新能源發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響及控制措施

趙丹陽

（山西省安裝集團股份有限公司，山西 太原 030032）

1 新能源發(fā)電技術概述

1.1 太陽能發(fā)電技術

光伏發(fā)電技術主要就是利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能，目前主要采用硅基太陽能電池、薄膜太陽能電池和新型高效染料敏化太陽能電池等。光伏發(fā)電設施可以安裝在屋頂、地面或太陽能光伏跟蹤系統(tǒng)上，以獲取更多的太陽能。太陽能熱發(fā)電技術則通過聚光器將太陽光聚焦于熱交換器，進而通過熱機循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能[1]。太陽能熱發(fā)電技術主要包括槽式太陽能熱發(fā)電、塔式太陽能熱發(fā)電和菱鏡式太陽能熱發(fā)電等。這些技術均具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率和較低的環(huán)境影響。

1.2 風能發(fā)電技術

風能發(fā)電技術是利用風力驅(qū)動風力發(fā)電機組產(chǎn)生電能的技術。根據(jù)風力發(fā)電機的結構特點，可分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。水平軸風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與地面水平，風輪面向風向，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。垂直軸風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與地面垂直，不論風向如何變化，都能有效地捕捉風能，但能量轉(zhuǎn)換效率相對較低[2]。風能發(fā)電項目可以分布式布局或集中建設為風電場，以提高能源利用率。

1.3 陸地和海洋潮汐能發(fā)電技術

潮汐能發(fā)電技術是利用潮汐能驅(qū)動發(fā)電設備產(chǎn)生電能的技術。根據(jù)發(fā)電設備的安裝位置，潮汐能發(fā)電技術可分為陸地潮汐能發(fā)電和海洋潮汐能發(fā)電。陸地潮汐能發(fā)電主要利用潮汐造成的水位差驅(qū)動水輪機發(fā)電；海洋潮汐能發(fā)電則通過潮流渦輪發(fā)電機直接利用海洋潮流產(chǎn)生電能[3]。

1.4 生物質(zhì)能發(fā)電技術

生物質(zhì)能發(fā)電技術是通過燃燒生物質(zhì)資源（如農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、廢棄植物等）產(chǎn)生熱能，并將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程。生物質(zhì)能發(fā)電具有可再生、清潔和低排放的優(yōu)點，有助于減少化石能源的消耗和環(huán)境污染。

1.5 地熱能發(fā)電技術

地熱能發(fā)電技術是利用地下高溫熱流體（如地熱水、蒸汽）產(chǎn)生的熱能來驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電的過程。地熱能發(fā)電具有資源豐富、可持續(xù)利用、污染低等優(yōu)點，能為電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的能源供應[4]。

2 新能源發(fā)電并網(wǎng)技術

2.1 并網(wǎng)接入技術

技術要點如下：①接入點選擇。新能源發(fā)電項目的接入點選擇應考慮資源分布、輸電線路、用戶負荷和電網(wǎng)條件等因素，以確保發(fā)電效益最大化和電網(wǎng)運行穩(wěn)定。②接入電壓等級接入。電壓等級的選擇應根據(jù)發(fā)電規(guī)模、接入距離和電網(wǎng)負荷特點等因素綜合考慮。一般而言，發(fā)電規(guī)模越大、接入距離越遠，接入電壓等級應越高。③并網(wǎng)設備及保護配置。新能源發(fā)電并網(wǎng)需要配置適當?shù)淖儔浩?、斷路器、保護裝置等設備，以確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。同時，應根據(jù)電力系統(tǒng)的運行特點選擇合適的保護方案。

2.2 穩(wěn)定性和可靠性分析

首先，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。新能源發(fā)電并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到很大影響。需要對系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定等方面的分析，以評估新能源發(fā)電對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。其次，保護和自動裝置對系統(tǒng)可靠性的影響。新能源發(fā)電并網(wǎng)后，保護和自動裝置的配置和設置對系統(tǒng)可靠性至關重要。應根據(jù)系統(tǒng)特點選擇合適的保護裝置和自動裝置，以確保系統(tǒng)在故障情況下能夠快速切除故障、恢復正常運行。

