清潔能源接入對城市電網發(fā)展的影響

郝 偉，蔣 勃，張 宇

（1.西安電力高等?？茖W校，西安 710032；2.國網陜西省電力公司西安供電公司，西安 710032）

1 我國清潔能源發(fā)電的利用

1.1 水電

現(xiàn)階段，我國電力發(fā)電的主要類型之一仍然是水力發(fā)電。但是我國水資源分布不均勻，且質量不高，水力發(fā)電會受到季節(jié)性豐水期、枯水期的影響，穩(wěn)定性不高，調節(jié)能力較差，因此我國利用水力發(fā)電的程度不高。在我國，三峽水電站有效地緩解了我國電力供應緊張的問題。從水力發(fā)電來看，水力發(fā)電無污染、無能源消耗，且具有可循環(huán)利用的特點，因此值得進一步開發(fā)利用。

1.2 太陽能發(fā)電

據不完全統(tǒng)計，我國太陽能資源十分豐富，我國能接收到的太陽能輻射總量約為 930～2330（KW·h）／（m2·a）。 現(xiàn)階段，我國太陽能發(fā)電技術取得了相當大的成就，而且光伏發(fā)電技術已經具有了一定的規(guī)模，我國許多城市已經建立起太陽能電池的專業(yè)生產廠家，其中在西藏7個沒有水、沒有電的縣域內已經全部建立起光伏電站。

l.3 風能發(fā)電

從1996年開始，我國建立的風電場出現(xiàn)跨越式發(fā)展。據不完全統(tǒng)計，我國風能資源可開發(fā)利用量為253GW，其中在內蒙古、新疆以及東南沿海一些地區(qū)，有效的風能密度通常大于200W／m2，有效的風力時間均超過了70%。據統(tǒng)計，截至2004年底，我國14個省、市、自治區(qū)已經建立起43座風電場，累計運行風力發(fā)電機組1291臺。而江蘇如東100MW風電場、如東150MW第二風電場、東臺1000MW風電場在2015年將全部投入運行。

1.4 海洋能發(fā)電

我國海洋能資源豐富，其中大陸的海岸線長達1.8萬千米。根據全國沿海普查資料，全國可開發(fā)的潮汐能裝機容量為21.73GW，年發(fā)電量為 61.9TW·h；浙閩兩省為高潮差區(qū)，可開發(fā)裝機容量19.24GW，年發(fā)電量55TW·h；全國沿海波浪能資源理論平均功率為12.85GW，潮流能14GW。此外，我國還有豐富的溫差能和鹽差能資源，理論發(fā)電裝機量近1.5TW。目前，我國在運行發(fā)電的潮汐電站有7座，總裝機容量5930kW，年發(fā)電量10210MW·h。最早的沙山潮汐電站于1961年建成發(fā)電，裝機量40kW，最大的浙江江廈潮汐電站于1980年開始發(fā)電，裝機量3200kW，年發(fā)電量約60GW·h。

1.5 生物質能發(fā)電

農業(yè)結構以及生產是生物質能資源的基礎，而我國恰恰是農林業(yè)大國，因此生物質能資源豐富，薪材、稻殼、秸稈以及城市有機廢物能源等都是大量可用于發(fā)電的生物質能資源，除此之外，還有大量的工業(yè)廢水、垃圾以及城市生活污水。但是在現(xiàn)階段，我國的生物質能發(fā)電開發(fā)利用的規(guī)模還很小。據不完全統(tǒng)計，在20世紀70年代我國開始試驗稻殼等作物發(fā)電以來，總的發(fā)電量大約為5MW，其中發(fā)展出140個左右的小型發(fā)電裝置，容量約為2MW?，F(xiàn)階段，國外的城市垃圾發(fā)電技術發(fā)展迅速，我國與國際接軌，也引進了先進發(fā)電設備，建設出發(fā)電裝機容量為4MW的垃圾發(fā)電站。

2 清潔能源接入對城市電網的影響

2.1 清潔能源對饋線穩(wěn)態(tài)電壓的影響

在電力系統(tǒng)中，電壓的調節(jié)通常是將通過電容器投切或者將有載調壓變壓器的分接頭調壓改變來實現(xiàn)的，而其他的動態(tài)無功調節(jié)設備就很少配置。如果在城市電網中接入清潔能源的比例較大，那么電網電路的負荷潮流容易受到清潔能源發(fā)電站功率波動的影響產生較大的波動，這樣就加大了調正電網正常運行電壓的難度。如此一來，在原有調壓方案不變的情況下，新能源發(fā)電站接入以后的城市電網的電壓要求就難以得到滿足。當城市電網中沒有接入清潔能源的時候，配電饋線的節(jié)點電壓都在正常限制的范圍內，而當清潔能源接入城市電網低壓側時，因為變壓器功率減少，饋線后端節(jié)點的電壓就會越限。如果按照城市電網原有的調壓方案就可能降低使用戶側電壓水平，因此在清潔能源接入城市電網之后的調壓方案必須要進行改革。

