風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)問題分析

譚志杰

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

1.1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

目前，我國大力開發(fā)風(fēng)力資源。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電以大電網(wǎng)作為發(fā)電基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。風(fēng)能是一種可再生能源，在實(shí)際應(yīng)用中利用專業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。作為現(xiàn)代化清潔能源，風(fēng)力發(fā)電在使用過程中對(duì)周圍的環(huán)境污染非常小。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電雖然優(yōu)勢(shì)比較明顯，但是此種風(fēng)力資源在應(yīng)用方式上存在不足。由于風(fēng)力資源自身的特點(diǎn)，導(dǎo)致相關(guān)部門不能嚴(yán)格掌控，目前的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)并不成熟，還處于發(fā)展階段。此外，發(fā)電過程中不能提前將風(fēng)力資源大規(guī)模儲(chǔ)存。但是，充分利用好并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保是世界范圍內(nèi)的發(fā)展形勢(shì)，因此未來并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電將會(huì)有很好的發(fā)展前景。當(dāng)前，我國在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電研究中投入了大量人力物力，將進(jìn)一步開展此方面的研究[1]。

1.2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)相連接組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大作用是為整個(gè)電力系統(tǒng)提供有功功率和無功功率。該過程是將光熱源的方式轉(zhuǎn)化成電能，然后將產(chǎn)生的電能利用變壓器變換成同電網(wǎng)一致等級(jí)的電壓，進(jìn)而傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中進(jìn)行輸送。所以，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要使用電池。電池使用會(huì)增加大量的資金消耗，而且電池本身具有污染。光伏發(fā)電可以實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，這種形式比傳統(tǒng)的火力發(fā)電更加安全可靠，且不會(huì)產(chǎn)生噪音，有利于環(huán)保。在日常使用過程中，它不存在高難度操作，而且可以和環(huán)境協(xié)調(diào)共處?，F(xiàn)階段使用光伏發(fā)電的速度非?？欤覈乙苍诓粩嗤度胭Y金和人員進(jìn)行研究。

2 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)過程中的問題

2.1 并網(wǎng)過程中出現(xiàn)孤島效應(yīng)

兩種發(fā)電方式在并網(wǎng)過程中由于電網(wǎng)系統(tǒng)維修或者在故障時(shí)很容易出現(xiàn)孤島效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)與整個(gè)電網(wǎng)呈脫離狀態(tài)，形成一個(gè)自給供電的孤島效應(yīng)。當(dāng)主電網(wǎng)與部分電網(wǎng)斷開后，會(huì)導(dǎo)致孤島部分的供電完全由風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，其系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域有電流流通而實(shí)際中卻沒有電流通過的情況。此種情況主要是由于發(fā)電過程中總?cè)萘窟^大，會(huì)威脅人們的生命安全和用戶用電出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。要想解決孤島問題，必須人為手動(dòng)或利用設(shè)備自動(dòng)關(guān)合，使系統(tǒng)重新向孤島區(qū)域供電。這種情況很容易出現(xiàn)不良反應(yīng)，孤島區(qū)域突然連通電路并流通電流會(huì)導(dǎo)致此部分電壓短時(shí)間內(nèi)快速升高，雙重作用下對(duì)設(shè)備有很大的沖擊，嚴(yán)重會(huì)損壞設(shè)備，不利于配電系統(tǒng)的保護(hù)裝置正常作用。所以，需要在系統(tǒng)內(nèi)部配備專門的設(shè)備來預(yù)防孤島效應(yīng)的出現(xiàn)。現(xiàn)階段利用電力系統(tǒng)研制的逆變器可以有效預(yù)防孤島效應(yīng)，根據(jù)需要分為被動(dòng)狀態(tài)和主動(dòng)狀態(tài)。被動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)探測電網(wǎng)電壓、頻率變化，而主動(dòng)狀態(tài)下的系統(tǒng)更加完善，擁有對(duì)電網(wǎng)頻率的移位、相位跳躍、電流不穩(wěn)的情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前，我國大部分地區(qū)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電應(yīng)用廣泛，但是由此引發(fā)的孤島效應(yīng)危害隨著增大，相關(guān)地區(qū)需要基于實(shí)際問題研究預(yù)防孤島效應(yīng)的技術(shù)[2]。

