新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

楊俊麗

（洛陽科技職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471000）

0 引 言

風(fēng)能、光能以及水能等新能源的發(fā)展和應(yīng)用不斷推動國家能源技術(shù)的深入改革。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”和“綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展”，國家和政府已在逐步提升新能源在國家能源使用中的占比。截止到2020年初，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)電機已經(jīng)累計裝機容量達到2×108kW，太陽能光伏發(fā)電累計裝機容量也已經(jīng)超過1.9×108kW?？傮w來看，新能源電力系統(tǒng)的裝機占比已經(jīng)超過總體電力系統(tǒng)的20%以上。未來從環(huán)保、節(jié)能以及經(jīng)濟角度來看，新能源發(fā)電技術(shù)仍會持續(xù)性向好、向快發(fā)展。但是新能源接入到原有的國家電網(wǎng)體系后，對原有電力系統(tǒng)和電能質(zhì)量會帶來一系列影響，這也是國家電網(wǎng)所需要關(guān)注的問題。

1 新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容

1.1 電力系統(tǒng)概述

21世紀之前，人類對地球資源進行了許多掠奪式的消耗和開采，使得地球資源中許多不可再生資源已經(jīng)面臨消耗殆盡的危險，世界性能源危機的爆發(fā)和生物環(huán)境的惡化早已在數(shù)年前就已經(jīng)向人類敲響了警鐘。為此，各國在近年來不斷加大對風(fēng)能、水能、太陽能以及熱能等清潔可再生資源的開發(fā)研究。目前為止，我國已經(jīng)在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電方面做出了一定成績，新能源發(fā)電機的容量也在逐步加大，2020年分布式發(fā)電機和能源容量已經(jīng)突破了1.6×109kW。在新能源技術(shù)的發(fā)展下，多種分布式電源和發(fā)電方式可以很大程度上解決當(dāng)前國家電力系統(tǒng)電容不足的問題，在夏季和冬季這兩個用電高峰季也可以滿足城市的用電需求。在取得研究和實踐成果的同時，多種分布式電源在接入原有的國家電網(wǎng)體系后，對于原來的配電網(wǎng)系統(tǒng)也產(chǎn)生了不同程度的影響。配電系統(tǒng)已經(jīng)從原有單一的分配電能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧仙a(chǎn)、傳輸以及儲存于一體的多功能電力系統(tǒng)網(wǎng)。而且由于當(dāng)前新能源發(fā)電技術(shù)和系統(tǒng)還遠未達到十分成熟的階段，所以新能源發(fā)電還存在波動性和隨機性等問題，使得在并入原有電力系統(tǒng)后時常會造成諧波污染與電壓波動等問題，給電力系統(tǒng)帶來了許多不可預(yù)知的風(fēng)險，也在一定程度上影響到了原有的電能質(zhì)量。

1.2 電能質(zhì)量概述

各個國家依照生活需求和用電需求的不同，在電能質(zhì)量方面的要求有不同表述。就國內(nèi)而言，電能質(zhì)量是體現(xiàn)在相關(guān)電力企業(yè)在對用戶提供電能時，各項指標(biāo)要符合國家電網(wǎng)所規(guī)定的用電標(biāo)準、技術(shù)規(guī)范以及安全保障等，在保證電能平穩(wěn)輸送的基礎(chǔ)上最大程度地保證用戶的用電安全，為用戶提供安全可靠的電能。而從普通用戶的角度來看，電能質(zhì)量較高的理解就較為簡單，基本可以理解為在日常的用電過程中，電壓、波形以及頻率等因素不會受到大幅度的干擾而產(chǎn)生巨幅波動的情況。當(dāng)然，一般輕度的電能質(zhì)量波動用戶也很難察覺到。此外，在日常民用的電力設(shè)備中，各種電器設(shè)備也會在一定程度上影響用電質(zhì)量和用電安全。

根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的運行情況，將電能質(zhì)量大致歸納為供電、電壓以及電流質(zhì)量3個方面。供電質(zhì)量的影響因素包括技術(shù)方面和非技術(shù)方面，技術(shù)方面可以參考電壓的穩(wěn)定程度和質(zhì)量，非技術(shù)方面即電力公司對于相關(guān)電力生產(chǎn)和服務(wù)水平等方面。電壓質(zhì)量表現(xiàn)在電壓偏差、過電壓以及欠壓等方面，電流質(zhì)量表現(xiàn)在陷波和電流諧波等方面[1]。

