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1、光伏发电微电网系统电能质量问题分析与治理研究姓 名： 孟 金 岭学 号：S09092011 1 引言传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。因此，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，就成为解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。研究与实践已表明，分布式发电供能技术将在此过程中起到越来越重要的作用。采用分布式发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，是实现我国“节能减排”目标的重要举措。分布式发电供能是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、生物质
2、能、小型风能、小型水能、波浪能等）和本地可方便获取的化石类燃料（主要指天然气）进行发电供能，是分布式能源最清洁、最高效的利用方式。随着全球能源领域竞争的加剧，世界各国日益重视自身可持续发展战略的实施。作为这一战略的核心技术之一，分布式发电供能技术的研究日益受到各国关注。随着世界各国在相关领域投资的不断加大，分布式发电供能技术得到了迅速发展，其发电成本越来越低，尤其是风力发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷/热/电联供（CCHP）系统的经济性，几乎可以与传统的发电方式相竞争。据世界银行2008年初发布的报告，2007年全球可再生能源发电容量达到了24万兆瓦，比2004年增加了50%，全球并网太阳能
3、发电容量增加了52%，250万个家庭使用太阳能照明，2500万个家庭利用沼气做饭和照明。分布式发电供能是提高可再生能源利用水平，解决当今世界能源短缺和环境污染问题的重要途径。大电网与分布式发电供能系统相结合，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，有助于分布式发电技术的大规模推广应用；也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。分布式发电供能系统由于采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下，可以保证对重要负荷的供电，并有助于大电网快速恢复供电，减少大电网停电造成的社
4、会经济损失；分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点，通过与大电网配合运行，实现电能在用户侧的分布式替代存储，从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题，促进电网更加安全高效运行。另一方面，分布式发电供能系统与大电网并网运行，有助于克服一些分布式电源的间歇性给用户负荷造成的不利影响，进而提高系统供电的电能质量。作为技术较为成熟的可再生能源发电方式之一，光伏发电技术逐渐受到国际社会的重视。近五年来世界光伏年增长达到49%，2009年光伏电池产量达到10.5GW。欧洲、美国相继提出了宏伟的发展目标，预计到2020年，欧洲光伏累计安装容量将达到400GW，美国预计将达到350
5、GW。我国已将新能源作为七大战略性新兴产业之首，2020年新能源将成为国民经济的先导产业之一；国家中长期科学和技术发展规划纲要将“可再生能源低成本规模化开发利用”确定为能源重点领域优先主题。到2020年，光伏发电将在能源供给和节能减排上作出实质性贡献。 目前，国外已建成10MW以上大型并网光伏电站100余座，正在研究示范百兆瓦级光伏电站，并在进行百万千瓦级光伏电站的前期研究工作；国外的光伏发电并网标准及其检测标准已形成较为完整的体系，并与光伏技术同步发展。国际大型光伏电站的发展趋势是：(1)电站容量越来越大，向百兆瓦甚至千兆瓦级发展；(2)并网逆变器大型化，采用上百千瓦到兆瓦级甚至更大容量的光
6、伏并网逆变器；(3)电站接入电网电压等级越来越高；(4)电网适应性要求提高，提出了光伏电站具备有功/无功控制能力、低电压穿越能力，以及能够参与电网调度等技术要求。 随着光伏电站规模的增大，光伏电站对电网的影响逐渐显现：首先，光伏电站出力具有间歇性、随机性和波动性，目前大型光伏电站还不具备有功功率和无功功率调节能力，不能参与支撑电网的安全稳定运行，并且由于不具备低电压穿越能力，在电网发生短路等大扰动故障时极易发生脱网现象，有时会导致恶化电网的安全稳定；其次，大型光伏电站容易引起电网谐波和电压变动等电能质量超标问题。为解决大型光伏电站对电网安全稳定和电能质量带来的不利影响，国内外在光伏电站并网运行
7、控制、低电压穿越和电能质量调节等方面开展了大量研究工作，也在着手制定和完善相关的标准和规范。 分布式发电供能技术将成为国际上一项重要的技术增长点，开展这一领域的基础研究工作，将有助于培育自主创新能力，提升我国在能源技术领域的国际竞争力。预计到2010年，世界每年新增分布式发电容量将占当年新增电力装机容量的25以上；欧洲电力供应的22%将来自可再生能源，其中的60将以分布式电源的形式出现；对于美国，分布式发电供能系统将占新增发电装机容量的20%。美国AlliedSignal公司估计，2010年用于冷/热/电联供的小型燃气轮机的销售额将达到100-150亿美元；2008年初世界银行报告，全球利用风
8、力、太阳能等可再生能源进行发电（不包括大型水利发电）的设备建设投资在2007年内达到了710亿美元。世界上至少有60多个国家制定了促进能源可持续发展的相关政策，这将大大促进相关技术的发展与应用。分布式发电供能系统的相关技术将成为国际上一项重要的技术增长点，是21世纪电力工业的主要技术发展方向之一。现有研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效的方式。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，
