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

張寧 陜西能源研究院有限公司

國家“十三五”能源規(guī)劃中提出，每年要減少化石能源所占比重，增加綠色清潔能源的比重，其中已實現(xiàn)大規(guī)模利用的有太陽能、風能等。盡管我國能源結(jié)構(gòu)仍以火力發(fā)電為主，但其比重已發(fā)生了較大幅度的下降，新能源發(fā)電所占比重顯著增加。國內(nèi)新能源發(fā)電技術(shù)以風電、太陽能等為主，發(fā)展?jié)摿薮?。然而，風能的產(chǎn)生受到風速的影響，使得光伏電站受到光的影響。兩者之間存在著諸多動態(tài)性影響因素，因而也會使新能源發(fā)電并網(wǎng)時輸出功率發(fā)生顯著波動，輸出功率一旦受到影響而發(fā)生波動，就會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。為避免出現(xiàn)這種情況，則要充分利用新能源發(fā)電接入電網(wǎng)中電量的利用效率，防止發(fā)電量做無用的動作，此時還可以使用儲能鋰離子電池來把多余的電量儲存起來，避免電量流失。目前，國內(nèi)大多數(shù)新能源發(fā)電系統(tǒng)均采用電力電子器件并網(wǎng)發(fā)電，但其嚴重的缺陷在于易產(chǎn)生諧波，這種諧波本身的設備本身的物理特性不能避免，因此還會衍生出諧波。另外在電網(wǎng)中，由于容量較大，調(diào)節(jié)容量較大，其電壓隨輸出功率波動而閃爍，從而給用戶帶來了很大的損失。所以在將新能源并網(wǎng)之后，對電能質(zhì)量問題進行研究是非常必要的。

一、風電新能源發(fā)展現(xiàn)狀

基于相關(guān)數(shù)據(jù)顯示我國在20世紀80年代中期的風力發(fā)電行業(yè)便進入了商業(yè)化運營階段，同時在相關(guān)政策的支撐下也使得風力發(fā)電行業(yè)得到了快速地發(fā)展。而在我國科學技術(shù)不斷優(yōu)化升級的技術(shù)上，風電新能源依據(jù)新型的技術(shù)實現(xiàn)了開拓發(fā)展，進而使得我國的能源行業(yè)基于現(xiàn)有的技術(shù)成果實現(xiàn)快速推進。

而在2005年至今，我國的風電新能源開發(fā)技術(shù)已經(jīng)取得了明顯地發(fā)展，但從整體上看我國的風電新能源開發(fā)技術(shù)主要依賴于進口的并網(wǎng)型風機，同時也尚未形成健全的零部件管理和規(guī)范化維護機制，進而使得我國在風電技術(shù)發(fā)展上依然存在一定的不足之處，并且在探求高新技術(shù)內(nèi)容時依然任重而道遠。

二、新能源發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響

（一）新能源發(fā)電對饋線穩(wěn)態(tài)電壓的影響

在電力系統(tǒng)中，利用變壓器對電壓進行調(diào)節(jié)，眾所周知，輸出電壓與輸入電壓的比值等于匝數(shù)之比，線圈匝數(shù)的比值通常不變，所以想要穩(wěn)定電壓，就必須從輸入源開始對電壓進行分析，輸入電壓穩(wěn)定后，其輸出端電壓也必然穩(wěn)定，其輸出端電壓也就不會變。但當新能源占總發(fā)電量的比重較大時，輸出功率也有波動，在某種程度上會給線路增加負荷，這就造成線路負荷增加，超出其所能承受的電壓范圍，無疑給電壓調(diào)節(jié)技術(shù)帶來困難。在某種程度上，發(fā)電站離主站距離越遠，饋線電壓越高，其等價關(guān)系為正向關(guān)系。一種新能源發(fā)電廠容量的大小也會影響其它因素，電容時間越長，線路上加載所占比例越大，就越容易影響電站上游端的輸出功率，一旦出力不足，可能需要大量的電流向回充，此時就容易產(chǎn)生逆流問題。這個告訴我們新能源發(fā)電的電量要適度，否則將出現(xiàn)極端現(xiàn)象，不只是出現(xiàn)逆流問題，更有可能出現(xiàn)超負荷輸送?？傊€路各節(jié)點間的電壓不穩(wěn)定性均有可能發(fā)生，同時也會發(fā)生功率穿通、電網(wǎng)短路等不良現(xiàn)象。