3 新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響

3.1 對電網(wǎng)諧波造成的影響

新能源發(fā)電在實際運行中會受到自身因素與外界因素影響，導致電網(wǎng)容易出現(xiàn)諧波，對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響。通過并網(wǎng)光伏發(fā)電特征可以發(fā)現(xiàn)，光照的強度以及陰影的變化和浮云陰影等方面問題都會讓發(fā)電功率出現(xiàn)變化，導致諧波污染與電壓波動。除此之外，新能源在發(fā)電中，因為發(fā)電機組本身原因，也會出現(xiàn)一定諧波畸變。而為有效將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，在光伏發(fā)電系統(tǒng)運行中會大量應用電子換流器，電子換流器的應用也會出現(xiàn)電流諧波畸變。最重要的是上述諧波電流波形存在不穩(wěn)定性，電容器與電抗器自身諧振規(guī)律也會導致其畸變程度更加嚴重。并且風力發(fā)電系統(tǒng)在應用中也有使用電抗器與電容器，兩者在互相作用下會出現(xiàn)諧波畸變。上述原因都是致使諧波電流電壓出現(xiàn)畸變的原因，對電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性造成嚴重影響。

3.2 對電網(wǎng)頻率的影響

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在實際運行中很少會出現(xiàn)頻率異常問題，結合有關并網(wǎng)光伏頻率變化數(shù)據(jù)能夠了解，在光伏發(fā)電站的容量比較小的時候，能夠利用多臺機組投切，確保電網(wǎng)頻率不會出現(xiàn)被限制情況。但新能源發(fā)電站實際發(fā)電容量在電網(wǎng)總量中占據(jù)比例不斷提升，因為現(xiàn)代新能源發(fā)電存在一定隨機性，很可能致使整體電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率出現(xiàn)波動，從而對用戶用電以及整體電力系統(tǒng)良好運行造成負面影響。結合有關數(shù)據(jù)構建風電功率波動對于整體電力系統(tǒng)頻率影響的評估模型，發(fā)現(xiàn)0.01~1.0Hz 功率波動對于整體電網(wǎng)系統(tǒng)造成影響最大。

3.3 對穩(wěn)壓系統(tǒng)的影響

和傳統(tǒng)火力發(fā)電不同，新能源在發(fā)電中更容易受外界因素影響。并且新能源會被各種條件制約，致使輸出電壓產(chǎn)生的變化范圍擴大，對于新能源并網(wǎng)后會產(chǎn)生一定的影響。同時，輸出功率變化，對于新能源容量調(diào)節(jié)也會產(chǎn)生很大的影響，對于電網(wǎng)的運行會產(chǎn)生較大的干擾。當新能源并網(wǎng)之后，不夠科學的調(diào)壓方式會造成很多隱患，較為常見的問題有降低輸出電壓值，讓電能質(zhì)量下降，從而對電力系統(tǒng)安全運行造成不良影響。

3.4 對電壓的影響

光伏發(fā)電主要是通過太陽輻射產(chǎn)生的光能與熱能進行發(fā)電，所以在實際發(fā)電中容易被光照與溫度等方面因素影響。并且在不同時間與不同地點，因為光照與溫度不同，也會讓發(fā)電功率出現(xiàn)明顯變化，導致電壓出現(xiàn)改變。而風力發(fā)電主要是通過風力機組把風流動產(chǎn)生動能轉(zhuǎn)變成電能，容易被風力條件影響。為減低該方面影響，通常會把風電發(fā)電廠的位置設置在風速比較大同時較為穩(wěn)定的地方。電壓會出現(xiàn)變動與閃變的關鍵原因是受到輸出功率影響。新能源在電力系統(tǒng)中機組的啟動與停止在運行中都會出現(xiàn)波動，這時電網(wǎng)也比較容易出現(xiàn)閃變與波動。之所以會出現(xiàn)這種情況，和電網(wǎng)短路容量比存在一定關系，所以應選擇使用適合的線路阻抗比，同時利用電能質(zhì)量控制器降低新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)造成的沖擊。

