分布式供电系统电能质量监测与评估系统研究

华北电力大学（保定）硕士学位论文分布式供电系统电能质量监测与评估系统研究姓名：马杰申请学位级别：硕士专业：工学；电力系统及其自动化指导教师：张建成2011-03摘要I摘要分布式供电系统与大电网结合，被世界许多能源和电气专家公认为是节省投资、降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的重要发展方向之一。此外，分布式发电与环境兼容能有效利用可再生能源的优点，为世界各国缓解持续紧张的能源形势与环境压力提供了一条出路。因此，分布式发电技术在近年来得到了快速发展，但分布式发电系统的引入也给电网的电能质量带来了不利影响，为使分布式供电系统及电网能够安全、稳定地运行，如何准确地掌握与评估分布式供电系统的电能质量等情况就成了一项重要的环节。论文首先分析了分布式发电技术带来的电能质量问题，并研究了我国现行的电能质量标准体系。同时，对目前常用的电能质量检测方法进行了对比分析，主要包括谐波、频率偏差、电压偏差等检测方法，并用加窗插值基-2FFT实现了谐波及频率的较高精度检测。然后，研究分析了当前主要的评估方法及其优缺点，并在此基础之上结合层次分析法、概率统计及模糊综合评判三种方法各自的长处，提出了一种综合评估方法，准确地实现了电能质量的等级评估。昀后，使用VisualStudio2008、SQLServer2000及数据采集卡等硬件开发了一套电能质量监测评估实验系统，能够实现分布式供电系统逆变器输出电能质量以及分布式电源、储能装置运行状态的实时监测，并能对任意历史时间段内的系统电能质量及运行状态进行评估。关键词：分布式供电系统；电能质量；监测；评估摘要IIAbstractThecombinationofdistributedpowersystemwithlargepowergridsisrecognizedbymanyenergyandelectricalexpertsasthemainmodetosaveinvestment,reduceenergyconsumption,andimprovethestabilityandflexibilityofthepowersystem.Itisoneofthemostimportantdevelopmentsinthepowerindustryduringthe21stcentury.Besides,thedistributedpowergenerationiscompatiblewiththeenvironmentandhastheadvantageofusingrenewableenergyeffectively,whichmakescontributiontoeasethecontinuedtensionandpressureinworldenergyandenvironmentproblems.Asaresult,thedistributedpowergenerationtechnologyhasdevelopedrapidlyinrecentyears.Butatthesametime,theintroductionofthistechnologywillhaveabadeffectonthegrid’spowerquality.Forthesafeandstableoperationofthedistributedpowersupplysystemandthegird,itbecomesveryimportanttoaccuratelygraspandassessthepowerqualityofthesystem.First,thispaperanalyzesthepowerqualityproblemsbroughtbythedistributedgenerationtechnology.Andastudyoftheexistingpowerqualitystandardsinourcountryismade.Meanwhile,thecommonlyusedpowerqualitydetectionmethodswereanalyzedandcompared,includingthemethodstodetectharmonics,frequencydeviation,voltagedeviationandsoon.Inaddition,thewindowedinterpolationbase-2FFTisusedtodetectthefrequencyandharmonicsinhighaccuracy.Then,thecurrentmainevaluationmethodsarestudiedandtheiradvantagesanddisadvantagesareanalyzed.Andbasedonit,acomprehensiveevaluationmethodhasbeenproposed,whichcombinestheadvantagesofanalytichierarchyprocess,probabilitystatisticsandfuzzycomprehensiveevaluationmethods.Asaresult,thelevelofpowerqualityisabletobeaccuratelyassessed.Intheend,byusingVisualStudio2008,SQLServer2000,dataacquisitioncardandotherhardware,anexperimentalsystemofpowerqualitymonitoringandevaluationisdeveloped.Itcannotonlyachievetheinvertedoutputofpowerquality,butalsomonitortheoperatingstatusofdistributedpowerandenergystoragedevicesinrealtime.Besides,itcanevaluatethesystem’spowerqualityandrunningstatusatanyhistoricaltimeperiod.Keywords:distributedpowersystem;powerquality;monitoring;evaluation华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《分布式供电系统电能质量监测与评估系统研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《分布式供电系统电能质量监测与评估系统研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文1第1章绪论1.1课题研究背景及意义目前，全世界的供电系统中绝大部分是以集中发电、远距离输电和大电网互联为特征的单一式供电系统，其特点就是效率较高、容量较大。但随着社会对电力供给质量和安全可靠性的要求不断提高，这种单一式供电系统由于其自身的缺陷已经越来越难以满足各种要求。在大电网中，任何一点所产生的故障都可能对整个电网造成较大影响，甚至导致大面积停电，如2003年8月历史上规模昀大的美加大停电事故；2005年5月俄罗斯大停电，造成公共设施全面瘫痪；2005年9月，美国洛杉矶停电事故，使5000万人受到影响；2008年初，我国在冰雪灾害后出现的大规模停电事故。而分布式供电系统的建立可以在一定程度上保障供电的安全可靠性。目前，许多能源和电力专家认为大电网与分布式供电系统相结合是解决这一问题的有效手段，是21世纪电力工业的发展方向[1]。另一方面，目前世界各国普遍面临着持续紧张的能源形势与环境污染问题，为解决经济和社会快速发展中出现的能源紧缺、能源利用率与环境保护之间的矛盾，各国政府都积极出台制定了相应的能源战略方针、政策与规划，寻找可替代能源，这使分布式发电，特别是基于可再生能源的分布式发电得到了大力发展[2]。在我国，当前电网的特点是：大容量集中发电，远距离送电，全国联网，这种方式适合我国能源地点与负荷需求地点不一致的特点。同时，近年我国社会各方面发展迅速，也面临着能源与环境等问题，国家出台制定了多部相关法律、法规，鼓励和支持可再生能源的开发利用。这些都表明发展分布式发电技术是我国的必然选择。分布式发电以其发电方式灵活、与环境兼容、投资省以及能有效利用可再生能源等优点得到了快速发展，但分布式发电的引入也将对电网产生极大的影响，其中对电网的电能质量会带来不利影响[3-8]。分布式供电系统一般都包含分布式电源、储能单元、逆变装置等组成部分。可见，分布式供电系统是建立在电力电子技术基础之上的，正是电力电子技术的飞速发展使得分布式发电成为可能，它为分布式发电解决了分布式电源与电网、用户、储能系统之间的接口能量转换问题[9]。但是，大量电力电子转换器的应用以及目前分布式电源的稳定性较差等原因会引起多种电能质量问题，这也是分布式供电系统与电网互联首先面临的问题[10-11]，主要包括：(1)给配电网电压调整造成困难。因为负荷潮流变化大，使馈线上的电压幅值发生变化，调整和维持困难，电压甚至可能超标；如果是电力电子型电源，电压调华北电力大学硕士学位论文2节和控制方式也与常规方式不同，分布式发电的频繁启动使配电网电压常常发生波动；对电压骤降，分布式发电可能有用也可能没用，但对装在分布式发电母线侧的可能有用；在不作变化的情况下，配电馈线上到底能装多少分布式电源，主要取决于电压调整性能；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，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[12]。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，但孤岛运行时如果储能设备能量太小，就容易发生闪变。因此，对分布式供电系统的电能质量情况进行监测与评估是有必要的，也是具有现实价值的。1.2国内外研究现状1.2.1基于可再生能源的分布式发电的发展现状分布式发电（DistributedGeneration，简称DG）是相对与传统集中式发电而言的，通常是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，以达到经济、高效、可靠地发电[13-14]。国际发电网委员会（CIGRE）将其定义为“非经规划的或中央调度型的电力生产方式，通常与配电网连接，一般发电规模在50～100MW”[15]。在不同的领域，分布式发电有不同的分类方式，根据使用的能源可以将其分成三类：一类称为基于可再生能源的分布式发电技术，主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等发电形式；另一类称为基于化石能源的分布式发电技术，主要包括往复式发电机、微型燃气轮机、冷热电三联产、燃料电池等发