（二）新能源發(fā)電對電網(wǎng)電壓波動和閃變的影響

供電網(wǎng)絡系統(tǒng)在運行過程中經(jīng)常發(fā)生開停機的現(xiàn)象，而正是在短短的幾秒鐘內(nèi)，電壓會發(fā)生波動性變化，同時對電容進行補償。簡單地說，發(fā)電站的輸出功率是引起電壓波動和閃變的主要原因，對于風電和太陽能發(fā)電來說，受影響的主要因素是風速、光強、溫差變化等，因此為了更好地提升輸出功率將需要借助風速、光線強度以及溫差變化等因素實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓波動和閃變的控制。其中當天氣條件惡劣時，將導致電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)波動性和閃變現(xiàn)象，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，因此在新時代背景下，通過持續(xù)尋找優(yōu)質(zhì)材料，提高風力、光電等技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率，將能夠有效解決電網(wǎng)電壓波動和閃變的問題。

三、新能源發(fā)電對電網(wǎng)頻率的影響

一般來說，電力系統(tǒng)極少發(fā)生頻率異?，F(xiàn)象，但將新能源并網(wǎng)之后，又會帶來一系列問題，其中一種就是“頻率異常”。對于太陽能發(fā)電技術(shù)而言，降低電站容量將減少單元電容補償，減小對電網(wǎng)頻率的影響。在新能源發(fā)電所占比例增加的情況下，電網(wǎng)總發(fā)電量也將增長，但是，由于新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性，在并網(wǎng)之后，線路上將產(chǎn)生電壓波動，合并電網(wǎng)后，會使電網(wǎng)頻率發(fā)生變化，這是某些列傳遞問題，電源端出現(xiàn)問題，無論上、中、下游。當電網(wǎng)頻率發(fā)生異常時，將使電力系統(tǒng)出現(xiàn)一個很難修補的問題，也會給用戶帶來諸多不便。通過對風電系統(tǒng)的數(shù)學模型進行評價，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，小頻率的波動對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，因此，為了更好地解決新能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性和不確定性等問題，還需要切實強化對綠色能源的開發(fā)，進而使其能夠在開發(fā)利用的過程中為人類社會提供穩(wěn)定的能源。

四、新能源發(fā)電對電網(wǎng)諧波的影響

現(xiàn)階段的太陽能并網(wǎng)與風能并網(wǎng)發(fā)電是我國新能源發(fā)電的先導，其資源在利用上具有可再生性，而本文所指的諧波電壓產(chǎn)生，很大程度上是因為電力設備本身具有易于使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的物理性質(zhì)，例如在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器具有雙極型功率開關(guān)的特性，使電網(wǎng)內(nèi)的電壓電流易于產(chǎn)生諧波，這將導致新能源發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性受到影響。同時在新能源發(fā)電的過程中也極易受到外界因素的影響，當風速較小、光線強度較弱等情況時，將導致電網(wǎng)中的電壓電流出現(xiàn)偏低現(xiàn)象，進而導致諧波問題的出現(xiàn)。

