新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響分析

景佳佳

摘要：闡述了由于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出力的間歇性和不確定性等特點，接入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不利影響。利用風(fēng)電場和光伏發(fā)電站的實測電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，從饋線穩(wěn)態(tài)電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率質(zhì)量以及諧波等方面，系統(tǒng)地分析了新能源發(fā)電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響;結(jié)合仿真實例分析了不同穿透比例時新能源發(fā)電功率波動引起的電網(wǎng)頻率波動，以及電網(wǎng)不對稱故障使新能源發(fā)電機組產(chǎn)生的附加諧波電流。指出亟需建立新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)量測平臺和綜合評價體系。

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

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù)已成為最具開發(fā)潛力的可再生能源發(fā)電技術(shù)。為保證可再生能源的最大利用率，并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)都采用適當(dāng)控制策略盡可能保證有功功率的最大輸出，由于風(fēng)電場風(fēng)速（或光伏電站光照強度）動態(tài)波動變化，新能源并網(wǎng)發(fā)電站的輸出功率存在較大隨機波動，間歇性的功率波動將對大電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成不利影響。當(dāng)大電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力，一般不必考慮新能源發(fā)電站功率波動引起的頻率偏差，而主要考慮功率波動引起的電壓波動和閃變。一旦新能源發(fā)電站所接入電網(wǎng)的有功調(diào)節(jié)能力不足，則決定新能源發(fā)電站穿透功率極限的主要因素是電網(wǎng)頻率波動和穩(wěn)定性。新能源發(fā)電站的接入對于電網(wǎng)電能質(zhì)量將產(chǎn)生較大影響，有必要研究新能源發(fā)電站引起的電能質(zhì)量問題，以保證并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行。

1. 新能源電源并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

1.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)

早期的風(fēng)力發(fā)電機單機容量較小，多采用與配電網(wǎng)直接相連的異步電動機，且處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，抗沖擊的能力較弱。之后，變速風(fēng)機、雙饋感應(yīng)電機等新型發(fā)電機組開始得到推廣，有效地提高了風(fēng)力發(fā)電的效率，但大規(guī)模風(fēng)電引入電網(wǎng)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等產(chǎn)生的一些負面影響仍然不容忽視。

（1） 由于風(fēng)能具有隨機性、間歇性，風(fēng)電機組輸出的電能也是波動、隨機變化的，具有不可控的特點，因而穩(wěn)定性較差，不能保證不間斷供電。

（2） 雖然目前風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但并網(wǎng)瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊電流。

（3） 當(dāng)風(fēng)速超速時，風(fēng)電機組會從額定狀態(tài)自動退出運行，風(fēng)電機組的投切產(chǎn)生的電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負面影響之一。

（4） 風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)機出力的變化，隨著風(fēng)速的增大，電壓波動和閃變也越明顯。

（5） 風(fēng)機特有的風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)，風(fēng)電場公共連接點的短路比和電網(wǎng)線路的電源阻抗電感和電阻比（X/R）也是引起電壓波動和閃變的重要因素。對于接于電網(wǎng)薄弱節(jié)點的風(fēng)電場而言，電壓波動和閃變尤為明顯。

（6） 風(fēng)電機組并網(wǎng)采用了大量的電力電子設(shè)備，對于需要通過整流和逆變接入電網(wǎng)的變速風(fēng)力發(fā)電機而言，會產(chǎn)生嚴重的諧波問題。

1.2 太陽能光伏并網(wǎng)

太陽能光伏并網(wǎng)利用太陽能光伏陣列產(chǎn)生的直流電，經(jīng)電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換成符合要求的交流電后，直接或經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)中。我國太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已比較成熟，呈現(xiàn)出各地“分散開發(fā)、低電壓就地接入”與荒漠地區(qū)“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”并舉的發(fā)展特征。光伏電站運用最大功率點跟蹤技術(shù)提高系統(tǒng)效率，充分利用太陽能的時間分布特性起到削峰作用，這也是光伏發(fā)電相對于風(fēng)電的一個優(yōu)勢。但光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境溫度、太陽光照強度和天氣變化影響，具有隨機波動性，造成發(fā)電功率的劇烈變化。

（1） 由于陽光的晝夜變化，光伏發(fā)電裝置只在白天工作，晚上切離電網(wǎng)，不但影響了設(shè)備的利用效率，且頻繁投切也會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響。為盡可能提高太陽能的利用率，提出了最大功率點跟蹤控制法，但僅是最大功率點跟蹤無法做到有功輸出可調(diào)，有功調(diào)節(jié)技術(shù)還需使用儲能，實現(xiàn)對電網(wǎng)的有功支持。

