新能源接入對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響及應(yīng)對措施

［關(guān)鍵詞］新能源接入；配電網(wǎng)；安全穩(wěn)定；電能質(zhì)量；保護(hù)控制

［中圖分類號］TM77 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0032–03

1新能源發(fā)電類型

新能源發(fā)電指利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等可再生能源進(jìn)行發(fā)電的方式。與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電相比，新能源發(fā)電具有資源豐富、清潔環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點。風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力帶動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能發(fā)電主要包括光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，前者利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，后者則先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；生物質(zhì)發(fā)電通過燃燒生物質(zhì)燃料或利用生物質(zhì)氣化、廢棄物厭氧消化等技術(shù)產(chǎn)生電能；地?zé)岚l(fā)電是利用地下高溫巖體、熱水或蒸汽帶動發(fā)電機發(fā)電；海洋能發(fā)電包括潮汐能、波浪能、海流能等多種形式，分別利用潮汐、波浪、海流的動能或勢能進(jìn)行發(fā)電。

隨著新能源技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的下降，各類新能源發(fā)電正在逐步克服自身的局限性。同時，新能源發(fā)電接入電網(wǎng)也對配電網(wǎng)規(guī)劃、運行控制、電能質(zhì)量等提出了新的要求，需要深入研究其影響并采取相應(yīng)的策略和技術(shù)措施，以促進(jìn)新能源的高效利用和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2新能源接入對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的具體影響

2.1電源結(jié)構(gòu)變化

新能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著變化。傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要由集中式火力發(fā)電等常規(guī)電源供電，具有可調(diào)度性強、慣性響應(yīng)好等特點。而新能源發(fā)電則多為小型分散式電源，其間歇性和波動性使得配電網(wǎng)電源側(cè)的不確定性大幅增加。根據(jù)國際能源署（IEA）的預(yù)測，到2030年，全球風(fēng)電和光伏發(fā)電量將分別達(dá)到1.78萬億kW·h和1.97萬億kW·h，分別約占總發(fā)電量的18%和20%。隨著新能源占比不斷提高，配電網(wǎng)電源將由“單一型”向“復(fù)合型”轉(zhuǎn)變，新能源滲透率的提升使得電源的不確定性、波動性和非線性急劇增加，電源的等效慣性下降，電網(wǎng)系統(tǒng)的同步化特性減弱。這將影響配電網(wǎng)的潮流分布、電壓水平和暫態(tài)特性，給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。因此，需要加強對新能源發(fā)電特性的研究，優(yōu)化電源接入和配置方案，完善電網(wǎng)規(guī)劃和運行控制策略，提高對新能源發(fā)電不確定性的適應(yīng)能力，確保配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運行。

2.2電能質(zhì)量影響

新能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益突出。新能源發(fā)電設(shè)備普遍采用風(fēng)力發(fā)電機組、光伏逆變器等大功率電力設(shè)備，其運行過程中產(chǎn)生的諧波、間諧波、電壓閃變等會嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。風(fēng)電機組的變流器切換可引起電壓暫降或電壓閃變，從而進(jìn)一步影響其他用戶的供電質(zhì)量；風(fēng)電場集電線路實質(zhì)上構(gòu)成諧波源，注入配電網(wǎng)的諧波電流可能引起配電變壓器過熱，縮短其絕緣壽命。此外，逆變器產(chǎn)生的高次諧波可能引起配電線路的諧振，導(dǎo)致過電壓和絕緣損壞事故。光伏逆變器高頻開關(guān)也會產(chǎn)生大量諧波，并注入配電網(wǎng)，引起電網(wǎng)電壓和電流波形畸變，損害電力設(shè)備絕緣。風(fēng)電和光伏發(fā)電出力的隨機性還會引起配電網(wǎng)電壓波動，當(dāng)新能源滲透率較高時，電壓波動幅度可能超過GB/T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的5%限值。新能源發(fā)電還可能引起電網(wǎng)三相不平衡，影響配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。因此，新能源接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響不容忽視，需采取有效措施加以解決。

