启停甚至频繁起停的情况。例如，分布式电源的所有者根据自己的用电情况自由决定何时启动和停机，或者以赢利为目的，只在电价高于发电成本时才开启机组，在峰荷过后退出。
随着分布式电源数目的增多，这种情况对发电上网功率的影响也不容忽视。
（3）输入能量变化及其它外界干扰
对于燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机组等输入燃料流量可控的分布式电源来说，输入能量是基本恒定的，一般不会因为输入能量的波动造成输出功率的明显变化。
典型的往复式引擎驱动发电机组——同步柴油发电机，其气缸存在点火熄灭过程，因此会出现输出功率波动现象；，为此国家在设计和制造过程中提出了一定的技术规范，要求往复式驱动引擎的发电机组动态电压小于0.5%。
燃料电池可以通过对燃料输入控制、反馈控制等方法对电源输出进行控制，但是其对控制系统的精确度要求很高，实际使用过程中，可能存在一些参数的偏移，控制系统不稳定，从而也将导致功率输出的波动。控制器的算法和参数整定可能导致分布式电源输出功率的周期性波动。
对于热电联产的分布式发电机组，输出必须满足热量的需要，而且功率的变化速度也是有时间限制的，在供热需求发生变化时，也会引起分布式电源发电功率的变化。
3 分布式电源抑制电压波动
根据2.2章节的分析可知，分布式电源接入对电网电压波动大小的影响，主要与供电系统的短路容量、分布式电源注入功率的变化、分布式电源的功率因数角以及线路阻抗参数有关。因此，要想抑制分布式电源接入点的电压波动，可以考虑的思路有：优化网络结构，增大系统短路容量；减小供电线路阻抗。最为直接的思路是当线路上传输的功率变化时利用储能设备和动态无功补偿装置进行功率调整。虽然分布式电源接入后可能引起电压波动，但合理利用分布式电源也可以抑制电网电压波动。
利用分布式电源抑制电压波动的优势包括三方面：
分布式电源的接入，提高了配电网整体的短路容量，根据式（8），这对抑制区域配电网内的电压波动问题起着积极作用。在出现负荷冲击性投切等情况时，其电压波动大小相比传统配电网得到了削弱。
分布式电源往往就近接入电力用户所在配电网，与负荷的距离较近能够快速及时地提供电能。因此利用分布式电源，对动态波动的负荷进行有功功率的就近提供、无功功率的就近补偿较为方便，并且输电损耗小。
分布式电源的并网换流器，与静止无功发生器等电能质量调节装置所用的电路结构和控制技术有很大程度的相似性，为两类设备的优化配置提供了可能性。
所以将分布式电源纳入电网的统一调度理中，在用户负荷突然变化时，对分布式电源的输出功率进行相应调整，以补偿或抵消负荷的功率波动，可以达到抑制电压波动的效果。当然，这需要资源条件允许并且分布式电源可以进行宏观调控。同时，采用定功率控制的分布式电源显然无法做到改善电压波动，因此这对分布式电源的控制策略也提出相应改进要求。需要指出的是，抑制分布式电源发电量而抑制电压波动并不可取，在分布式电源所在配电网中设置储能节点，便可在不主动降低分布式电源发电量基础上，对负荷的功率波动进行动态调整，从而抑制电压波动。
4 结语
电压波动是一项重要的电能质量指标，对于电压波动的计算方法已有国家标准。本文讨论了分布式电源接入对电压波动的影响，由于分布式电源接入的配电网阻抗特性与国家标准中计算电压波动的高压网络不同，所以在分析分布式电源接入引起的电压波动时，分布式电源有功功率的变化将是电压波动形成的主要原因。本文探讨了分布式电源功率变化的三种情况，这也是引起电压波动的间接原因，并提出利用分布式电源进行电压波动抑制的优势与基本思路，对于未来分布式电源接入对电压波动的影响分析有一定的参考指导价值。
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