（2） 光伏發(fā)電對電網(wǎng)的另一個負面影響是諧波污染。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般通過逆變裝置轉(zhuǎn)換才能接入公共電網(wǎng)，這些逆變裝置通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗阅軌驅(qū)崿F(xiàn)有功和無功的解耦控制，在一定程度上實現(xiàn)了補償無功，控制功率因數(shù)和抑制諧波的作用。在實際的運行過程中，當(dāng)逆變器輸出輕載時，諧波會明顯增大。

1.3微型燃氣輪機并網(wǎng)

微型燃氣輪機是新興發(fā)展起來功率為幾百 kW 以下的小型熱力發(fā)動機，具有體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單等特點。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，微型燃氣輪機分為兩種：一種是高速燃氣渦輪驅(qū)動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，再經(jīng)過電力電子變流裝置轉(zhuǎn)化為工頻交流電向用戶供電;另一種是渦輪機通過變速齒輪箱驅(qū)動同步發(fā)電機直接并網(wǎng)。通常情況下，微型燃氣輪機的輸出功率與燃料量有關(guān)，因此，它的有功功率是可以控制的，與風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)不同。對于需由變流轉(zhuǎn)換裝置并網(wǎng)的微型汽輪機，同樣存在因電力電子設(shè)備整流逆變帶來的諧波污染問題。

以上分析及其他的研究表明，分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為：

（1） 受環(huán)境和氣候條件、用戶需求、政策法規(guī)等因素的影響，分布式電源的起停與投切，其不確定性易造成配電網(wǎng)明顯的電壓波動和閃變。同時，DG 的控制設(shè)備和反饋環(huán)節(jié)的相互作用也會直接或間接引起電壓閃變。

（2） 分布式電源采用基于電力電子技術(shù)的逆變器接入配電網(wǎng)，與傳統(tǒng)電網(wǎng)的方式有很大不同，開關(guān)器件的頻繁開關(guān)易產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的諧波分量，對電網(wǎng)造成諧波污染。

（3） 分布式電源常位于配電網(wǎng)的終端，離負荷較近，輸出的無功會使負荷節(jié)點處電壓升高，甚至超出電壓偏移標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)分布式電源退出運行時，受其影響較大的節(jié)點負荷又因缺少電壓支撐而遭受低電壓等嚴重電能質(zhì)量問題，受影響程度的大小與分布式電源的類型、位置和容量有關(guān)。

2. 新能源發(fā)電對電網(wǎng)頻率的影響

電力系統(tǒng)運行中頻率異常的情況很少發(fā)生，并網(wǎng)光伏發(fā)電站的頻率變化曲線，可見當(dāng)光伏發(fā)電站容量較小時即使在多臺機組投切時也不會引起電網(wǎng)頻率越限。當(dāng)新能源發(fā)電站的發(fā)電容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大后，由于新能源發(fā)電機組出力具有一定的隨機性，可能導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的頻率時常出現(xiàn)波動，對用戶和電力系統(tǒng)本身都會造成不良后果。將風(fēng)電場功率波動對電網(wǎng)的影響等效成一個傳遞函數(shù)即為火電機組轉(zhuǎn)速變化與風(fēng)電場的輸出功率波動的傳遞函數(shù)，建立了風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)頻率的評估模型，并得出考慮火電機組的自動發(fā)電控制系統(tǒng)時0.01 ～1.0 Hz 的功率波動對大電網(wǎng)的影響最大。

3. 新能源發(fā)電對電網(wǎng)諧波的影響

新能源并網(wǎng)發(fā)電站主要包括并網(wǎng)光伏發(fā)電站和并網(wǎng)風(fēng)電場兩種類型，由于并網(wǎng)光伏逆變器的絕緣柵雙極型功率開關(guān)（IGBT）的物理特性，以及采用脈寬調(diào)制控制方法的逆變器自身特點，并網(wǎng)光伏電站運行時會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓電流諧波，且由光照強度變化（如自然光照強度變化、浮云的陰影效應(yīng)、物體的陰影效應(yīng)等）引起光伏電站輸出功率的波動間歇變化以及光照不對稱都會引起諧波污染。并網(wǎng)光伏發(fā)電站在晴轉(zhuǎn)多云天氣的實測電流諧波畸變率曲線，可見在出力較小的凌晨和傍晚時電流諧波畸變率較大，中午多云時電流諧波畸變率也有所突增。

參考文獻：

[1]董偉杰，白曉民，朱寧輝，周子冠，李慧玲.間歇式電源并網(wǎng)環(huán)境下電能質(zhì)量問題研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（05）：1265-1271.

[2]陳波，李果，楊勝輝，蘇楚研.新能源發(fā)電與電能質(zhì)量問題淺析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（06）：91-96.

[3]曾正，趙榮祥，楊歡，湯浩，金磊，朱明磊，湯勝清.多功能并網(wǎng)逆變器及其在微電網(wǎng)電能質(zhì)量定制中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（05）：58-67.