2 新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

2.1 新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定性的影響

太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用到多個行業(yè)和領(lǐng)域。但是在實際的利用中，太陽能的優(yōu)缺點也十分的明顯。太陽能發(fā)電會受到氣候、天氣、溫度以及地理環(huán)境位置等因素的影響，如在陰雨天或冬季，太陽能發(fā)電的效果就會大打折扣。各種環(huán)境因素的影響下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最終產(chǎn)生的發(fā)電量會有較大的差異，輸出功率上也會有很大變化，這就會直接導(dǎo)致電壓波動的問題。

風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)速和風(fēng)力大小的影響，最終產(chǎn)生的電能質(zhì)量和功率也會有所不同，將會導(dǎo)致產(chǎn)生電壓波動和閃變。

新能源發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)備開關(guān)和功率輸出等方面也會因為各種技術(shù)原因和自然原因產(chǎn)生波動，外界因素對于電能質(zhì)量和電壓穩(wěn)定影響較大，所以在新能源并網(wǎng)后會加大對電壓調(diào)節(jié)的難度。傳統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)備和方式在新能源接入原有電力系統(tǒng)后已經(jīng)漸漸無法滿足并網(wǎng)過后電力系統(tǒng)的安全，所以需要改善相應(yīng)的技術(shù)和管理方法。

2.2 新能源并網(wǎng)后的孤網(wǎng)問題

新能源并網(wǎng)后所產(chǎn)生的孤網(wǎng)問題會對電網(wǎng)的安全性產(chǎn)生極大影響。孤網(wǎng)即孤島電網(wǎng)，其是由多個小型發(fā)電機組或者系統(tǒng)相互聯(lián)合后所搭建起來的局域性電網(wǎng)，以此在大電網(wǎng)運行減弱或者電壓降低時，新能源的電力系統(tǒng)可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)和發(fā)電，在大電網(wǎng)失壓的情況下持續(xù)給其輸送電力，這也就是孤網(wǎng)問題所帶來的危害[2]。孤網(wǎng)現(xiàn)象的發(fā)生可能會導(dǎo)致電網(wǎng)中電力系統(tǒng)和電能質(zhì)量都發(fā)生不同程度的波動，如果類似電壓或者頻率發(fā)生大規(guī)模和大幅度的波動，超出原有電網(wǎng)系統(tǒng)可以承載的運行標(biāo)準就極可能會導(dǎo)致電力設(shè)備的安全問題。例如，電線和電路發(fā)生電壓紊亂，進而跳閘，電壓電流的載荷超過預(yù)期安全標(biāo)準，給逆變器造成負荷，嚴重的可能會導(dǎo)致相關(guān)儀器設(shè)備高壓起火，造成生命財產(chǎn)安全問題。

2.3 新能源并網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率的影響

利用新能源技術(shù)進行發(fā)電在環(huán)保、節(jié)能以及可持續(xù)發(fā)展等方面有很大的優(yōu)勢，但是在穩(wěn)定性方面還需要技術(shù)性的突破。在原有的電力系統(tǒng)中，電能的生產(chǎn)、儲存?zhèn)鬏數(shù)认到y(tǒng)都具有較高的系統(tǒng)性和完整性，在運行頻率方面很少會出現(xiàn)大規(guī)模的異常問題。尤其對于一些容量不大的小城鎮(zhèn)發(fā)電站來說，即使很多機組產(chǎn)生投切問題也很少會出現(xiàn)頻率異常的問題。但是新能源并網(wǎng)后，其供電比例逐步增大，超頻現(xiàn)象頻繁。而這類問題產(chǎn)生的主要原因在于太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，自然因素的變化極大影響電力系統(tǒng)的發(fā)電過程和效果。因此，電網(wǎng)管理人員需要全方位地考慮新能源發(fā)電的影響因素，對于這類間歇性波動問題要盡早研究出解決對策，從而保證電網(wǎng)的運行安全和用戶用電安全。

2.4 新能源并網(wǎng)標(biāo)準方面的問題

新能源技術(shù)所帶來的影響和成果十分巨大，風(fēng)能、太陽能、水能、熱能以及生物能等在科學(xué)技術(shù)的突破下有了不錯的成果。但是新能源過分依賴于自然環(huán)境，其地理位置的分布也十分復(fù)雜。例如，風(fēng)能發(fā)電多是建立在海域和高原等開闊區(qū)域，太陽能則是布置在海拔較高或光照時間較長的區(qū)域。這些發(fā)電系統(tǒng)和設(shè)備在并網(wǎng)后很難搭建起一個統(tǒng)一的標(biāo)準，由于當(dāng)前的技術(shù)問題和電力布置問題導(dǎo)致實際應(yīng)用上存在成本高、普及和應(yīng)用難等問題，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準和技術(shù)協(xié)調(diào)，因此很難保證新能源并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.5 新能源并網(wǎng)后的諧波問題

