主动配电网电能质量分析与评估
随着分步式电源（Distributed Generation, DG)越来越多的接入配电网，传统单向潮流的被动配电网正逐步演变成双向潮流的集成分布式发电装置的主动配电网（Active Distribution Network，ADN)。主动配电网是实现大规模分布式新能源并网运行与控制、电网与储能设备互动、智能配用电等电网分析和运行关键技术的解决方案。主动配电网中含有大量分布式电源，各种分布式电源都会在一定程度上影响电网的电能质量。因此，主动配电网中的电能质量分析与评估具有重要意义。
本文所做主要工作有：
1）简要介绍了主动配电网的基本概念，分析了主动配电网电能质量特点，并对国内
外电能质量分析与研究的现状进行了概括和分析。
2）研究了主动配电网中各个主要组成部分的模型，包括变压器模型、输电线路模型、负荷模型和DG模型，并根据主动配电网特点，建立了主动配电网评价指标体系。
3）总结了电能质量的一般概念，并分析了电能质量国家标准中规定的6项电能质量指标的定义和危害，包括：供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动与闪变、公用电网谐波，最后总结归纳出电能质量国家标准中规定的该6项指标的限值。搭建了主动配电网基本模型，并对主动配电网的4项电能质量指标进行了分析，包括谐波畸变、电压偏差、三相不平衡和电压波动与闪变。
4）分析了分布式电源接入主动配电网后的电能质量问题，提出了主动配电网电能质
量评估新指标和新方法，通过电能质量变化量指标和系统指标来评估主动配电网的电能质量，并对算例进行了分析研究，表明了该方法的有效性和合理性。
关键字：主动配电网；电能质量；评估指标；主动配电网模型；分布式电源
Power Quality Analysis and Assessment on
Active Distribution Network
With more and more distributed generation（DG）connected to distribution network，the traditional passive distribution network with unidirectional flow is replaced by bidirectional active distribution network (ADN) integrating many distributed generation devices. AND is a solution to realize key technology of power grid analysis and operation such as large-scale distributed energy grid-connected operation and control,grid interaction with energy storage devices, smart distribution and using electricity and so on .There are many distributed generations in active distribution network, which may worsen the power quality of the power system.So, it’s significant meaningful to analyze and assess the power quality in the active distribution network.
The following work has been done in this paper:
1) Thebasic conception of active distribution network is briefly introduced and the characteristic of active distribution network is analyzed, then thedomestic and overseascurrent situation of power quality analysis and research is summarized and analyzed.
2) The components of the active distribution network model, including transformer model, transmission line model and the load model has been studied, inaddition, theactive distribution network evaluation index systemis establishedaccording to characteristics of active power.
3) the relevant definitions and standards of the power quality indicators are summarized, then the definition andhazards of the six power quality indicators specified in the national standard ofpower quality are analyzed in detail, including power supply voltage deviation, frequency deviation, three-phase power system voltage unbalance, voltagefluctuation and flicker, the utility grid harmonic, finally the power quality nationalstandard limit value and of the six indicators is given.Basic model of active distribution network is set up, then 4 power qualityindicators of active distribution network are analyzed includingharmonic, voltage