五、提高新能源發(fā)電并網(wǎng)可靠性的措施

（一）統(tǒng)一新能源發(fā)電并網(wǎng)標準

從有關(guān)實踐調(diào)查中可以了解到，目前我國對新能源發(fā)電并網(wǎng)在整體的標準化設置中依然缺乏統(tǒng)一的標準，其中相關(guān)的法律法規(guī)尚未明確為。電力系統(tǒng)中有關(guān)技術(shù)人員對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及并網(wǎng)將帶來的負面影響也存在把控不足的問題，這都將導致新能源發(fā)電并網(wǎng)的可靠性受到影響。為此，有關(guān)部門和機構(gòu)要積極完善風電以及光伏設施設備，切實對電網(wǎng)中的逆變器和控制器進行嚴格管理，同時還需要對并網(wǎng)過程中可能出現(xiàn)的故障問題提出科學有效的解決方式。最后相關(guān)部門還需要嚴格明確不同地區(qū)的并網(wǎng)標準，并依據(jù)相關(guān)標準確保新能源發(fā)電并網(wǎng)的安全可靠性。

（二）優(yōu)化應對并網(wǎng)波動性和間接性

盡管不能改變自然條件，但可以通過對電力設備的優(yōu)化改造，使得電力并網(wǎng)效果得到提升，期間需要從以下幾個環(huán)節(jié)對電力設備進行調(diào)節(jié)優(yōu)化，使其能夠更好地契合并網(wǎng)技術(shù)性能需求。同時還需要對并網(wǎng)過程中的新能源設備進行不斷調(diào)試，使其在不同的輸配電高峰期做好調(diào)節(jié)工作，以此為提高電網(wǎng)對波動性和間接性電力的整體接受能力奠定良好基礎(chǔ)。另外，在與之相配套的發(fā)電系統(tǒng)中必須具有有功功率調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)功能，以減少新能源電能波動對整體電能質(zhì)量的影響。其中在設備運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮無功補償功能，也能夠避免在風力發(fā)電和光伏發(fā)電過程中由于電力不能持續(xù)運行而造成的損失。

（三）應用于運行穩(wěn)定性問題解決

穩(wěn)定性問題也是傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在運行過程中面臨的重要問題。新能源發(fā)電機動態(tài)特性的弱穩(wěn)定性和抗擾性給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了新的威脅。對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，小干擾和大干擾都會影響其運行穩(wěn)定性。電網(wǎng)穩(wěn)定運行的保證是基于負載的動態(tài)特性，并通過實時動態(tài)功率平衡來實現(xiàn)，具體包括識別干擾源，研究電源和網(wǎng)絡的動態(tài)特性，采用各種安全自動裝置，并采取系統(tǒng)安全保護措施。本文從兩個方面討論了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性：①動態(tài)有源輸出控制，可抑制系統(tǒng)的相位/頻率波動；②動態(tài)無功輸出控制，可抑制系統(tǒng)電壓波動。

對于大型新能源集中接入系統(tǒng)，新能源發(fā)電機的弱穩(wěn)定性和抗擾性直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為：①有源動態(tài)輸出控制系統(tǒng)的相頻干擾能力趨于減弱；②有源動態(tài)輸出控制系統(tǒng)抑制電壓干擾的能力趨于減弱。研究表明，當風輪機的輸入速率較低時，新能源的輸入電壓主要受風輪機局部電壓的影響；風輪機的輸入電壓受風輪機局部電壓的影響較大。當風輪機的輸入率高時，系統(tǒng)的功率角和頻率穩(wěn)定性主要受局部電壓的影響。因此，對于大規(guī)模的新能源發(fā)電集中式并網(wǎng)系統(tǒng)，有必要考慮其輸出功率特性的抵抗力和穩(wěn)定性。

隨著中國新能源發(fā)展的高度集中和長距離輸電方式的出現(xiàn)，風能的波動性、不確定性、弱穩(wěn)定性和抗擾性等因素對系統(tǒng)的影響越來越大，發(fā)電和運營的豐富性也越來越高。穩(wěn)定性問題變得越來越突出。另外需要特別強調(diào)的是，上述的弱穩(wěn)定性和弱抗擾度僅涉及新能源發(fā)電在機電動態(tài)時標上的動態(tài)響應。新能源發(fā)電機組除了在機電時間尺度上的穩(wěn)定性問題外，還存在著在較小時間尺度上的穩(wěn)定性問題，如變流器直流電壓的穩(wěn)定性，這也是大型新能源發(fā)電機組集中并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性的另一種類型。

