新能源并網(wǎng)發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

馬培華

摘要：以太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源在解決能源短缺、環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展等問題中扮演著重要的角色，新能源的應(yīng)用和發(fā)展也越來越快，配電網(wǎng)中的新能源并網(wǎng)發(fā)電情況也越來越普遍，但分布式光伏和分布式風(fēng)電的輸出功率具有間歇性和不確定性，分布式電源并網(wǎng)發(fā)電會(huì)引起配電網(wǎng)電壓偏差變化和電壓波形畸變率變大等電能質(zhì)量問題，而電能質(zhì)量問題與人們的生活息息相關(guān)，人們對(duì)電能質(zhì)量問題日益關(guān)注和重視。因此，為有效提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量及運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，并更好地發(fā)揮新能源并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)勢，需深入研究新能源并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：新能源并網(wǎng)發(fā)電;電能質(zhì)量;配電網(wǎng)

引言

我國國土面積較大，海岸線相對(duì)較長，風(fēng)力資源與其他國家相比占據(jù)優(yōu)勢。風(fēng)能是對(duì)太陽能資源的間接利用，其在開發(fā)過程中占用耕地少、污染小，但儲(chǔ)量較大，是實(shí)行可持續(xù)發(fā)展策略的重要組成環(huán)節(jié)。近年來，人們的生活水平不斷提升，也加快了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度。由于風(fēng)電發(fā)電驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用方面存在差異性及并網(wǎng)運(yùn)行中的可靠性影響，對(duì)并網(wǎng)提出了較高的要求。

1風(fēng)電新能源對(duì)并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

1.1負(fù)荷

電力需求對(duì)負(fù)荷管理效果不明顯，風(fēng)電場輸出反調(diào)峰率、峰谷差等，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。負(fù)荷水平不高時(shí)，調(diào)峰能力不足;當(dāng)負(fù)荷水平較高時(shí)，風(fēng)電的消納能力大，需要花費(fèi)較多財(cái)力、精力，為了維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，將放棄建設(shè)風(fēng)電場。

1.2電網(wǎng)架構(gòu)

風(fēng)電場避免選擇建立在市中心等位置，單個(gè)風(fēng)電廠的容量通常在50MW以上，經(jīng)過遠(yuǎn)距離輸電通道，可將電能傳遞給高電壓等級(jí)的變電站，高電壓等級(jí)的跨區(qū)、跨省輸電通道主要用于輸送煤電，未充分發(fā)揮電網(wǎng)架構(gòu)能力，造成地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力不足。

1.3風(fēng)電場

風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速、風(fēng)力不穩(wěn)等特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)電場的輸出具有隨機(jī)性，接入風(fēng)電時(shí)，會(huì)影響電網(wǎng)電壓。風(fēng)電的并網(wǎng)容量不高時(shí)，通過風(fēng)速預(yù)測技術(shù)、電網(wǎng)調(diào)度，可控制風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓造成的影響;風(fēng)電并網(wǎng)容量較大時(shí)，風(fēng)電場輸出隨機(jī)性的特點(diǎn)會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，調(diào)度部門會(huì)關(guān)閉風(fēng)電場。

1.4其他

當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)容量迅速增加，接近甚至超過地區(qū)電網(wǎng)消納極限，影響電網(wǎng)電壓。促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展前，需要先對(duì)這些問題進(jìn)行針對(duì)性研究，確保充分利用風(fēng)電資源。

2新能源并網(wǎng)發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

2.1合理確定風(fēng)電機(jī)組類型

當(dāng)前風(fēng)電制造企業(yè)的風(fēng)電發(fā)展路線包括直驅(qū)型風(fēng)機(jī)、雙饋型風(fēng)機(jī)。

（1）前者控制簡單，但其要求較高;后者控制較為復(fù)雜，但靈活度較高。

（2）前者無齒輪箱;后者具有齒輪箱，但整體維護(hù)成本較高。

（3）前者的噪聲較小;后者噪聲較大。

（4）前者為永磁;后者為電勵(lì)磁.

（5）前者為全功率;后者為全功率的33%。

（6）前者切入風(fēng)速低;后者切入風(fēng)速高。

（7）前者造價(jià)高;后者造價(jià)低。

（8）前者尺寸大;后者尺寸小。

（9）前者重量重;后者重量輕。

（10）前者電流、扭矩均不變;后者電機(jī)側(cè)電流上升，扭矩增加。長期以來，雙饋型由于技術(shù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，受到市場的認(rèn)可，隨著直驅(qū)型技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前直驅(qū)型風(fēng)機(jī)應(yīng)用更廣泛。