deviation, three-phase power system voltage unbalance and voltagefluctuation and flicker.
4) This paper presents new indicators and new method of power quality evaluation after analyzing the problems of power quality in active distribution network with distributed generations connected in. the power quality in active distribution network is evaluated by variation indexes and system indexes, and the cases are analyzed and researched, which indicated the effectiveness and rationality of the method.
Key words:Active distribution network; Power quality; Evaluation index; Model of active distribution network; Distributed generation
目 录
1 绪论 ........................................................................................................................ 3
1.1研究背景及意义 ............................................................................................. 3
1.1.1主动配电网简介 ................................................................................... 5 1.1.2 AND电能质量问题产生原因及危害 .................................................. 6 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 8
1.2.1 主动配电网电能质量分析现状 .......................................................... 8 1.2.2 主动配电网电能质量评估现状 ........................................................ 12 1.3 本文主要研究内容 ...................................................................................... 13 2 主动配电网建模及评价指标体系 ...................................................................... 13
2.1 主动配电网建模 .......................................................................................... 13
2.1.1变压器模型 ......................................................................................... 14 2.1.2输电线路模型 ..................................................................................... 15 2.1.3负荷模型 ............................................................................................. 17 2.1.4分布式电源模型 ................................................................................. 19 2.2 主动配电网评价指标体系 .......................................................................... 20
2.2.1 DG并网特性指标 .............................................................................. 20 2.2.3运行特性指标 ..................................................... 错误！未定义书签。 2.3 本章小结 ...................................................................... 错误！未定义书签。 3 主动配电网电能质量分析 .................................................. 错误！未定义书签。