3.5 孤網(wǎng)問題

當大電網(wǎng)在運行中出現(xiàn)失壓情況時，并網(wǎng)的風力發(fā)電和光伏發(fā)電依舊持續(xù)發(fā)電，并且和本地負載連接，從而構成了一個全新的平衡網(wǎng)，而這就是孤網(wǎng)。這個時候大電網(wǎng)就不能對孤網(wǎng)電壓和頻率進行控制。孤網(wǎng)不受大電網(wǎng)控制，若是受電位置出現(xiàn)變化，或是其輸出功率產(chǎn)生變化，都會讓孤網(wǎng)崩潰，從而致使孤網(wǎng)電壓與頻率產(chǎn)生變化。若是產(chǎn)生變化保持在可控范疇內(nèi)，那么造成影響與危害就還能夠控制，但若是超出可控范疇，就會導致電路被破壞，甚至會讓整個裝置運行受到影響與破壞。逆變器在供電不足狀況下，就會出現(xiàn)過載情況，使逆變器被破壞。

3.6 電網(wǎng)電能質(zhì)量下降

產(chǎn)生的危害電網(wǎng)電能質(zhì)量會涉及很多方面內(nèi)容，其中比較有代表性的問題就是電壓跌落現(xiàn)象。一般企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中，短暫電壓跌落不會出現(xiàn)嚴重危害，但對于現(xiàn)代社會發(fā)展中出現(xiàn)的新興電子產(chǎn)業(yè)而言，不同設備設施對于電壓跌落問題敏感性不同，有些較為精密的設備設施則對電網(wǎng)電壓跌落非常敏感[5]。而該類型設備一般是在開展大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)營活動時才會使用，所以即使是短暫電壓跌落也會造成嚴重經(jīng)濟損失。

4 新能源發(fā)電并網(wǎng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量控制措施

4.1 協(xié)調(diào)儲能技術與新能源

首先，針對儲能技術與新能源的控制問題，可以采用協(xié)同控制和分布式控制相結合的控制方式，將傳統(tǒng)發(fā)電單元、儲能單元和間歇性新能源有機結合，研究基于風險約束的大范圍協(xié)同調(diào)度方法。其次，針對新能源發(fā)電并網(wǎng)，可以將儲能技術用于大型新能源發(fā)電并網(wǎng)，以優(yōu)化風電、光電爬坡速率，符合新能源發(fā)電并網(wǎng)中風電、光電有功變化的要求?？紤]到在未來風電、光電的功率波動對充電、放電行為的影響，可以采用超前控制的方法，對于控制風電、光電功率的短期波動有較好的作用。也可以利用電池—超級電容器構成儲能系統(tǒng)，以降低新能源發(fā)電在不同時段的出力波動。由于經(jīng)濟性和實用性等原因，儲能技術尚未在電網(wǎng)中得到廣泛應用，但為新能源發(fā)電并網(wǎng)提供了一種新思路。

4.2 優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度

對于現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展而言，新能源并網(wǎng)是一項非常關鍵的措施，也是優(yōu)化電力系統(tǒng)的重要方式。但原本的電力系統(tǒng)會因為新能源并網(wǎng)而對電能質(zhì)量造成一定影響。為降低該種影響，有關單位需要根據(jù)新能源并網(wǎng)時現(xiàn)代電力系統(tǒng)實際運行狀況，強化對電網(wǎng)調(diào)度方面的控制，特別要加強對并網(wǎng)流程的管理，確保實際運行中電網(wǎng)調(diào)度具有系統(tǒng)性，提升現(xiàn)代新能源發(fā)電作用與效益。在當前電網(wǎng)調(diào)動控制和管理工作中，有關單位和工作人員沒有應在保證所有電力設備設施保持良好運行情況下，讓各類型設備設施都能在電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮自身價值與作用?，F(xiàn)代新能源并網(wǎng)中，電力系統(tǒng)對于電網(wǎng)調(diào)度管理和控制方面，相關電力企業(yè)逐漸大面積應用聯(lián)絡線頻率偏差掌握技術，這種技術的使用，有效提高了新能源并網(wǎng)之后整體電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。