2.3保護(hù)與控制問題

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)與控制策略主要針對單向潮流，而新能源接入后，配電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)雙向特性，饋線末端可能出現(xiàn)電壓升高，配電自動化終端的電壓測量和控制邏輯面臨新的問題。新能源發(fā)電的間歇性和波動性導(dǎo)致配電網(wǎng)潮流頻繁變化，使傳統(tǒng)的定值保護(hù)難以適應(yīng)，需采用自適應(yīng)保護(hù)等新型保護(hù)策略。此外，新能源發(fā)電接入點分散，大量小型電源直接接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對保護(hù)的選擇性、靈敏性和可靠性提出更高要求。新能源發(fā)電的低電壓穿越能力差，在電網(wǎng)故障時易發(fā)生大量解列，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積停電。這表明新能源發(fā)電特性對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制提出嚴(yán)峻考驗。新能源發(fā)電還可能引起配電網(wǎng)孤島運行，對反孤島保護(hù)提出新的要求。

3配電網(wǎng)適應(yīng)新能源接入的策略與技術(shù)

3.1電源結(jié)構(gòu)調(diào)整

為適應(yīng)新能源大規(guī)模接入帶來的電源結(jié)構(gòu)變化，配電網(wǎng)需要從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、接入方式、運行控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化調(diào)整。

應(yīng)科學(xué)制訂新能源接入規(guī)劃，綜合考慮新能源資源分布、負(fù)荷需求特性、電網(wǎng)承載能力等因素，合理選擇新能源接入位置和規(guī)模，避免過度集中接入導(dǎo)致的電壓穩(wěn)定問題。

宜創(chuàng)新新能源接入方式，采用柔性直流輸電、多端柔性直流輸電等先進(jìn)輸電技術(shù)，實現(xiàn)新能源的遠(yuǎn)距離、大容量接入和優(yōu)化配置。通過配置柔性直流斷路器、換流閥等關(guān)鍵設(shè)備，構(gòu)建柔性互聯(lián)的新能源接入系統(tǒng)，提高配電網(wǎng)對新能源出力波動的適應(yīng)能力和運行靈活性。

需要加強配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，合理提高配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)率和互聯(lián)水平，形成多點接入、多鏈路傳輸?shù)碾娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)，減小新能源發(fā)電波動引起的潮流沖擊，提高供電可靠性。采用高溫超導(dǎo)材料、特高壓等新型輸電線路，提升配電網(wǎng)的傳輸容量和穩(wěn)定性。同時，優(yōu)化配電網(wǎng)無功補償裝置的配置，綜合應(yīng)用靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等先進(jìn)無功補償技術(shù)，實現(xiàn)無功功率的精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化配置，維持配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，提高新能源接入容量。

此外，要構(gòu)建新能源發(fā)電的智慧調(diào)度控制體系，充分應(yīng)用現(xiàn)代信息通信、人工智能等技術(shù)，對配電網(wǎng)內(nèi)的分布式新能源發(fā)電進(jìn)行實時監(jiān)控、信息采集和智能分析，實現(xiàn)大范圍內(nèi)新能源出力的統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)同控制，最大限度地消納新能源電量，提高電網(wǎng)對新能源擾動的響應(yīng)能力和運行效率。