3.1 电能质量定义 .............................................................. 错误！未定义书签。 3.2 电能质量各项指标定义及标准 .................................. 错误！未定义书签。 3.3 主动配电网电能质量分析 .......................................... 错误！未定义书签。
3.3.1谐波畸变 ............................................................. 错误！未定义书签。 3.3.2电压偏差 ............................................................. 错误！未定义书签。 3.3.3三相不平衡 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.3.4电压波动与闪变 ................................................................................. 20 3.4 本章小结 ...................................................................................................... 21 4 主动配电网的电能质量评估 .............................................................................. 22
4.1 DG接入AND的电能质量问题分析 .......................................................... 22
4.1.1 风力发电的影响 ................................................................................ 22 4.1.2 光伏发电的影响 ................................................................................ 23 4.2 主动配电网电能质量评估指标 .................................................................. 23
4.2.1 变化量指标 ........................................................................................ 24 4.2.2 系统影响指标 .................................................................................... 25 4.3 算例分析 ...................................................................................................... 25 4.4 本章小结 ...................................................................................................... 28 5 总结与展望 .......................................................................................................... 29
5.1 总结 .............................................................................................................. 29 5.2 展望 .............................................................................................................. 29 参考文献 .................................................................................... 错误！未定义书签。 声明 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 致谢 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
1 绪论
1.1研究背景及意义
电力需求持续增长、传统能源短缺以及电力市场开放驱动着电网朝向高效、灵活、智能和可持续的方式发展，以适应未来的技术需求。可持续性是未来电网的基础特征，其本质表现为分布式电源（DG）尤其是可再生能源的规模化接入与应用[1]。
大量接入DG会对配电网造成广泛影响，主要表现为：改变配电网电压水平、提高配电网短路容量、继电保护策略的复杂度加大、影响网络的供电可靠性以及加剧电能质量的恶化等。目前，虽然微电网（简称微网）技术的不断成熟以及虚拟发电厂技术的发展给DG的集成提供了解决方案，但是，由于微网受其容量的限制以及其控制目标的不同，还不能完全解决规模化DG带来的由传统的被动单向供电配电网向双向供电多电源配电网转变的技术问题[2]。可生再能源发电技术、储能技术的进步以及电力电子技术的同步发展解决了DG在中压配电网的并网运行问题，但电网侧尤其是配电网仍然存在可再生能源消
纳能力不足、一次网架薄弱动化水平不高、调度方式落后以及用电互动化水平较低等问题，严重制约了可再生能源的高度渗透，不利于后能源结构的优化调整。针
对这一现状，主动配电网（active distribution network）技术应运而生，旨在解决电网兼容
及应用大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率，优化一次能源结构等问题。