4.3 控制無功電壓

在無功電壓控制中，大型間歇性新能源發(fā)電系統(tǒng)應遵守分區(qū)、分層和就地平衡的原則，根據(jù)無功設備以及光伏逆變器、風電機組的特點，對各類無功設備進行調(diào)節(jié)，并充分根據(jù)各類無功設備性能上的差別，對整個區(qū)域所有節(jié)點的電壓進行控制，維持電壓在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以確保區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)電壓安全。通過對無功電壓控制的研究，可以總結得到如下要點。

（1）無功電壓管理和控制和功率計算間有著十分密切的關系，有關工作者應根據(jù)兩者間存在的關系，選擇相應無功設施的內(nèi)部響應機制，最大限度發(fā)揮靜態(tài)和大容量調(diào)換設置作用，科學管理間歇性新能源場包含的無功電壓，也可以利用小幅波動動態(tài)裝置，提高新能源并網(wǎng)后的現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行安全性以及可電氣技術與經(jīng)濟、技術與應用可靠性和穩(wěn)定性。

（2）采用新能源發(fā)電系統(tǒng)的無功電壓調(diào)控模式，以新能源發(fā)電系統(tǒng)集合體的升壓站為電壓調(diào)控樞紐，由新能源發(fā)電系統(tǒng)的升壓變壓器對電壓進行控制，使全范圍內(nèi)電壓保持穩(wěn)定。

4.4 加大新能源發(fā)電研發(fā)及規(guī)劃

為了提高新能源發(fā)電的效率和降低成本，政府和企業(yè)應加大對新能源發(fā)電技術研究的投入，尤其是光伏、風能、潮汐能等清潔能源技術的研究。此外，還應關注能源存儲技術的研究，以應對新能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性問題。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，應充分考慮新能源發(fā)電的特點和潛力，優(yōu)化電力系統(tǒng)結構，提高新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的比重。同時，應加強電網(wǎng)基礎設施建設，提升電網(wǎng)承載新能源發(fā)電的能力。通過市場化改革，激發(fā)新能源發(fā)電的投資積極性，促進新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。政府應逐步消除化石能源補貼，推行碳排放交易制度，為新能源發(fā)電創(chuàng)造一個公平競爭的市場環(huán)境。

4.5 強化電能質(zhì)量控制，完善有關技術標準

現(xiàn)代新能源并網(wǎng)，會對電力系統(tǒng)運行造成很大影響，其中存在很多干擾因素，導致電力系統(tǒng)電能質(zhì)量大大降低。所以有關工作者在平時工作中，應加強對有關干擾因素的研究與分析，并在新能源并網(wǎng)時，對相關干擾因素進行嚴格控制，保證電力系統(tǒng)可以得到充分的管理和控制。簡而言之，完善新能源并網(wǎng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制以及技術標準，可以從如下方面著手進行。首先，控制電壓閃變和波動，應根據(jù)電能質(zhì)量有關要求，在相應電力系統(tǒng)中配設電力濾波設備設施和裝置，通過有感設備應用，促使并網(wǎng)系統(tǒng)可以引發(fā)一定程度的電壓浮動，利用電力系統(tǒng)中動態(tài)電壓恢復裝置，讓電網(wǎng)系統(tǒng)可以保持良好運行狀態(tài)。其次，在控制諧波方面，能夠通過使用靜止無功補償設備實現(xiàn)對諧波的控制。

5 結語

雖然各類新能源的并網(wǎng)會為人們帶來一定的好處和便利，也實現(xiàn)替代傳統(tǒng)以煤炭資源、水資源發(fā)電的模式，解決我國能源短缺和傳統(tǒng)能源使用帶來的環(huán)境污染問題。但是，在各類新能源的并網(wǎng)中，會出現(xiàn)電能質(zhì)量欠佳、電壓不穩(wěn)的情況，使得新能源發(fā)電無法維持正常供電。新能源發(fā)電并網(wǎng)是新時代下，保護生態(tài)環(huán)境的重要方法和措施，因此，在未來的發(fā)展中，這項技術還有值得探索并優(yōu)化的價值和意義。