2.2 自然因素影響并網(wǎng)可靠性

在風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)速具有不可控性和隨機(jī)性。由于風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電頻率和輸出功率波動(dòng)較大，且導(dǎo)致電壓頻繁波動(dòng)和閃變。風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的不穩(wěn)定性造成的，典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換，其中發(fā)電機(jī)切換僅適用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)或多繞組發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。這些切換操作引起功率波動(dòng)，并進(jìn)一步引起風(fēng)電機(jī)組端點(diǎn)及其他相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變。此時(shí)，風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)后，將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行電壓和頻率的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。風(fēng)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)初期容易產(chǎn)生電壓諧波，如果在并網(wǎng)時(shí)風(fēng)速變化過快，在風(fēng)電場和風(fēng)機(jī)附近的電壓可能發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重影響并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能，因?yàn)楣鈴?qiáng)度受季節(jié)、濕度和天氣等自然因素影響較大，導(dǎo)致光伏發(fā)電的功率穩(wěn)定性較差，使得并網(wǎng)后很難相互融合，而電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置也不能很好地適應(yīng)新能源系統(tǒng)，會(huì)因?yàn)殡妷翰▌?dòng)較大導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響電網(wǎng)總體運(yùn)行的可靠性和安全性。

2.3 發(fā)電機(jī)組制作技術(shù)因素影響并網(wǎng)可靠性

我國積極引進(jìn)國外先進(jìn)的發(fā)電機(jī)組制作技術(shù)，通過技術(shù)引進(jìn)實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)關(guān)鍵元器件，并應(yīng)用在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。目前，我國掌握的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？v觀國內(nèi)相關(guān)的研究理論，還沒有關(guān)于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電方面系統(tǒng)、科學(xué)、合理的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)機(jī)組設(shè)計(jì)不合理、制造組裝不科學(xué)的問題，一定程度上增加了發(fā)電機(jī)組制作過程中某部位的不穩(wěn)定因素，不利于保障并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于風(fēng)電和光電容量不斷增加帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，目前關(guān)于電力可靠性運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)程只是被電力電監(jiān)會(huì)管理部門起草發(fā)布，并沒有正式實(shí)行。已經(jīng)在實(shí)踐中應(yīng)用的規(guī)范更多是關(guān)于系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間方面的測試，并不涉及風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性問題。相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)考慮自身的利益和業(yè)績，對(duì)機(jī)組制造投產(chǎn)后運(yùn)行問題不重視，在機(jī)組制造過程中沒有充分考慮相關(guān)因素，也會(huì)在一定程度上降低風(fēng)電和光電可靠性和安全性，在后續(xù)投運(yùn)使用過程中并網(wǎng)后的相關(guān)問題更為明顯。我國在未來發(fā)展中應(yīng)該在風(fēng)電和光電技術(shù)領(lǐng)域不斷探索，在實(shí)踐中掌握核心技術(shù)，提升風(fēng)電和光電機(jī)組在設(shè)計(jì)組裝過程中的科學(xué)合理性，為并網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。管理部門也需要完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)監(jiān)督管理，提升并網(wǎng)可靠性[3]。

2.4 增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)

雖然風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在使用過程中可靠性較差，但是兩種發(fā)電方式都與目前世界范圍內(nèi)追求綠色環(huán)保的理念相互契合，優(yōu)點(diǎn)非常突出。所以，在未來發(fā)展中風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)前景非常好。但是，新能源的發(fā)展勢(shì)必會(huì)影響到傳統(tǒng)發(fā)電模式，導(dǎo)致火電廠的設(shè)備被閑置。所以，可以考慮當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用中出現(xiàn)故障時(shí)，利用傳統(tǒng)火力發(fā)電也是一項(xiàng)備選方案。這種概率非常小，而且要保證原有設(shè)備能夠正常使用需要定期進(jìn)行設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)，這需要企業(yè)投入人力、物力和資金，無形中增加了電力企業(yè)發(fā)展的成本，影響企業(yè)的發(fā)展效益。