分布式能源的高渗透率应用是未来配电网发展的重要趋势，传统被动单向式供电
配电网正面临向双向供电配电网转变的巨大挑战。由于以风能、光伏为代表的分布式能
源具有间歇性和波动性特质，传统配电网的运行管理方式远不能满足分布式发电单元接
入的需求。因此针对传统配电网无法主动消纳间歇式能源的现状，提出主动配电网技术，
解决大规模间歇式能源消纳及优化应用问题。这对于促进可再生能源的利用，实现配电
网灵活双向供电，提高配电网运行能力具有重大现实意义。
电力是现代工农业和现代社会生活使用的最重要的能源之一。作为一种商 品，它不
停地流动，不能方便地储存。与其他的商品不同之处在于它的用户往往远离发电厂，多个
发电机发出的电能同时送入电网，然后通过多个变压器和架空线或埋地电缆送到用户。 供
电方无法将不合乎标准的电能从供电网上收回， 用户也没有办法拒收这样的电能，所以
保证用电点的供电质量并不是一件容易的事情[3]。 电能具有以下特点[4]：
1） 动态变化性。电能由生产到被消耗的过程为一个整体，电能的流动一直 是动态平衡的，其电能质量现象、 各指标值通常不相同，电力系统中电能质量一直在变化。
2） 整体性。电力系统内部电能质量会互相影响，一旦电力系统产生劣质电 能，不能达到标准的要求，都会对电力用户、电力设备、与之相关的配电网的安全稳定运行产生威胁；许多时候，系统中的实体，往往既表现为劣质电能的受害者，同时也表现为电能质量的破坏者。
3）电能质量扰动具有潜在的危害性与广泛的传播性。电能质量扰动现象种 类繁多，发生事故的原因较复杂， 由电能质量下降而造成的对用电设备、电力系统的危害具有潜在性；此外，扰动传播速度非常快危害性大，可能降低其他系统或设备的电气性能，甚至破
坏设备。
4）电力系统的电能质量指标综合评估非常困难。电力系统是一个多指标系统，其评估指标的确定及评估方法的选取等都十分困难。
5）电能质量难于控制管理。伴随着高科技的发展，一些敏感用户对电能质量提出
了更高的要求。不同的电能质量，其成本也不同，因此电能应该按质定价，以保证市场竞争的公平性。通过对电能质量进行评估，得到一个量化的描述，使电力部门能及时向用
户提供系统电能质量状况，为考核供电质量及用户选择供电服务提供参考，使电力市场
运营透明化。
1.1.1主动配电网简介
根据CIGRE C6.11工作组的报告，主动配电网可定义为：可以综合控制分布式能源（DG、柔性储能）的配电网，使用灵活的网络技术实现潮流有效管理分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统的支撑作用。本质上，主动配电网是利用先进的信息、通信和电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管
?5?理，能够自主协调地控制间歇式新能源和储能装置等DG单元，积极消纳可再生能源并
且确保网络的安全和经济运行。主动配电网目的是组合控制各种分布式能源，加大配电网对可再生能源的接纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资，以及提高用户的用电质量和供电可靠性[6]。
主动配电网中含有大量分布式供电系统。分布式供电系统通常包含分布式电源、储能单元、逆变装置等组成部分。这些组成部分都是建立在电力电子技术基础之上的，而
大量电力电子技术的应用以及分布式电源稳定性较差等原因都会引起多种电能质量问题，这是分布式供电系统与电网互联首先面临的问题[6]，主要包括：
1）配电网电压调整困难。电力电子型电源的电压调节和控制方式与常规方法不同，分布式发电的频繁启动也使配电网电压频繁发生波动；在分布式电源为风电的情况下，有些风电电源需要从电网吸收无功并且随时波动，使电压调节变得困难。
2）谐波畸变和直流注入。电力电子型电源易产生谐波，造成谐波污染，谐波的幅
度和阶次受到发电方式以及转换器工作模式的影响。此外，如果无隔离变压器而与电
网直接相连，有可能向电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附
近机械负荷发生转矩脉动。
3）电压不平衡。如果是电力电子电源，逆变器的控制策略对网络不平衡电压会有影响。
4）产生电压闪变。并网时一般不会发生闪变，但孤岛运行时如进行监测与评估是有必要的，也是具有现实价值的。
从上述分析可以看出，主动配电网中，分布式电源接入造成的电能质量问题是不容
忽视。因此针对主动配电网电能质量的分析及评估是很有必要的，对于整个电力系统电
能质量的管理和改善都具有积极的意义。
1.1.2 AND电能质量问题产生原因及危害
越来越多的理论研究及工程实践表明，大规模的分布式发电单元分散接入配网将引起网络结构、潮流、保护、控制、供电可靠性、电能质量等一系列变化和技术革
新，给电网带来的影响是深刻而复杂的。而作为大规模消纳间歇式能源的主动配电
网，可能引起电能质量问题的主要原因有：1）分
布式能源发电集成到中压配电网形成多电源及双向供电格局。这改变了传统配电网潮流方向，负荷可以与分布式发电就地平衡，因此线路网损下降，传统配电网末梢电
压偏低的现象可能改善。另一方面，若分布式发电向系统反送潮流，节点电压甚至可能高于电网。
2）大量采用电力电子装置的采用。绝大部分间歇性能源与储能设备采用电力电
子变流器与电网连接，典型拓扑为基于IGBT的三相电压源变流器(VSC)、多电平逆变器等
，经L、LC或 LCL滤波电路与电网接口。与基于晶闸管的传统相控型电力电子整流装置相比，虽然全控型器件的采用及高频脉宽调制(PWM)或阶梯波技术使谐波问题大为减小，但因变流器非理想特性与滤波环节谐振引起的波形畸变不可避免，因此带来新
的谐波叠加规律。
3）分布式能源的间歇性特征。光伏阵列输出功率主要受辐照强度和温度影
响，多云天气可能造成阵列的局部阴影，快速改变光伏发电装置的出力情况。风机出力与风速、气流强度、来流方向、桨距角及控制系统参数等有着复杂的关系，阵风天气下风机输出功率难以预测。因此以光伏、风电为主要代表的新能源发电并网
带来电能质量电压波动已成为共识。
4）电网外外部因素因。电网本身运行环境恶化，如非线性负荷、冲击性负荷的接