當清潔能源發(fā)電站與主變電站距離較遠的時候，饋線電壓會上升很高。由于在最小運行方式下，新能源發(fā)電站容量相對于負荷的比例大，使得電站上游輸送的功率減小甚至出現(xiàn)逆流，從而使得最小運行方式下，新能源發(fā)電站不同位置并網的饋線電壓分布，與最大運行方式相比饋線電壓有著較大的上升?？梢娊尤胛恢梅稚r的電壓曲線比電源集中時電壓曲線要平滑，布置越分散則饋線末端節(jié)點的電壓也被抬得越高。

清潔能源的輸電線路阻抗、發(fā)電穿透功率以及接入電網短路容量等3方面因素，共同決定了清潔能源發(fā)電站與城市電網公共連接點的電壓穩(wěn)態(tài)變化。以某地區(qū)50MW風電場公共連接點電壓為研究對象，可以從其輸出功率波動的實測曲線中看出來，城市電網在一定程度上受到風電場功率輸出的支撐，且城市電網的電壓支撐強度會隨著風電場的有功輸出變大而變大。據調查，該風電場的無功輸出基本上是在0.5～1.0Mvar范圍內，城市電網電壓的穩(wěn)態(tài)也會受此影響。

2.2 清潔能源對電網電壓波動和閃變的影響

清潔能源接入城市電網之后，其機組的開機停機、補償電容器投切以及能源波動變化，都會造成城市電網電壓的波動以及閃變。由此可以看出來，城市電網電壓的波動以及閃變主要是由于受到清潔能源發(fā)電站輸出功率波動而引起的。在風力發(fā)電過程中，風速的變化是造成風電場輸出功率波動的主要原因，換句話說，城市電網電壓的波動以及閃變與風速的變化呈正比的關系。

將風電機組中的恒速定槳距與變槳距在切換過程中產生的電壓波動以及閃變進行分析，并研究了電壓波動以及閃變在持續(xù)運行過程中的狀態(tài)，結果發(fā)現(xiàn)電壓波動以及閃變在切換過程中比持續(xù)運行過程中要大，而在恒速變槳距的風電機組之間得出的結論卻是與此相反的。

因此，在清潔能源接入城市電網之后，其電壓波動以及閃變都可以通過變速恒頻風電機組的平滑功率，來減小由于功率波動而造成的影響。不同的控制方式適用于不同的風速區(qū)域，在風電機組連續(xù)運行過程中，由于不同的風速具有不同的特點，城市電網電壓的閃變也可能在低風速區(qū)域逐漸變大，因此在高風速區(qū)與低風速區(qū)要采取不同的控制方式。

在光伏發(fā)電站中，光照的強度以及溫度都會引起輸出功率的變化。通常情況下，城市配電網絡越堅強，清潔能源發(fā)電站所能夠接入的容量就越大，而由于清潔能源發(fā)電站的功率波動、開機停機造成的城市電網電壓波動以及閃變就越小。如果城市的電網較為薄弱，那么在接入清潔能源的時候，需要在設計時，將并網點以及電壓等級進行合理地選擇。

為了分析新能源發(fā)電站的功率波動所引起的電網電壓波動，需要區(qū)分新能源發(fā)電站和電網其他部分產生的電壓波動，其中可以通過對接入電網的風電場進行電流源等效，將實際測量的風電場的輸出電流分解為有限數(shù)量正弦波形，建立計算全電網電壓波動的頻域分析方法。

2.3 新能源發(fā)電對電網頻率的影響

在電力系統(tǒng)的運行中，很少會出現(xiàn)頻率異常的狀況。在光伏發(fā)電并入城市電網之后，在光伏發(fā)電容量較小時，即便是多臺機組進行投切，也并不會出現(xiàn)城市電網頻率越限的情況。但是，隨著城市電網中并入的清潔能源發(fā)電站容量增大之后，城市電網的頻率會受到清潔能源機組出力時隨機性的影響而出現(xiàn)波動，這無論是對于用戶還是城市電網本身都會產生不良影響。將城市電網受到風電場功率波動的影響轉變?yōu)橐粋€等效傳遞函數(shù)，也就是風電場輸出功率波動以及火電組轉速變化的傳遞函數(shù)，以此為依據將系統(tǒng)頻率受到風電功率波動影響的評估模型建立起來，由此得出城市電網在火電機組的自動發(fā)電控制系統(tǒng)功率為0.01～1.0Hz時所受到的影響最大。因此，在大量的清潔能源接入城市電網的時候，要對清潔能源發(fā)電時產生的波動性以及間歇性進行充分地考慮，并將清潔能源發(fā)電的功率預測以及電網運行的調度相互結合起來。

3 結束語

面對不斷枯竭的傳統(tǒng)能源，人類生存發(fā)展對于能源的需求卻仍然在不斷地增長。電力資源作為現(xiàn)今能源的最大使用者，其能源消耗是十分巨大的，因此新能源革命已經在全球范圍內開始倡導。清潔能源包括風能、太陽能、海洋能、生物能，這些能源不但沒有污染，而且是取之不盡、用之不竭的。人們對于電力的需求已經導致能源巨大地消耗以及負荷，因此在智能電網中接入清潔能源是現(xiàn)如今電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。但是，當前清潔能源接入城市電網過程中還存在著許多的問題，清潔能源的接入缺乏可靠性地保障，因此需要對其進行更為深層地研究。能源是人類賴以生存的物質基礎，加大對清潔能源的開發(fā)利用，是人類社會發(fā)展的必然趨勢。

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