六、風電新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展前景研究

（一）充分研發(fā)大容量風電系統(tǒng)

誠然，我國政府部門和相關(guān)研發(fā)機構(gòu)在近幾年結(jié)合具體情況和當?shù)仫L能需求做了許多研究，而隨著國家大規(guī)模發(fā)展風電能源，單機裝機容量不斷增加，將使得大容量風電系統(tǒng)的開發(fā)得到了相應的基礎(chǔ)條件建設，進而將能夠更好地推動風電新能源事業(yè)的健康發(fā)展。同時對其進行較高的工藝研究，特別是對相關(guān)部件及控制子系統(tǒng)的設計存在一些問題，將需要以研究開發(fā)大容量、高性能、可靠、穩(wěn)定的風能發(fā)電機為基礎(chǔ)，進而使得科學技術(shù)體系得到優(yōu)化。期間還需要組建高素質(zhì)的技術(shù)團隊，對開發(fā)風電新能源的課題中的瓶頸問題融入更加具有現(xiàn)代化的技術(shù)，進而為提升風電新能源提供一個科學、完善的技術(shù)體系。對于并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，更加需要通過系統(tǒng)優(yōu)化運作的方式構(gòu)建更加具有完善性的體系，進而為提升風電系統(tǒng)運行的運行效率奠定良好基礎(chǔ)。因此在探討風電新能源發(fā)展前景時，必須提及大容量風力發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)，這不僅是為未來風電新能源的重要發(fā)展方向，同時也是今后風電場發(fā)展的重要方向。在未來的發(fā)展過程中，大容量風電系統(tǒng)將成為促進并網(wǎng)電能質(zhì)量提升的重要基礎(chǔ)，期間需要切實強化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化，進而使得并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的饋線穩(wěn)態(tài)電壓、電壓波動和閃變、電壓頻率以及諧波問題能夠得到解決和優(yōu)化。

（二）充分研究并網(wǎng)技術(shù)以及最大風能捕獲技術(shù)

風力發(fā)電站受很多因素的影響，其中風電控制系統(tǒng)將會對能源開發(fā)的效果產(chǎn)生直接影響，而從另一個角度對風電場展開分析可以發(fā)現(xiàn)當其出現(xiàn)風力不均問題時，將會嚴重影響電網(wǎng)運行的安全性。

在風電新能源技術(shù)未來的研究中必須將并網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并對其優(yōu)缺點進行綜合分析，進而使得風電新能源研究開發(fā)的技術(shù)得到提升。由于風電新能源的開發(fā)密度較低，由此許多研究小組把注意力集中在對風能的捕捉上，從而成為當今風電新能源技術(shù)發(fā)展的一個前景和目標，同時也將成為今后研究的重要方向之一。目前世界各國對并網(wǎng)技術(shù)的應用水平不盡相同，國內(nèi)目前的研究與開發(fā)均仍處于發(fā)展階段，有待于全面地投入到實際應用中。因此，針對目前風力發(fā)電發(fā)展狀況來分析其技術(shù)發(fā)展前景時依然需要考慮多重因素。

從目前對風電新能源的研究來看，風力發(fā)電需要借助相應的工具對葉片間距和機組功率進行調(diào)整，進而使得風電開發(fā)的性能得到優(yōu)化提升。風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)與最大風能捕捉技術(shù)的創(chuàng)新研究與開發(fā)，是當前和今后風力發(fā)電發(fā)展的重中之重。

