淺析新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 劉 云

新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路所帶來(lái)的影響是十分巨大的。我國(guó)是世界人口大國(guó)，國(guó)土內(nèi)所蘊(yùn)含的能源資源也位居世界前列。但近年來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，使得我國(guó)儲(chǔ)備的化石能源并不能夠滿足國(guó)家發(fā)展的實(shí)際需求，尤其是當(dāng)前全球面臨著十分嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，而傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)中大規(guī)?；剂系膽?yīng)用只會(huì)加劇環(huán)境的污染狀況，不利于國(guó)家可持續(xù)道路的進(jìn)一步發(fā)展。而近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電成為國(guó)家發(fā)電技術(shù)中替代化石能源最好的選擇，新能源發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，也有效地緩解了我國(guó)化石能源儲(chǔ)備量不足的現(xiàn)狀，同時(shí)，其可再生和無(wú)污染的特征也滿足了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路的需求。

在采用新能源發(fā)電技術(shù)的同時(shí)，必須要保障對(duì)并網(wǎng)能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全方位的控制，才能夠有效地提升新能源發(fā)電技術(shù)的利用效率，保障電力功率的最大輸出。采用新能源發(fā)電技術(shù)在與區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)時(shí)會(huì)存在許多不穩(wěn)定性因素。例如，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中風(fēng)速就是人為不可控的不穩(wěn)定性因素，由于風(fēng)速的隨時(shí)變化可能會(huì)對(duì)并網(wǎng)電能的運(yùn)輸質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。而當(dāng)前我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)正處于摸索階段中，由于新能源不穩(wěn)定的因素以及技術(shù)方面的不成熟，在新能源技術(shù)并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，輸出功率的變化必然會(huì)影響到電網(wǎng)電能的運(yùn)行質(zhì)量。因此，如何解決新能源發(fā)電技術(shù)中存在的不穩(wěn)定性問題，保障新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)電能運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，成為了當(dāng)前國(guó)家電力能源企業(yè)應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)問題。

1 我國(guó)新能源技術(shù)發(fā)電的現(xiàn)狀

1.1 新能源技術(shù)的發(fā)電應(yīng)用

根據(jù)國(guó)家相關(guān)電力能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)我國(guó)新能源技術(shù)發(fā)電的投入量一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)的狀態(tài)，預(yù)計(jì)截至2030年底，我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)的裝機(jī)容量將會(huì)達(dá)到1.15×109千瓦，預(yù)計(jì)到2050年我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)的裝機(jī)容量將會(huì)超過(guò)2.8×109千瓦，這個(gè)增長(zhǎng)數(shù)字是驚人的。這也意味著，截至2030年底我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)裝機(jī)容量比重將會(huì)提升到全國(guó)電力能源總比重的40%，而到2050年時(shí)這一數(shù)值將會(huì)超過(guò)50%。而我國(guó)的華北地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)是國(guó)家風(fēng)力發(fā)電的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。

近年來(lái)，隨著我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)的消納水平得到了切實(shí)的提升，新能源發(fā)電技術(shù)也逐步走進(jìn)了人們的視野中，但新能源發(fā)電技術(shù)帶來(lái)的并網(wǎng)發(fā)電問題也急需解決。尤其是在并網(wǎng)過(guò)程中存在的新能源發(fā)電技術(shù)電能不穩(wěn)定、電力隨機(jī)波動(dòng)等問題成為了制約電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)以及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。

1.2 新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)發(fā)電的特征

通過(guò)采用新能源技術(shù)進(jìn)行發(fā)展能夠起到替代傳統(tǒng)化石資源以及保護(hù)自然環(huán)境的作用，這也極大地緩解了我國(guó)傳統(tǒng)能源短缺的嚴(yán)峻問題。但是新能源技術(shù)在發(fā)電的過(guò)程中與傳統(tǒng)依靠化石能源發(fā)電技術(shù)存在較大的差異性，采用新能源技術(shù)進(jìn)行發(fā)展對(duì)于能源的供應(yīng)穩(wěn)定性以及需求量具有較為嚴(yán)格的要求。而眾所周知，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電本身依靠著風(fēng)能以及太陽(yáng)能，而風(fēng)能和太陽(yáng)能是不受人為控制的，因此在能源供給過(guò)程中必然會(huì)存在一定的間歇性和波動(dòng)性。

在采用風(fēng)力和太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電時(shí)，必須要確保具備充足的風(fēng)力和光照才能滿足電力負(fù)荷，在風(fēng)力較弱或光照不充足的情況下必然會(huì)對(duì)電力的供給產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法正常進(jìn)行發(fā)電工作。由此可見，風(fēng)能和太陽(yáng)能這類型新能源發(fā)電技術(shù)受時(shí)間以及季節(jié)的影響性較大，這也導(dǎo)致新能源發(fā)電技術(shù)在并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

