淺議新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

張寧

為保證可再生能源的最大利用率，并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)都采用適當(dāng)控制策略盡可能保證有功功率的最大輸出，由于風(fēng)電場風(fēng)速（ 或光伏電站光照強(qiáng)度） 動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化，新能源并網(wǎng)發(fā)電站的輸出功率存在較大隨機(jī)波動(dòng)，間歇性的功率波動(dòng)將對大電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成不利影響。通常新能源發(fā)電系統(tǒng)大部分采用電力電子裝置實(shí)并網(wǎng)，電力電子裝置產(chǎn)生的電壓電流諧波也是不可避免的，甚至電網(wǎng)不對稱故障產(chǎn)生的負(fù)序電壓以及電網(wǎng)自身的電壓諧波，與新能源發(fā)電站變流器相互作用，將導(dǎo)致變流器產(chǎn)生附加諧波電流。

1.目前大規(guī)模風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電并網(wǎng)存在的主要問題

新能源發(fā)電站的接入對于電網(wǎng)電能質(zhì)量將產(chǎn)生較大影響，有必要研究新能源發(fā)電站引起的電能質(zhì)量問題，以保證并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。新能源發(fā)電的目的是增加電力系統(tǒng)的電量，減少電力系統(tǒng)對一次能源的消耗。新能源發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性、可調(diào)度性差的特點(diǎn)，目前，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)帶來一些不利影響，電網(wǎng)必須控制接入容量在可控范圍內(nèi)，以最大限度地減小不利影響，存在的主要問題也有很多，主要總結(jié)如下幾點(diǎn)。

1.1間歇性和波動(dòng)性發(fā)電特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軐?shí)現(xiàn)發(fā)電，因此風(fēng)力發(fā)電與水電、火電等常規(guī)電源相比，其發(fā)電能力由風(fēng)的大小、強(qiáng)弱而定，必然具有風(fēng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控性的特點(diǎn)。太陽能發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，由于天氣及地球運(yùn)動(dòng)原因，同樣具有上述的特點(diǎn)。

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響均具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，并網(wǎng)電量隨機(jī)波動(dòng)較大、可調(diào)節(jié)性差，并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而會(huì)引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變，引起饋線中的潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響穩(wěn)態(tài)電壓分布和無功特性，使電網(wǎng)的不可控性和調(diào)峰容量余度增大，如果電網(wǎng)中沒有足夠的調(diào)峰容量，就會(huì)使電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到影響。如果風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越性能，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，極易引發(fā)電網(wǎng)瞬時(shí)故障，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。這些問題的嚴(yán)重程度與接入點(diǎn)電網(wǎng)的電壓等級(jí)、短路容量、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其控制方法、電源的類型及其并網(wǎng)容量等密切相關(guān)。因此，除并網(wǎng)風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備一定的并網(wǎng)技術(shù)性能外，還必須要求電網(wǎng)具備足夠的調(diào)峰容量和接納能力。同時(shí)要求并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置有功功率調(diào)整和動(dòng)態(tài)無功功率調(diào)整控制功能，還需要配置一定的無功補(bǔ)償，以補(bǔ)償場（站）內(nèi)的無功損耗。

1.2注入電網(wǎng)的諧波

由于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)均配有電力電子裝置，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電能質(zhì)量，還會(huì)造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。所以，需配置濾波裝置、靜止或動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置等，以抑制注入電網(wǎng)的諧波含量。

1.3孤島現(xiàn)象

孤島現(xiàn)象是當(dāng)電網(wǎng)失壓時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分供電的狀態(tài)，并與本地負(fù)載連接形成獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。這時(shí)，孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì)對用戶設(shè)備造成損壞；如果負(fù)載容量大于孤島中逆變器容量，會(huì)使逆變器過載，可能會(huì)燒毀逆變器。同時(shí)，會(huì)對檢修人員造成危險(xiǎn)；如果對孤島進(jìn)行重合閘操作，會(huì)導(dǎo)致該線路再次跳閘。由此可見，對孤島現(xiàn)象的檢測和預(yù)防是十分重要的，這也是目前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前研究的重點(diǎn)技術(shù)包括功率預(yù)測和儲(chǔ)能技術(shù)，具備功率預(yù)測系統(tǒng)是并網(wǎng)的必備技術(shù)。