入，输电线路故障等，在主动配电网中引发分布式发电装置的异常运行或连锁反
应，也可能引起电能质量问题。例如，中小型光伏发电设备没有低电压穿越的要求，在电网电压异常时将在规定的时间内断开与电网的连接，这会造成原本因故障而供电不足的电网状况进一步恶化。
在主动配电网电能质量机理分析和综合治理研究中，将考察上述原因产生的主动配电网电能质量问题，寻找其与间歇率、渗透率、分布度和分散率四
种主动配电网维度指标间的关系，并提出主动配电网电能质量综合治理方法。
电能质量污染不仅会对电力用户及其自身造成危害，还对相关行业有一定的影响，下面介绍一些与我们生活息息相关的危害[7]：
1）对电力系统的危害主要表现在增加线损、降低一次运行设备寿命、使继电保
护装置误动作、使计量仪表产生误差几方面。如果电能质量指标不合格，可能造成各类继电保护装置发生拒动或误动作，当谐波分量较高时，会造成过电流保护、过电压保护等动作；如果输电线路中存在谐波电流，就会有附加能耗产生，同时也会增加线损率。如果系统发生谐波放大或谐振现象，特别是在谐波次数高时，由谐波电流的污染造成对线损的影响会更加显着。
2）影响电力用户的生活质量。电能质量指标不达标时，会发生诸如电容器熔丝
熔断、补偿装置投不上等现象；当系统频率偏离标称值时，会导致用户生产出
残次品，使用户遭受严重的经济损失；可能引起电视画面、灯泡发生忽明忽暗的现象，严重影响用户的生活质量。
3）影响电气设备正常运行，降低一次运行设备寿命。电压暂降会引起计算机重
启或关机，甚至破坏操作系统，谐波会使电机产生机械振动，变压器、电容器、电缆等设备会因为谐波原因产生发热以及绝缘老化，甚至损坏。
4）对相关行业的危害主要表现为对通信行业的影响。电网谐波会干扰通信信号
，严重影响通信质量。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 主动配电网电能质量分析现状
主动配电网是未来智能配电网的一种发展模式，欧美国家正积极开展相关技术的研究。目前对ADN的研究处于领先地位的主要有北美、欧盟和日本等。目前，欧盟已经在丹麦、西班牙以及英国等地区深入开展了主动配电网技术研究及示范工程建
设。其中最具影响力的是欧盟FP6主导的ADINE示范工程，其核心理念是利用自动
化、信息、通信，以及电力电子等新技术实现对大规模接入DG的配电网进行主动管理。ADINE示范工程通过5个场景在实际环境中实时模拟了接入大量DG的主
动配电管理，这5个实例包括反孤岛保护、基于DG的电压控制、保护定值自适应整
定、电压协调控制以及基于静止同步补偿器的电能质量控制。整个项目从2007年10
月开始到2010年11月结束。此外，ADINE示范工程还将上述各自的解决方案进行了联合试验，试验演示了主动配电网管理系统是如何与含大规模DG的主动配电网进行交
互，从而解决主动配电网中的保护、电压控制、电能质量、故障穿越和孤岛运行等
一系列的问题。示范工程的实例表明，通过主动配电网管理技术，可以使得DG在
配电网的接入更加容易，网络的运行状况也更加优化。
而我国对ADN的研究较其他国家相对落后，研究热点主要集中在DG本身控制以
及DG规划和运行等方面，对DG的并网技术标准和并网规程方面尚有欠缺，这极大地限制了分布式发电技术的应用和推广。但是我国大力支持可再生能源的发
展，在西部和沿海分别建立了光伏电站和风力发电场等，估计2020年将达到
20GW~30GW。
DG高渗透率接入配电网，可能造成各种电能质量问题。大量文献就特定环
境或假设对DG接入配电网后的电能质量问题机理进行了讨论，主要集中在系统电压
偏差、电压波动和闪变、谐波污染几个方面，下面分别加以综述。
1、供电电压偏差
供电电压偏差是指电力系统各处电压允许偏离值的百分比，作为供电电压质量
的基本保证，电压偏差一直以来都是电网稳态运行时最关心的电能质量问题之一。
?8?电压分布和潮流紧密相关，虽然潮流计算是电力系统的基本计算之一，但随着
DG 并网及其容量的增加，改变了系统潮流的方向，使得配电网潮流计算的难度增
大，一些传统的计算潮流的工具和方法由于 DG 的接入而失效。针对这一问题，许多
文献就含分布式电源配电网的电压偏差问题进行了机理上的分析和研究
[10-15]
。
文献?10?在基于链式配电网络、分布式恒功率、静态负荷模型的基础上，通过仿真
实验说明了分布式发电对配电网稳态电压分布的影响，得出了分布式发电对配电网电压分布的影响和接入容量大小、接入位置有极大的关系，在相同渗透率下，散布在馈线上比集中在同一个位置对电压的支撑作用大。文献[11]在研究分布式发电影响电压机理的基础上，分析了在负荷较小的线路末端发展光伏发电对电网电压的影响因
素，包括光伏发电出力、接入位置、线路参数和负荷，得到了大容量光伏发电接入
将引起线路局部电压超出电压偏差要求的结论，建议加装蓄电池储能装置进行改
善。文献[12]在综合考虑分布式电源及负荷功率随机特性的基础上，提出一种改进
的估计方法，求解含分布式电源配电系统的概率潮流，从而得到电压的概率统计
值，仿真证明了此方法的有效性，并得到了合理的分布式电源类型搭配有利于改善
电压质量的结论。文献[13]运用概率理论探讨了配电网中分布式电源注入功率和电压
偏差的关系，结论表明电压偏差受到系统短路容量、分布式电源注入功率和负荷水平多个因素的影响。当DG的渗透率增大时，将对配电网的电压分布产生显著作用，并且与DG接入位置和容量大小以及网络拓扑结构密切相关。
2、电压波动和闪变
电压波动和闪变会造成灯光闪烁、电机转速不均匀及敏感仪器不能正常工作等
危害
[16]
电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性(快速变动)功率的负荷引起
。文献[18]指出目前越来越多的分布式电源接入电网，DG会引起电网电压波动和闪
变，其根本原因是并网机组输出功率的波动。文献[19]首先指出若DG接入刚性率超
过300的无穷大母线，不会引起任何闪变发生。引起电压波动和闪变的系统原因是很
多DG远离变电站主站，而且系统刚性率会随DG渗透率的增加而下降。此外还指出光