1.3 新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的主要類型

相比于傳統(tǒng)化石能源來(lái)說(shuō)，新能源具有儲(chǔ)存量較大、可再生、環(huán)保性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，采用新能源發(fā)電技術(shù)，能夠有效地緩解傳統(tǒng)化石能源發(fā)電技術(shù)中能源不足的問題，同時(shí)也滿足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求，新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于人類社會(huì)和生活的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。尤其是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)力量以及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新能源并網(wǎng)發(fā)電這種方式也逐步得到了推廣，并應(yīng)用到了國(guó)家電力事業(yè)中。當(dāng)前，我國(guó)新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的主要類型有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及水力發(fā)電等，可以根據(jù)區(qū)域性的可再生能源特征因地制宜的選擇發(fā)展類型。

2 新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)電能質(zhì)量運(yùn)行產(chǎn)生的影響

2.1 孤網(wǎng)問題

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的情況時(shí)，內(nèi)部的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)還在持續(xù)性的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，并在無(wú)法識(shí)別電壓不穩(wěn)定的電網(wǎng)時(shí)還會(huì)進(jìn)行持續(xù)性供電。在這樣的情況下，新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)就可能會(huì)出現(xiàn)區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行的狀況，從而導(dǎo)致局域形成新的平衡，發(fā)電網(wǎng)絡(luò)這時(shí)就被稱為孤網(wǎng)問題。在孤網(wǎng)發(fā)電狀況下，新的電力平衡網(wǎng)中所供給電能的電壓和電力頻率根本不受局域電力網(wǎng)絡(luò)的控制，即使后臺(tái)操作人員進(jìn)行調(diào)整和操作，也很難對(duì)孤網(wǎng)中的電壓和電力頻率進(jìn)行操控。

一旦產(chǎn)生孤網(wǎng)現(xiàn)象后，區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)中所接收到的電力功率就會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)性，這也會(huì)對(duì)整個(gè)孤網(wǎng)供電系統(tǒng)造成巨大的影響，導(dǎo)致上網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的電壓以及發(fā)電頻率產(chǎn)生持續(xù)性的波動(dòng)，一旦在發(fā)電過(guò)程中，電壓或發(fā)電頻率超出了可承受的范圍，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷超載，從而對(duì)并網(wǎng)電力設(shè)備造成一定的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至還會(huì)破壞整個(gè)連接的電路系統(tǒng)。

與此同時(shí)，這種電力孤網(wǎng)的問題對(duì)于維護(hù)局域電網(wǎng)的檢修管理人員來(lái)說(shuō)也是巨大的挑戰(zhàn)。檢修人員在檢修過(guò)程中，如果無(wú)法及時(shí)識(shí)別孤網(wǎng)問題很可能會(huì)引發(fā)安全事故。因此，采用新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)必須要加強(qiáng)對(duì)于孤網(wǎng)問題的檢測(cè)和防范意識(shí)，尤其是要提升檢修人員對(duì)于新能源并網(wǎng)電力功率的預(yù)測(cè)以及儲(chǔ)能技術(shù)的能力，才能夠在日常檢修過(guò)程中快速識(shí)別孤網(wǎng)現(xiàn)象，并且避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，盡可能地降低孤網(wǎng)現(xiàn)象對(duì)于局域電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

2.2 諧波問題

在進(jìn)行新能源發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，通常情況下需要應(yīng)用到電力電子裝置，但是由于電力電子裝置在檢修過(guò)程中或存在一定的質(zhì)量缺陷，就可能會(huì)導(dǎo)致新能源電能在并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生諧波問題。新能源發(fā)電并網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波問題主要包括以下兩種形式。

一是發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電力波動(dòng)性。這種情況主要是指與局域網(wǎng)相連接的恒速發(fā)電機(jī)，在發(fā)電過(guò)程中由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部狀況容易引發(fā)電力波動(dòng)從而導(dǎo)致諧波狀況的產(chǎn)生[1]。除此之外，新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，不僅會(huì)應(yīng)用到恒速發(fā)電機(jī)、還會(huì)應(yīng)用到變速發(fā)電機(jī)。變速發(fā)電機(jī)相比于恒速發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)發(fā)電的效率更高，并且這種發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不容易受到周邊自然環(huán)境的影響，能夠快速地將風(fēng)力能源或太陽(yáng)能源轉(zhuǎn)化為電力能源，相比于恒速發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)前在我國(guó)新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中變速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用更加普遍。但是變速發(fā)電機(jī)在接入局域電網(wǎng)時(shí)，需要靈活的調(diào)整其逆變裝置以及整流裝置，尤其是要注意發(fā)電頻率的切換。而在調(diào)整逆變裝置以及整流裝置時(shí)，電力頻率切換過(guò)程中容易產(chǎn)生波動(dòng)性，從而引發(fā)諧波現(xiàn)象對(duì)局域電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)[2]。