1.4并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國還沒有統(tǒng)一的關(guān)于新能源發(fā)電的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的多是關(guān)于大中型并網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定，相關(guān)并網(wǎng)和檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)檢測和認(rèn)證體系等都還在逐漸完善中。事實(shí)上，目前關(guān)于大中型新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行等的影響因素，以及電網(wǎng)接納能力等方面的技術(shù)問題尚沒有確切定論，對接入系統(tǒng)的有功/無功控制能力、電能質(zhì)量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善，包括對控制器、逆變器、輸配電設(shè)備、雙向計(jì)量設(shè)備及系統(tǒng)安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，對電網(wǎng)的接納能力、電量調(diào)度運(yùn)行、配套政策等方面會(huì)提出新的要求。

2.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)分析

太陽能是可再生能源，它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需開采和運(yùn)輸，是清潔無污染的能源。太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽能發(fā)電方式，可分為光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光生物發(fā)電。其中光伏發(fā)電是太陽能光發(fā)電的主流， 通常所說的太陽能光發(fā)電就指光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽能電池（光伏電池）將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能。它的優(yōu)點(diǎn)是清潔、安全、可靠性高，故障率低，壽命長；缺點(diǎn)是能量分散，間歇性大，地域性強(qiáng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組件、直流監(jiān)測配電箱、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及上網(wǎng)配電系統(tǒng)組成。太陽能通過太陽能電池組件轉(zhuǎn)化為直流電力通過直流監(jiān)測配電箱匯集至并網(wǎng)型逆變器， 將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，經(jīng)過升壓（隔離）變壓器并網(wǎng)。并網(wǎng)測試點(diǎn)應(yīng)設(shè)在光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)和公共連接點(diǎn)處。

2.1諧波分析

光伏電站并網(wǎng)后諧波含量是否合格是由并網(wǎng)接入點(diǎn)的短路容量、光伏電站的裝機(jī)容量以及逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流大小決定的。光伏電站的諧波含量應(yīng)控制在《GB14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的允許值的范圍內(nèi)，35kV母線電壓總諧波畸變率不超過3%，各奇次諧波含有率不超過2.4%，各偶次諧波含有率不超過1.2%，否則應(yīng)配備相應(yīng)的濾波裝置，從而避免對公用電網(wǎng)造成諧波污染。

2.2電壓偏差分析

光伏電站接入電網(wǎng)后，公共連接點(diǎn)的電壓偏差應(yīng)滿足《GB/T 12325-2008 電能質(zhì)量 供電電壓偏差》的要求，35kV及以上公共連接點(diǎn)電壓正負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%。

2.3閃變分析

光伏電站接入電網(wǎng)后，公共連接點(diǎn)的電壓閃變應(yīng)滿足 《GB/T 12326-2008 電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》的要求，長時(shí)閃變每次的測量周期取 2h，對于35kV出線，長時(shí)間閃變測試值為0.11，滿足國標(biāo)的要求。

2.4電壓不平衡度分析

光伏電站接入電網(wǎng)后，公共連接點(diǎn)的電壓不平衡度應(yīng)不超過《GB/T15543-2008 電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》的要求。

2.5功率分析

光伏發(fā)電受日夜季候的影響，造成輸出功率隨機(jī)波動(dòng)性較強(qiáng)，發(fā)電穩(wěn)定性較差。 光伏電站輸出功率隨著太陽輻射量、太陽能電池組件的傾斜角度及組件效率、溫度特性、灰塵損、最大輸出功率跟蹤（MPPT）、線路損失、控制器及逆變器效率、蓄電池效率等因素的變化而變化。

3.應(yīng)對措施

為解決上述問題，我國提出了借由煤電通道“打捆”輸送風(fēng)電的解決方案：結(jié)合國家在西部和北部地區(qū)開發(fā)建設(shè)煤炭基地的總體部署，在煤炭基地集約化建設(shè)大型煤電基地，通過特高壓等輸電通道向東部、中部缺能地區(qū)輸送電力，實(shí)行“輸煤輸電并舉”。截至目前，錫盟、哈密、準(zhǔn)東和陜北、安徽兩淮地區(qū)、呼倫貝爾二期等煤電基地及其特高壓交直流外送通道前期工作基本就緒，具備近期加快啟動(dòng)建設(shè)的條件。而從基本流向看，西北部地區(qū)豐富的風(fēng)電資源，也需要擴(kuò)大到東部、中部電網(wǎng)進(jìn)行消納。因此，“建設(shè)大基地，融入大電網(wǎng)”的風(fēng)電開發(fā)模式，可以借助煤電基地的外送通道，“打捆”輸送風(fēng)電基地風(fēng)能資源。這將大幅度降低風(fēng)電輸送成本。