伏电站的云层快速移动、风力发电的风速变化、切入与切除暂态、塔影效应、变流器及电机的复杂控制响应等相互耦合的复杂因素，均可能引起电压波动和闪变。文献[20]重点讨论了风电并网会引起电压波动和闪变，主要原因是并网机组输出功率波
动。风电机组自身固有的特性也会造成电网电压波动。文献[21]分析了分布式光伏电源接入配电网对电压的影响，光伏电源输出功率波动可能引起电压波动和闪变，若和负荷波动叠加在一起会引起更大的电压波动和闪变。文献[22]研究了分布式
电源及其大小对电压波动和闪变的影响。建立了IEEE 34节点包含闭环回路的网状配电网仿真模型，仿真结果表明：DG可以减轻网络中因波动负荷造成的母线电压波动和闪变，并且DG容量越大，对电压波动和闪变的消弱作用就越好。此外，文献[23?25]还探讨了大型光伏或风力电站接入系统后引起的波动和闪变问题，在具体问题分析方
法上可以借鉴。
实际在主动配电网中考察DG接入后的电压波动和闪变，也包括其他电能质量问
题，均可建立在已有的电气环境下进行，即包括其他负荷、输配电设备等，已经
使电能质量指标达到或近似达到一定的允许值。另一个重要的方面是掌握闪变的量化描述与测量方法，科学评估DG接入后的电压波动和闪变效应。由于闪变在配电网中的传播程度还包括电压波形形态，如方波、正弦或锯齿波；电压波动幅度；白炽灯的频率特性；人眼频率特性及大脑的反应程度等，很多情况下对DG接入的电
压波动和闪变评估仍是一个复杂的过程。
3、谐波
配电网谐波污染会造成电气设备发热、保护或自动装置误动作等各种危害，我国国家标准GB/T 14549?1993、IEC 61000标准系列、IEEE 519标准等各国和地区标
准均对设备谐波发射水平及测量要求等有明文规定[26?28]，可见谐波对电网及用
户的重大影响。铁磁饱和及非线性负荷是造成传统配电网波形畸变的主要原因，传统谐波源包括电力变压器、电抗器、工业中常用的变频调速器、电弧炉、民用的荧光
灯、采用开关电源供电的设备等。用电负荷的谐波电流在系统阻抗上产生非线性电
压降落，最终导致电网节点电压发生畸变。随着越来越多的DG接入电网，谐波发射情况发生了新的变化。文献 [30]中显示在一天中实测的电流总谐波畸变率最小值在14%左右，远超出IEEE1547规定的5%并网电流总谐波畸变率限值。另有研究显示若不增加任何谐波滤波装置，基于电网换流的DG设备在配电网中渗透率水平仅为10%～30%[19]
。
国际和国内标准对DG接入电网后的谐波发射程度有明确限定[31-32]，许多文
献就特定环境对分布式能源产接入配电网后的谐波相关问题进行了探讨
[33-36]
。文献
[33]讨论了在PV高渗透率接入配电网环境下，系统电压畸变引起PV逆变器THDi增
大甚至停止工作的情况。分析认为产生谐波的主要原因为PV逆变器与外电路构成并联
谐振，配网与线路电抗、发电或用电设备构成串联谐振，而系统运行状态变化使谐
波情况更加复杂，会造成单台PV输出符合要求，但高渗透率接入配网后出现谐波超标的现象。文献[34]从谐波畸变约束角度考虑分布式电源最大允许接入的峰值容
量，分析了接入位置、功率对电网谐波电压电流分布的影响，并提出最大准入功率及至少准入功率计算方法。文献[35]中当光伏模块被部分遮挡后实测输出THDi为
20%，电流不平衡度为5.14%。文献[33]、[35]中还检测出若DG所并电网本身已存在较大电压畸变，可引起PV逆变器THDi明显增大甚至停止工作。另外，如果采用主动孤岛检测方法，也会造成DG谐波发射水平短时增加[36]。
1.2.2 主动配电网电能质量评估现状
在分布式电源接入配电网后电能质量的评估方面，工作才刚刚开始，有学者以电压暂降和波形畸变为例，提出了电能质量变化量指标和系统影响指标，分别用于量化分布式电源接入后电能质量水平的变化程度和安装单位功率的分布式电源电网电能质量变化的程度[37]，文献[38]提出了一种电压偏差、暂降的加权平均指数，通过算例仿真验证该参数可以较好的反应分布式电源接入对电网电压情况的改善。
随着分布式并网发电系统的增加，它们在一定程度上改变和影响了电网及其调节能力。因此，国际和国内相关部门针对于分布式并网发电系统均制定出了一系列的技术尺度和并网要求。2001年，国际电工委员会IEC的TC/SC 88委员会编制了系列风力发电机组的标准《IEC 61400-21: 2001国际标准——并网风力发电机组电能质量测量与评估》，该标准为并网风力发电机组的电能质量提供一个具有一致性和准确性的描述、测试和评估的规范性方法。2008年，ffiC在2001版的基础上进行修订并颁布了第二版《IEC 61400-21： 2008-08国际标准并网风力发电机组电能质量测量与评估》，修订版在描述并网型风力发电机组的电能质量特性时，除第一版规定的电压波动与闪变、谐波以及功率控制等特征外，第二版补充了间谐波、更高次谐波、机组的电压暂降响应、电网保护以及再并网的特征规定。
2003 年 6 月，由标准制定委员会 21 (Standards Coordinating Committee 21,SCC21)发布的《IEEE Std 1547-2003》是第一个规范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设备这类分布式电源系统并网的标准。
IEEE Std 1547-2003考虑的是容量不超过10MVA，工作频率为60Hz的分布式发电系统。该标准规定了分布式电源并网的包括并网电流谐波、并网同步、电压谐波在内的几个重要技术指标方面的要求。
目前，国内对分布式电源的研究大多还集中在电源本身，如怎样构造高效率的风机，提高风机运行的稳定性，改进太阳能的利用方式，提高利用效率等，在DG对电力系统规划、运行等方面的影响的研究大多集中在定性分析的层面上。而对于分布式电源并网电能质量的评估工作目前还处于研究的初级阶段，其中，含分布式电源的配电网系统的电能质量标准大多参考国际标准实行。例如，TC/SC 88委员会在2001年颁布的第一版风电并网标准《IEC 61400-21： 2001》被我国等同采用为《GB/T20320-2006/IEC 61400-21:2001风力发电机组电能质量测量和评估方法》。对于光伏并网方面的相关标准，针对于我国的50Hz市电电网，可考虑以标准《IEEE Std 1547-2003》为参考。