9、也可以孤立运行。用户所需电能由风力发电系统、光伏发电系统、燃料电池、冷/热/电联供系统和公共电网等提供，在满足用户供热和供冷需求的前提下，最终以电能作为统一的能源形式将各种分布式能源加以融合。通过对微网内部不同形式能源（冷/热/电、风/光/气等）的科学调度，以及微网与微网、微网与大电网之间的优化协调，可以达到能源高效利用、满足用户多种能源需求、提高供电可靠性等目的；此外，通过在用户侧安装分布式电源并形成微网，有助于消除输配电瓶颈、减少网络损耗，延缓发/输/配电系统的建设等；而在大电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）出现时，由于微网可以孤网独立运行，可保证重要用户供电不间断，并
10、为大电网崩溃后的快速恢复提供电源支持。在我国国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”，开展分布式发电供能技术方面的研究工作符合国家重大需求。随着分布式发电、微网以及智能电网、智能微网等概念的提出以及相关研究的不断深入1-6，在我国“十一五”期间 “分布式能源系统微电网技术研究”获得了国家863高技术基金的资助，“分布式发电供能系统相关基础研究”获得了973国家重点基础研究发展计划项目的资助，分布式发电供能系统的相关技术将成为一项重要的技术增长点，是21世纪电力工业的主要技术发展方向之一。2研究现
11、状国内对中压等级分布式发电系统的研究起步较早，对分布式电源接入配电网的模型研究较多7-11。在中压10kV电压等级，开展了大功率分布式电源并网控制，如大规模风电接入对配电网带来的影响研究；对分布式发电对电力系统过电压的影响、对电压分布的影响以及对静态电压稳定性的影响、对含分布式发电的潮流计算以及考虑谐波影响的分布式电源准入功率计算等方面有广泛研究12-27。近年来在低压等级我国也紧跟美国和欧洲的脚步开展了微网、智能微网以及数字化配电网领域的研究。国内天津大学、合肥工业大学、西安交通大学、华中科技大学等高校以及南方电网开展了高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究、分布式储能对微网安全稳定运行的作
12、用机理、含微网配电系统的规划、微网及含微网配电系统的保护原理与技术、并网控制及多分布式电源协调控制、微网经济运行理论与能量管理等的研究28-34。在电能质量方面，揭示大规模分布式发电或微网引起的单一的电能质量问题机理研究较多，但如何经济高效的解决这些问题，建立涵盖中低压电压等级的含分布式发电的配电网电能质量群控平台研究较少，国内外尚属空白。（1）分布式发电系统电能质量检测研究现状含分布式发电单元的配网电能质量的控制，首先要解决的是电能质量问题检测。针对大功率分布式电源和微网并网运行带来的电能质量检测评估，国内外一直以来都十分关注，进行了较为深入的分析和研究。在理论方面，目前单台或单种分布式电源
13、对不同电能质量指标的影响研究较多35。伴随集中+分布供电结构逐步出现，传统电网电能质量治理点如无功补偿节点、有源滤波器投入节点等都会因为在配电网馈线上出现的微网而改变。这些分布于馈线上的微网可能作为终端出现，也可能作为中间变送站出现。其增加了电能质量治理装置的控制难度，传统电网电能质量经验检测点和治理点在微网中将不再全部适用，有必要重新检定补偿点和监测点，以确定治理装置的安装位置。（2）高性能逆变器技术研究现状随着重复控制技术36、同步逆变器技术37的研究深入，在分布式发电并网逆变器的控制策略中采用H无穷重复控制以消除开关谐波，添加谐波和无功补偿指令构造多功能并网逆变器38，以及开发无互联的、
14、可自动追踪配网功率分配的逆变器控制器，将构成含分布式发电单元配电网电能质量主动管理的主要内容。逆变装置作为微网的主要构件，其在微网中的大量使用是谐波问题最主要的来源；各种类型间歇式、不稳定微源以及储能装置都需要借助逆变器输出利益群体要求的电能，进而带来更为复杂的谐波问题。依据所采用的电力电子技术不同，逆变器可能产生不同水平的谐波。随着微网渗透率的提高，配电系统的谐波水平也将会上升。另一方面，对于一个谐波水平已经比较高的配电系统，微网中的分布式电源也可能会成为谐波的汇点，导致分布发电设备的损毁。微网内大量逆变器的使用也为电能质量治理提供了良好条件，考虑其有益作用，由于有源滤波器和基于逆变系统的微
15、网系统具备相同的特征，使得构造供能+滤波系统成为可能。文献3940提出根据并网逆变器和有源滤波器相同的主电路结构，在并网控制算法中加入滤波环节，使之同时具备发电和电力滤波器的功能。文献41提出一种光伏并网发电系统，将光伏并网与无功补偿协同设计，构成光伏并网发电功率调节系统，以提高供电品质和减少功率损耗；分析了系统工作模式及瞬时无功检测方法、最大光伏功率跟踪及并网功率的合成控制，并研制了工程样机。文献4243提出一种三相四线制微网系统混合电能质量补偿器，提出的控制方法适用于配置两套逆变系统的微源。该混合电能质量调节器可补偿无功电流、零序电流，实现系统电能质量的改善。这也类似于国内研究较多的统一电
16、能质量调节器，可以实现无功发生器，调相器以及电压调节器等的功能。在提高逆变器输出电能质量方面，文献44介绍的分布式发电单元逆变器控制技术，可以在非线性负荷或是网络失真的情况下，得到低谐波、低失真的输出电压，改善电能质量。文献36提出基于同步发电机模型的逆变器控制策略，适用于所有使用逆变器的场合，并且尤其适合微网逆变器的控制。这只是对控制方法一个替换，并不带来额外的硬件开销。这种控制策略应用于微网逆变器控制，采用频率/电压下垂特性调节有功/无功输出，仿真得出此种控制策略具备积极的功率追踪性能。文献45对电压型逆变器进行控制，维持输出电压基本恒定，并严格保持其频率水平，提出一种包含电流内环、功率外环以及锁相环三个环节的逆变器控制策略，控制变量全部建立在同步旋转坐标系下，逆变器输出电流作为电流内环反馈量输入，公共连接点电流及电压作为功率外环反馈量输入。文献46实现了逆变电源