3.2儲能技術(shù)應(yīng)用

為緩解新能源大規(guī)模接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的不利影響，儲能技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。儲能系統(tǒng)可通過合理調(diào)度，有效抑制新能源發(fā)電的間歇性和波動性，平滑新能源出力曲線，減小電網(wǎng)負(fù)荷和電壓波動，提升電能質(zhì)量。具體而言，可在新能源發(fā)電場站配置電化學(xué)儲能裝置或物理儲能裝置，在新能源出力過高時儲存多余電量，在出力不足時釋放儲能電量，起到削峰填谷的作用，維持電網(wǎng)功率平衡。同時，儲能裝置可提供快速充放電能力，參與配電網(wǎng)的有功–頻率調(diào)節(jié)和無功–電壓控制，抑制頻率和電壓波動，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。針對新能源發(fā)電引起的諧波問題，可利用有源電力濾波器（APF）對諧波進(jìn)行檢測和補償，結(jié)合無源濾波裝置抑制諧波在系統(tǒng)中的傳播和放大。儲能變流器也可兼具有源電力濾波功能，通過注入等效諧波電流，動態(tài)抵消系統(tǒng)中的諧波分量，達(dá)到降低諧波含量，改善電能質(zhì)量的目的。此外，分布式儲能還可以通過合理配置，緩解新能源發(fā)電引起的配電網(wǎng)三相不平衡問題?？傊?，通過科學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化配置儲能裝置，并將其與先進(jìn)的變流控制及諧波治理技術(shù)相結(jié)合，可顯著提升配電網(wǎng)對新能源發(fā)電波動的適應(yīng)能力，有效抑制新能源接入引起的電能質(zhì)量問題，保障電力用戶的供電質(zhì)量和用電安全。

3.3控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對新能源大規(guī)模接入對配電網(wǎng)保護(hù)和控制帶來的挑戰(zhàn)，亟需對配電網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級，可采用以下策略和技術(shù)：①建立適應(yīng)于雙向潮流的配電網(wǎng)保護(hù)策略，采用自適應(yīng)保護(hù)、廣域保護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)新能源出力和負(fù)荷變化實時調(diào)整保護(hù)定值，提高保護(hù)的靈敏性和可靠性；②加強配電自動化終端的信息感知和通信能力，通過配置智能傳感器和通信網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對新能源發(fā)電和負(fù)荷的實時監(jiān)測，為保護(hù)和控制決策提供依據(jù)；③構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)和人工智能的配電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)，利用云計算、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對海量的新能源發(fā)電和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，實現(xiàn)配電網(wǎng)的全局優(yōu)化調(diào)度和自適應(yīng)控制，提高電網(wǎng)對新能源發(fā)電擾動的魯棒性和快速響應(yīng)能力；④在新能源發(fā)電場站配置智能故障診斷和隔離裝置，采用智能算法和決策機制，快速識別和定位電網(wǎng)故障，最大限度地減小新能源發(fā)電機組的連鎖解列，提高新能源滲透率下的電網(wǎng)安全水平；⑤加強新能源發(fā)電機組的低電壓穿越能力，通過優(yōu)化逆變器控制策略、配置動態(tài)無功補償裝置等措施，提高新能源發(fā)電設(shè)備對電網(wǎng)故障的適應(yīng)能力，維持并網(wǎng)運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性；⑥完善配電網(wǎng)的孤島防御體系，采用基于同步相量測量的孤島檢測方法，實現(xiàn)孤島運行的快速識別和解列控制，確保配電網(wǎng)和用戶側(cè)的供電安全。綜合采用上述控制系統(tǒng)優(yōu)化策略和技術(shù)，可顯著提升配電網(wǎng)對高滲透率新能源接入的適應(yīng)能力，實現(xiàn)新能源優(yōu)化配置下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4結(jié)束語

新能源大規(guī)模接入對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來諸多挑戰(zhàn)，需要從電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、儲能技術(shù)應(yīng)用和控制系統(tǒng)升級等多方面采取綜合措施加以應(yīng)對。未來，應(yīng)進(jìn)一步加強新能源接入的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)，為新能源高效開發(fā)利用創(chuàng)造良好的制度環(huán)境。同時，要深化源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動，推動“新能源+儲能”等新模式、新業(yè)態(tài)發(fā)展，提升電網(wǎng)調(diào)峰抑波能力。還要加快現(xiàn)代信息技術(shù)與電力系統(tǒng)的深度融合，構(gòu)建安全可控的能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分布式新能源發(fā)電的即插即用和靈活互動。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和管理優(yōu)化，推動新能源與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)新能源高滲透率下配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運行，為建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系貢獻(xiàn)力量。