1.3 本文主要研究内容
本文主要对分布式电源接入主动配电网引起的电能质量问题进行深入研究，针对主动配电网的特点，结合电能质量国家标准，对主动配电网的电能质量进行分析与评估。分布式电源的接入对主动配电网的电能质量有利有弊，合理客观地分析主动配电网的电能质量是关键。本文的主要研究工作如下：
1）对主动配电网的基本概念进行了简要介绍，分析了主动配电网电能质量特点，概括和分析了国内外电能质量分析与研究的现状。
2）对主动配电网中变压器模型、输电线路模型、负荷模型和DG模型进行了研究，并根据主动配电网特点，建立了主动配电网评价指标体系。
3）简要介绍了电能质量的一般概念，并分析了电能质量国家标准中规定的6项电能质量指标的定义和危害，包括：供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动与闪变、公用电网谐波，最后总结归纳出电能质量国家标准中规定的该6项指标的限值。搭建了主动配电网基本模型，并对主动配电网的4项电能质量指标进行了分析，包括谐波畸变、电压偏差、三相不平衡和电压波动与闪变。
4）对分布式电源接入主动配电网后的电能质量问题进行了分析，提出了主动配电网电能质量评估新指标和新方法，通过电能质量变化量指标和系统指标来评估主动配电网的电能质量，并对算例进行了分析研究，表明了该方法的有效性和合理性。
2 主动配电网建模及评价指标体系
2.1 主动配电网建模
ADN是指由分布式电源、负荷、储能系统以及控制装置组成的配电系统。配电网指电力系统中二次降压变电所的低压侧直接或经过降压变压器降压后向用户供电的网络。配电网按电压等级可以分为高压配电网（35~110kV）、中压配电网（6~10kV）和低压配电网（小于0.4kV）。AND则多指含DG的更靠近用户侧的低压配电网。按接线方式不同，低压配电网结构可分为三种：树状网、辐射网、环状网，如图2.1所示。图中，断路器由位于低压母线出口处的黑色方块表示，线路节点由馈线上的黑色圆点表示，负荷由箭头表示。无论是何种结构，都由高压电网经过降压变压器降压后，通过单个或多个馈线向某区域内的用户供电，而用户可以处于馈线上的任意节点。
（a）树状网
（b）辐射网
（c）环状网
图2.1 配电网的一般结构
低压配电网一般具有以下特点： 1）深入城市中心和居民密集点； 2）传输功率和传输距离一般不大；
3）用户性质、供电容量、供电质量和可靠性要求不同；
4）中性点不接地运行，单相接地时允许运行一段时间。下面分别对ADN的主要组成部分进行建模，包括变压器模型，输电线路模型，负荷模型以及DG模型等。
2.1.1变压器模型
ADN结构包含了一个连接大电网的降压变压器，它的额定容量等级一般在0.1~1MVA。额定容量的等级决定了配电网能承载的负荷容量。变压器有一个典型的载荷调节范围，通常为额定容量的±5%。变压器负荷率又称为运行率，是影响变压器台数、容量和电网结构的重要参数，它的表达式为：
KP?SLSSC?100% （2-1）
式中，SL是变压器实际的最大负荷，SSC是变压器的额定短路容量。KP取值越大，则负荷率越高；KP取值越小，则负荷率越低。
一般的双绕组变压器的等值电路如图2.2，在等值电路中，通常将励磁支路前移到电源侧，将变压器二次绕组的电阻和漏抗折算到一次绕组侧，并且和一次绕组的电阻和漏电抗合
11?jXT并，用等值阻抗RT表示。
RTXTGT-jBT
图2.2 变压器等值电路
变压器的励磁电流一般占额定负载电流的百分比很小（正常低于3%），因此励磁支路在谐波的分析中常常被忽略，因此变压器一般利用它们的串联漏电抗表示。在谐波的作用下，变压器绕组和绕组间的电容会起作用，若谐波次数不太高，此作用可忽略。因此变压器的等值电路可以简化为一个连接变压器原副边节点的阻抗支路，如图2.3所示。
RThhXT
图2.3 变压器谐波等值电路
在谐波的作用下，变压器绕组的集肤效应和铁芯中的涡流损耗都会增大，有关资料表明，
h这时变压器的等值电阻大概与谐波次数的平方根成正比，其谐波阻抗ZT可以表示为：
h11ZT?hRT?jhXT
11式中RT是变压器基波阻抗；XT是变压器基波电抗。
（2-2）
三相双绕组变压器中，谐波电流的传输受到变压器联结方式的影响。无中性线或中性点不接地时，零序电流无法流通，只在三角形内部有循环，基本不会在线电流中出现。变压器三角形联结，或者不接地星形联结阻断了属于零序的3倍数次谐波电流的流通。
2.1.2输电线路模型
ADN中的输电线路主要有地下电缆和架空线路。地下电缆主要应用在高负荷密度的城市区域，架空线路应用更为普遍，主要的材料是绝缘Al芯或Cu芯导体。电力系统分析中，用电抗、电阻、电纳和电导参数反映输电线路的特性。这些参数沿线均匀分布，在线路任一的微小长度内都存在电抗、电阻、电纳和电导，因此，精确地建模是非常复杂的。输电线路模型可以分为等值集中参数元件模型以及行波模型两大类。在仅需要分析两端电压、电流、功率时，一般可不考虑线路的分布特性，而用集中参数元件模型来模拟输电线路；当线路较长时，就需要用双曲函数来研究均匀分布参数的线路。
设长度为l的输电线路，它的参数沿线均匀分布，通常其等值电路用集中参数的型电路来表示，如图2.4所示。单位长度l0阻抗和导纳分别表示为
111111z0?r01?jwL10?r0?jx0,y0?g0?jwC0?g0?jb0。实际中，常常忽略电导，对于长度
为l的输电线路，其参数可以得到简化的计算公式。
11??Zl?krr0l?jkxx0l ?1??Yl?jkbxb0l (2-3)
其中kr、kx和kb分别是计算电阻、电抗和电纳值的系数。
1r01?jx011g0?jb011g0?jb0 l0l图2.4 输电线路型等值电路
电压等级在110kV以下，长度不超过100km的架空线路，由于电压不高，线路短，可以同时忽略电导和电纳的影响，阻抗为Zl?Rl?jXl?r0?jx0l，它的等值电路如图2.5所示。
1Zl?r01l?jx0l?11??V
图2.5 短线路等值电路
在谐波的作用下，输电线路的分布特性要比基波的更为显著，因此每个等值代表的线路距离将会大大缩短。假设每个等值电路代表的线路长度在基波时是m/km，在h次谐波的作用下，则将限制为m/h km。因此，用于谐波计算所需要的等值电路数目将大大增加，并且不同次数的谐波所需要的数目不同。如果利用双曲线函数计算的等值电路参数将会更加方便，这样每条输电线路只需要如图所示的一个等值电路即可。