風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)在接入原有的電網(wǎng)后所造成的諧波問題會影響到系統(tǒng)設(shè)備的運行安全和穩(wěn)定性，同時也會導(dǎo)致電力生產(chǎn)和使用時的能量浪費情況。從風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的技術(shù)方面來看，發(fā)電設(shè)備自身會產(chǎn)生一定的諧波問題，恒速發(fā)動機在開啟時就會產(chǎn)生諧波現(xiàn)象[3]。而變速發(fā)動機在頻率切換時容易產(chǎn)生諧波問題，且影響程度較大。此外，一些發(fā)電系統(tǒng)為保證設(shè)備平穩(wěn)運行而加裝的補償裝置也可能會引發(fā)諧波。太陽能光伏發(fā)電因為光照的強弱，其輸出功率產(chǎn)生一定程度的波動，產(chǎn)生諧波問題。

3 新能源并網(wǎng)后的問題思考

3.1 并網(wǎng)后穩(wěn)定性的問題

新能源技術(shù)的研究和應(yīng)用有了較長時間的發(fā)展，但對于其在電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能穩(wěn)定性研究分析還有不足，需全面認知到設(shè)備技術(shù)對電能質(zhì)量所帶來的影響以及與其他設(shè)備和路線之間的兼容問題等[4]。因此，在電網(wǎng)的統(tǒng)一標(biāo)準方面，相關(guān)部門還需要加強對各類建設(shè)標(biāo)準的研究。針對穩(wěn)定性方面，建議相關(guān)部門盡可能在滿足自身和民眾信息安全的基礎(chǔ)條件下，對于各區(qū)域中低壓分布式電源系統(tǒng)信息進行持續(xù)性監(jiān)測，不斷調(diào)整各類信息的接入方式和口徑，提升分布式電源信息的接入率，來到達對分布式電源較高觀測度[5]。在逐步完善部分系統(tǒng)可控的情況下，達到群控群調(diào)的目標(biāo)。

3.2 發(fā)電穩(wěn)定性問題

新能源技術(shù)的產(chǎn)生基礎(chǔ)還是來源于自然環(huán)境，以目前的人力技術(shù)來看，難以對自然環(huán)境起到有效的干預(yù)。為了消除自然因素對電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的影響，可以從電力設(shè)備的本身來尋找解決問題的方案。

首先嘗試利用科學(xué)手段來加強設(shè)備技術(shù)的革新，從能源設(shè)備技術(shù)方面來不斷提升自身電能生產(chǎn)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。其次加強電網(wǎng)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)控制功能，調(diào)控和平衡電力峰值狀況。最后通過在電力系統(tǒng)中設(shè)置相關(guān)的補償技術(shù)，來應(yīng)對一些系統(tǒng)發(fā)電中產(chǎn)生的無功率運轉(zhuǎn)問題，從而來減少能源浪費。

3.3 諧波問題

諧波作為新能源并網(wǎng)后較為常見的問題之一，對于原有電網(wǎng)系統(tǒng)的損害也較大。在很多設(shè)備、儀器或者線路電容器中都會產(chǎn)生諧波問題，雖然問題出現(xiàn)較為頻繁，從目前的技術(shù)水平來看該問題還是處于一個可控的范圍內(nèi)。電網(wǎng)部門通過一定的措施可以對其進行規(guī)避和預(yù)防，如在風(fēng)力發(fā)電廠設(shè)備中加強各類設(shè)備的協(xié)調(diào)連接，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹C波抑制儀器等。

3.4 孤網(wǎng)問題

處理孤網(wǎng)問題需要從其產(chǎn)生的原因出發(fā)。新能源機組在與原有的電網(wǎng)電源連接后，由于新能源發(fā)電系統(tǒng)相較于原有的電力系統(tǒng)是一個獨立且功率較小的電源，因此在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享方面會產(chǎn)生一定的問題。在解決此類問題時，要著重強化新能源與原有電網(wǎng)的信息適配程度，加強電網(wǎng)和新能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控功能，這樣可以在一定程度上減少新能源并網(wǎng)后的信息孤島效應(yīng)。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段，太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)深入發(fā)展，新能源的利用比重隨著時間進一步加重，這也會對國家能源、生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟等方面產(chǎn)生積極作用。新能源機組的快速發(fā)展可能會對原有的電網(wǎng)系統(tǒng)帶來較大影響，國家電網(wǎng)部門則需要進一步完善和革新相關(guān)的電力系統(tǒng)和電力保障制度，從設(shè)備機理、規(guī)模管控以及技術(shù)深入等多方面來作為新能源并網(wǎng)問題的解決切入點。隨著技術(shù)和管理的進一步完善，未來新能源技術(shù)的廣泛應(yīng)用會為國家的經(jīng)濟發(fā)展和民生帶來極大的推動作用。