風(fēng)電場選定電機(jī)時(shí)，需要考慮眾多因素，如安裝、交通、地形、水文氣象、風(fēng)資源等，選擇質(zhì)量穩(wěn)定、發(fā)電效率高的風(fēng)電機(jī)組具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前我國風(fēng)電制造廠家具有技術(shù)成熟、信譽(yù)好、實(shí)力強(qiáng)等特點(diǎn)，其設(shè)備可利用率、風(fēng)機(jī)可靠性上均可得到保障，選擇風(fēng)電機(jī)組類型時(shí)，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源，充分利用風(fēng)能。風(fēng)電場開發(fā)后需要較長時(shí)間，方可體現(xiàn)其效益，多種因素均會(huì)影響項(xiàng)目的收益?？紤]收益時(shí)，應(yīng)從原本的僅關(guān)注初期成本變?yōu)殛P(guān)注生命周期的平均成本，不斷降低維護(hù)成本，延長生命收起，提高發(fā)電量。本地的風(fēng)速水平較低、其他條件均一致時(shí)，風(fēng)速轉(zhuǎn)化率越高，切入風(fēng)速越低，發(fā)電總量便越高，選擇直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢更明顯。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本較低，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來過大的沖擊，當(dāng)建設(shè)資金支持時(shí)，應(yīng)選擇直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組。

2.2確定風(fēng)電最大并網(wǎng)容量

電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力有限，是風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)電壓的重要原因，結(jié)合電網(wǎng)的調(diào)節(jié)性能，對(duì)風(fēng)電最大并網(wǎng)容量進(jìn)行計(jì)算，合理控制電網(wǎng)受到風(fēng)電場的影響。進(jìn)行風(fēng)電同時(shí)率的計(jì)算時(shí)，需要考慮風(fēng)機(jī)安裝規(guī)律、風(fēng)力資源平均度等特點(diǎn)，明確不同風(fēng)機(jī)的性能，風(fēng)機(jī)處理時(shí)應(yīng)始終保持出力穩(wěn)定、滿荷處理，且應(yīng)考慮風(fēng)電場輸出的隨機(jī)性、不確定性。風(fēng)電并網(wǎng)的接納容量受風(fēng)電場同時(shí)率、聯(lián)絡(luò)線輸送功率、負(fù)荷特性、系統(tǒng)備用容量、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性、風(fēng)電裝機(jī)容量等因素的影響。為了確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，風(fēng)電場的輸出功率過高超出電網(wǎng)調(diào)節(jié)容量時(shí)，可采用暫時(shí)關(guān)閉部分風(fēng)電機(jī)組的措施限制風(fēng)電部分的功率。

2.3建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能電站的建設(shè)可平衡電網(wǎng)的供需，提高電網(wǎng)需求側(cè)峰谷時(shí)的調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、輸變電能力，滿足風(fēng)電等可再生但供應(yīng)不穩(wěn)定能源的并網(wǎng)需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)可提高電能供應(yīng)低谷值、降低電能需求峰值。工作人員應(yīng)注意，電能無法直接存儲(chǔ)，需要將其轉(zhuǎn)化為電磁能、化學(xué)能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

（1）物理儲(chǔ)能。

①壓縮空氣。典型功率為50～300MW，其功率與容量均較大，但對(duì)場地具有特殊要求，主要應(yīng)用于系統(tǒng)備用電源、調(diào)峰發(fā)電廠。②抽水蓄能。典型功率為50～2000MW，其功率與容量均較大，成本較低，但對(duì)場地具有特殊要求，需要經(jīng)過較長時(shí)間的施工，主要應(yīng)用于系統(tǒng)備用電源、頻率控制、日負(fù)荷調(diào)節(jié)。③飛輪儲(chǔ)能。典型功率為20MW，其功率較大，但能量密度不高，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)節(jié)，改善電能質(zhì)量。

（2）電磁儲(chǔ)能。

①超級(jí)電容器。典型功率為1～100MW，其具有效率高、壽命長、響應(yīng)速度等特點(diǎn)，但能量密度低，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電，改善電網(wǎng)頻率波動(dòng)。②超導(dǎo)儲(chǔ)能。典型功率為0.1～1MW，其具有轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)速度快、功率密度高等特點(diǎn)，但成本高，主要應(yīng)用于電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、UPS。

（3）電化學(xué)儲(chǔ)能。

①鋰離子電池。典型功率為0.1～10MW，其能量密度高，循環(huán)使用周期長，但成本高、功率密度低，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、調(diào)峰、備用電源。②液流電池。典型功率為0.001～500MW，具有壽命長、容量大等特征，但功率密度低、響應(yīng)速度慢，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、備用電源調(diào)節(jié)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。③鉛酸電池。典型功率0.001～10MW，其具有成本低等特征，但使用周期短、環(huán)保性差，主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、UPS。

結(jié)束語

對(duì)新能源在不同并網(wǎng)位置、容量及并網(wǎng)方式下的配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明新能源并網(wǎng)發(fā)電的位置和容量對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量有較大影響，并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)越靠近配電網(wǎng)線路末端，并網(wǎng)新能源的額定容量越大，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的抬升作用和引起電壓諧波畸變越明顯，而各節(jié)點(diǎn)受影響的程度與其離并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近有關(guān)，離并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)越近，受影響的程度越大，多個(gè)新能源的并網(wǎng)方式對(duì)電能質(zhì)量也有較大影響，當(dāng)額定容量較大的新能源并網(wǎng)位置越靠近配電網(wǎng)末端，電能質(zhì)量受到的影響越大，當(dāng)所有新能源均并網(wǎng)于末端時(shí)，對(duì)電壓抬升和引起的電壓諧波畸變最明顯。

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