Ylh2ZlhYlh2
图2.6 输电线路谐波等值电路
hZlh?ZCsh?hl
(2-4)
(2-5)
ch?hl?1Yl?2h
ZCsh?hlh Z?hCZ0hhy0 (2-6)
hh?h?Z0y0
(2-7)
hh式中，ZC，?h分别是h次谐波时，线路的特征阻抗和传播常数；Z0h和y0分别是h次
谐波时，线路单位长度的阻抗和导纳。 在SimPowerSystem库中，提供的输电线路的模型有II型等值模块和分布参数等值模块。
2.1.3负荷模型
ADN中的负荷按其特性分类，大致可以分为线性负荷和非线性负荷。线性负荷可以作为抑制谐波畸变的元件，用接地等值阻抗模拟，在谐波频率下，其电抗随频率变化。非线性负荷主要包括换流式开关电源和家用电子设备等，其对配电系统来说相当于离散型谐波源。随着非线性负荷的大量增加，将会影响供电电流波形，并加重用户电流的畸变率。但是，由于不同非线性负荷谐波电流分量存在相角差，因此经常相互抵消，于是降低了系统对电压畸变水平的有效影响。同样，DG作为ADN中有源非线性负荷，谐波之间也存在着相互抵消的现象。研究表明，对于同类负荷，低次谐波分量（如3次和5次）很少会相互抵消，而高次谐波分量抵消现象却很明显。因此，需要对高次谐波关注的时候，这类抵消现象很重要，谐波之间的相位差、配电网的线路阻抗和负荷都能抵消部分谐波。配电网固有的单相负荷也使配网具有不对称的特点。
1）线性负荷模型 给定频率时，线性负荷等值阻抗是一个常数，负荷吸收的有功功率和无功功率与负荷的电压平方成正比。2.7所示，为串联和并联的恒阻抗负荷模型。
表4.3为DG接入不同位置时，各总谐波畸变率变化量的系统指标，可见总谐波畸变率的系统变化量为负值，越远离母线，系统变化量指标值越小，说明对系统谐波畸变的恶化程度越严重，其变化规律与监测点变化规律一致，也与实际相符合。由此可见，此类系统指标对分析分布式电源接入系统后对电能质量影响的可行性和实用性。
2.系统影响指标
根据仿真结果和式（4-9）计算得到不同的DG安装容量时总谐波畸变率的系统影响指标。如表4.4所示。
表4.4 DG接入不同容量时总谐波畸变率系统影响指标（%）
接入容量（MW）
STHD951 STHD952 STHD95
由表4.4可以看出，此系统从谐波畸变角度考虑，接入0.24MW光伏电源时对系统单位影响最小，其次为0.73MW，接入容量为0.48MW时对系统单位容量的谐波影响最严重。本算例验证了系统影响指标为评价DG的接入对电能质量的影响提高了合适的尺度，通过量化年单位容量对电能质量的影响程度从而知道接入系统DG的容量的选择。
0.24 0.0628 0.0733 -4.4
0.48 0.0628 0.2498 -39
0.73 0.0628 0.2848 -30.4
4.4 本章小结
本章首先分析了分布式电源接入主动配电网的电能质量问题，详细分析了应用广泛的风力发电和光伏发电的电能质量影响；其次，提出了含分布式电源的电能质量评估的新指标，包括电能质量变化量指标和系统影响指标，分别用来量化DG接入后电能质量水平的变化程度和单位DG的发电功率对电能质量的影响程度，这些指标既可以针对监测点，也可以针对整个系统进行计算评估。通过算例验证，以总谐波畸变率为例，证明了这些指标的可行性和实用性，对实际含有DG的系统的电能质量的评估具有重要价值，为评价DG的接入对配电网电能质量的影响提供了合适的尺度。
5 总结与展望
5.1 总结
主动配电网的出现解决了电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源，优化一次能源结构，提升绿色能源利用率等问题，实现了由传统的被动单向供电配电网向双向供电多电源配电网转变的技术问题。然而，分布式电源和非线性负荷的增加，给主动配电网的电能质量带来了一定的影响，使得电能质量问题受到越来越广泛的关注。本文针对主动配电网的特点，在研究分析了国内外文献的基础上，对主动配电网的电能质量进行了深入的研究，为主动配电网电能质量的治理提供了依据，主要做了以下工作：
1）对主动配电网的基本概念进行了简要介绍，分析了主动配电网电能质量特点，概括和分析了国内外电能质量分析与研究的现状。
2）对主动配电网中变压器模型、输电线路模型、负荷模型和DG模型进行了研究，并根据主动配电网特点，建立了主动配电网评价指标体系。
3）简要介绍了电能质量的一般概念，并分析了电能质量国家标准中规定的6项电能质量指标的定义和危害，包括：供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动与闪变、公用电网谐波，最后总结归纳出电能质量国家标准中规定的该6项指标的限值。搭建了主动配电网基本模型，并对主动配电网的4项电能质量指标进行了分析，包括谐波畸变、电压偏差、三相不平衡和电压波动与闪变。
4）对分布式电源接入主动配电网后的电能质量问题进行了分析，提出了主动配电网电能质量评估新指标和新方法，通过电能质量变化量指标和系统指标来评估主动配电网的电能质量，并对算例进行了分析研究，表明了该方法的有效性和合理性。
5.2 展望
本文虽然分析了主动配电网的电能质量问题，并建立了新的指标体系对其进行评估，但是由于作者学术水平以及时间有限，本文尚存在许多不足，以及可以改进并进一步探讨和研究的地方。以下是对本文工作的不足提出的改进意见，并对进一步的研究进行展望。具体有以下几个方面：
1）本文只分析了主动配电网的稳态电能质量问题，没有分析国标中存在的暂态电能质量问题，但实际中，也会存在暂态电能质量问题，应将分布式电源并网对稳态电能质量的影响扩展到对暂态电能质量问题的研究中；
2）本文的主动配电网模型只考虑了单一的分布式电源接入，未考虑多种分布式电源的接入，对于实际的复杂配电网网络，应该综合考虑包括风力发电、光伏发电等各种不同形式的分布式电源并网对电能质量的影响研究；
3）本文提出的新指标评价体系，还只涉及单一指标的评估，可综合各项电能质量指标对含有分布式电源的配电网的电能质量进行更为有效的评估。