由于電力供應和需求是社會能量流動的最大代表，因此就目前的情況來講，能源互聯(lián)網(wǎng)的核心依舊是電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)除了新能源電力系統(tǒng)之外，還有很多電力系統(tǒng)包括以消耗天然氣、煤炭等不可再生資源的發(fā)電系統(tǒng)，還有核能作為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)以及水利、潮汐等作為基礎(chǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，這些發(fā)電系統(tǒng)目前組成了我國的廣域電能資源供應網(wǎng)絡，其整體的能量和信息的流動可以對我國的能源互聯(lián)網(wǎng)的情況進行一個客觀地反映。我國目前正處于能源改革的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型時期，在這樣一個特殊的時期，在進行能源互聯(lián)網(wǎng)搭建的過程中，就必須要考慮未來我國的能源發(fā)展。就目前的國際形勢和我國的政策導向來看，未來的廣域電力供應系統(tǒng)的重心會逐步向新能源電力系統(tǒng)傾斜，因此需要運用好廣域能源資源協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)，對當下的能源互聯(lián)網(wǎng)做好搭建和維護的工作的同時，還要著眼未來，進行有目標、有計劃的整改和規(guī)劃。

（三）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)在能源供給側(cè)構(gòu)建“智慧電源”模式

風電新能源的開發(fā)前景與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合是新時代的必然趨勢，期間需要建立起以“云能云”為依托的能源網(wǎng)絡體系，進而使得電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電源側(cè)數(shù)據(jù)集中與共享技術(shù)的突破。風電新能源的技術(shù)開發(fā)就進步需要以高端技術(shù)人才作為基礎(chǔ)，期間需要通過大數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)電站，實現(xiàn)發(fā)電站、水庫以及水庫群之間的聯(lián)合優(yōu)化生產(chǎn)，進而使得電源終端設備的運轉(zhuǎn)效率得到提升。在風電新能源開發(fā)過程中還需要切實做好相應的監(jiān)控、統(tǒng)一數(shù)據(jù)匯集以及配置技術(shù)優(yōu)化，進而為提升對智能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)力度奠定良好基礎(chǔ)。在研發(fā)的一系列程序都要求研究開發(fā)人員充分運用高科技，并有有效率的制度管理方法來協(xié)助研究小組，以確保研究小組圍繞能源應用重點領(lǐng)域和工業(yè)用能需求，加強用能大數(shù)據(jù)采集、分析、應用等方面的技術(shù)支持，以高效的體制管理方法對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容進行整合管理。

并且需要綜合能源供求歷史數(shù)據(jù)和增量數(shù)據(jù)，面向主管部門、重點行業(yè)、領(lǐng)域，建立能源供需數(shù)據(jù)動態(tài)匹配系統(tǒng)，有效提高能源供需側(cè)信息服務能力。根據(jù)能源供求的動態(tài)匹配需要，開展人工智能的應用研究，建立一種能適應特定范圍的能源供需動態(tài)匹配指數(shù)分析、能源調(diào)度決策輔助。通過智能技術(shù)手段的融入，使得風電新能源技術(shù)的研發(fā)方向能夠更加精確，并且在未來的研發(fā)中將能夠更好地利用大數(shù)據(jù)發(fā)掘風電新能源的發(fā)展機遇。

在未來，能源互聯(lián)網(wǎng)和新能源電力系統(tǒng)的銜接想要再上一個臺階，那么首先需要提升對能量流的交互技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)在能量流動的過程中攜帶信息的目標，目前日本、美國等發(fā)達國家已經(jīng)開始對“數(shù)字電網(wǎng)”這個能量與信息緊密交互的概念進行研究。

七、結(jié)束語

總而言之，在未來的能源行業(yè)發(fā)展中，新能源發(fā)電將成為提升我國供電穩(wěn)定性的重要方式，但由于新能源發(fā)電方式在并網(wǎng)的過程中將會出現(xiàn)饋線穩(wěn)態(tài)電壓、電壓波動和閃變、電壓頻率以及諧波等方面問題，將使得電能質(zhì)量難以得到優(yōu)化提升。本文主要對新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響以及應對策略進行分析，以期更好地提升電網(wǎng)電能整體質(zhì)量水平。