二是指新能源并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中受到了新能源發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器的影響，這時(shí)在局域電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，并聯(lián)補(bǔ)償電容器容易與局域電網(wǎng)的整個(gè)線路發(fā)生諧振問題，從而影響到整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。因此在采用并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)時(shí)，必須要確保并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電力平衡性，尤其是考慮到新能源發(fā)電技術(shù)在并入局域電網(wǎng)后存在的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性問題，需要及時(shí)搭配合理的補(bǔ)償器以及補(bǔ)償措施，維持整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。但是由于不同的并網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域供電需求不同，也導(dǎo)致不同電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的情況存在較大的差異性。即使在新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)過(guò)程中給予了一定的補(bǔ)償措施，在遇到極端問題時(shí)還是不可避免地會(huì)出現(xiàn)諧波問題[3]。

2.3 間歇性和波動(dòng)性問題

眾所周知，采用新能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)電對(duì)于能源的供給穩(wěn)定性和需求量具有較為嚴(yán)格的要求。而新能源發(fā)電技術(shù)中所采用的風(fēng)力能源以及太陽(yáng)能源并不受人為因素的控制，尤其是在季節(jié)變換的情況下，風(fēng)力能源和太陽(yáng)能源的供給會(huì)出現(xiàn)間歇性和波動(dòng)性的問題。新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中的間歇性問題，主要是指能源供應(yīng)過(guò)程中受到了外界自然環(huán)境的影響，所產(chǎn)生的電力能源間歇性。例如，風(fēng)能和太陽(yáng)能是新能源發(fā)電技術(shù)中最為重要的能源，而風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，十分容易受到風(fēng)力能源和太陽(yáng)能源供給因素的影響[4]。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要依靠的是風(fēng)力的速度，但是風(fēng)速的變化是每時(shí)每刻的并且不受人為控制。而風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，只有在風(fēng)力充足的狀況下才能夠?qū)崿F(xiàn)滿負(fù)荷的運(yùn)載和發(fā)電，因此，在風(fēng)速不達(dá)標(biāo)或風(fēng)力不充足的狀況下，就可能會(huì)導(dǎo)致能源的轉(zhuǎn)換存在一定間歇性。光伏發(fā)電主要依賴于太陽(yáng)能源的影響，而光照與不同區(qū)域的天氣環(huán)境和季節(jié)轉(zhuǎn)換之間具有密不可分的關(guān)系。在光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，必須具備充足的光照條件才能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，如果在發(fā)電過(guò)程中受到了季節(jié)變換或天氣條件的影響，無(wú)法獲得充足的光力能源，就很難保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)受自然環(huán)境影響因素較大，在并網(wǎng)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生間歇性問題。

圖1 局域網(wǎng)內(nèi)部的電能效率變化

新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的波動(dòng)性問題，主要是指在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中受到了容量傳輸以及轉(zhuǎn)換效率等因素的影響，導(dǎo)致局域網(wǎng)內(nèi)部的電能效率會(huì)隨著能源轉(zhuǎn)換效率的變動(dòng)而產(chǎn)生較大的波動(dòng)性。而新能源發(fā)電技術(shù)電力能源的不穩(wěn)定性，也會(huì)導(dǎo)致新能源發(fā)電系統(tǒng)在并入?yún)^(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)后會(huì)存在電能運(yùn)輸間歇性和波動(dòng)性的問題，從而對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的影響，這種波動(dòng)性產(chǎn)生的瞬時(shí)強(qiáng)大電流還會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)巨大的損害[5]。

2.4 對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生的影響

在新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)過(guò)程中，一旦電力系統(tǒng)的發(fā)電容量發(fā)生較大的波動(dòng)性，就會(huì)在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)較大的發(fā)電比例。而區(qū)域電力系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中發(fā)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)本身就存在較大隨機(jī)性，在這種情況下就可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)中電能傳輸?shù)念l率產(chǎn)生影響。

如，當(dāng)新能源發(fā)電技術(shù)在電網(wǎng)中占比較小時(shí)，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部電力頻率產(chǎn)生的影響作用也較小，而隨著新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)電機(jī)組的容量在區(qū)域電網(wǎng)中的占比增大，新能源發(fā)電過(guò)程中的頻率波動(dòng)性對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部的電力頻率波動(dòng)也會(huì)帶來(lái)較大的影響。因此在采用新能源技術(shù)并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，必須要注重對(duì)并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及管理，通過(guò)科學(xué)的控制手段保障電力系統(tǒng)發(fā)電容量及頻率的穩(wěn)定性，有效地緩解新能源技術(shù)并入?yún)^(qū)域電網(wǎng)后對(duì)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的波動(dòng)性影響，維護(hù)局域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新能源發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)都具有巨大的發(fā)展前景，但當(dāng)前新能源并網(wǎng)技術(shù)的不成熟，可能會(huì)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)諧波、間歇性和波動(dòng)性較大及孤網(wǎng)等問題。為推動(dòng)我國(guó)新能源電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，必須要注重對(duì)新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步研究，為國(guó)家發(fā)展網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。