3 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)的解決措施

3.1 探究更有效的新型配電系統(tǒng)

基于風(fēng)力發(fā)電（如圖1所示）和光伏發(fā)電（如圖2所示）二者并網(wǎng)后的運(yùn)行特點(diǎn)探究更加有效的新型配電系統(tǒng)，除研究配電系統(tǒng)理論之外，還需要考察優(yōu)化的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電電源的具體方位，深入研究接入方位、二者的容量比較、并網(wǎng)方式以及減少對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)電壓諧波和電壓波動(dòng)的影響。在未來發(fā)展規(guī)劃中，要考慮影響電網(wǎng)合理運(yùn)行的主要因素，從客觀角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證風(fēng)力發(fā)電和火力發(fā)電并網(wǎng)后系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的統(tǒng)一。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.2 完善光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

使用光伏發(fā)電（如圖2所示）主要是通過微網(wǎng)進(jìn)行傳遞，將特有的光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)融入整個(gè)電力企業(yè)，通過微網(wǎng)方式，有效解決電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一系列故障。電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障比較復(fù)雜，而且基于電氣量故障自身多變的特點(diǎn)或增加電力系統(tǒng)檢測的難度，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中電力系統(tǒng)的保護(hù)程序有一定的抑制影響，增加了相關(guān)人員的日常檢修工作量，而且提出了更高的技術(shù)要求。面對(duì)此種發(fā)展現(xiàn)狀，電力企業(yè)需立足實(shí)踐，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的故障問題進(jìn)行深入研究，分析具體的保護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的創(chuàng)新。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來說，要集中投產(chǎn)，不宜分散投產(chǎn)。風(fēng)電項(xiàng)目多處于風(fēng)力資源較為豐富的地區(qū)，離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，輸電線路建設(shè)較為滯后，通道斷面約束大，需要對(duì)其整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，使風(fēng)機(jī)并網(wǎng)過程減少產(chǎn)生次同步振蕩的現(xiàn)象，進(jìn)而避免損害風(fēng)機(jī)和威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定的情況發(fā)生。

3.3 加大并網(wǎng)“孤島效應(yīng)”檢測力度

并網(wǎng)“孤島效應(yīng)”可以分為兩種檢測方法：一種是主動(dòng)檢測方式，另一種是被動(dòng)檢測方式。

3.3.1 主動(dòng)頻率偏移法檢測孤島效應(yīng)

所謂的主動(dòng)頻率偏移法檢測孤島效應(yīng)，主要是以逆變器的輸出頻率為基礎(chǔ)，在并網(wǎng)逆變器負(fù)載的影響下，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)斷點(diǎn)發(fā)生的反向輸出電壓的頻率。此種情形下，并網(wǎng)后逆變器的輸出頻率會(huì)出現(xiàn)誤差，如果出現(xiàn)時(shí)間過長，就會(huì)引發(fā)“孤島效應(yīng)”。此時(shí)，檢測裝置將檢測到的結(jié)果發(fā)送到運(yùn)行值班處，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

3.3.2 被動(dòng)的相位偏移法檢測孤島效應(yīng)

以電網(wǎng)正常運(yùn)行為基礎(chǔ)，在風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)過程中逆變器發(fā)揮有效作用，使得并網(wǎng)系統(tǒng)與公共電網(wǎng)輸出電流的頻率一致，但事實(shí)需要考慮公共電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)癱瘓。并網(wǎng)中逆變器電流的輸出與公共電網(wǎng)出現(xiàn)較大的相位差時(shí)，需要及時(shí)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)與公用電網(wǎng)電流輸出的差距進(jìn)行檢測，了解其電壓電流的變化，直接分析并網(wǎng)系統(tǒng)中是否存在孤島效應(yīng)。此種檢測方式操作非常簡便，并且可以直觀了解實(shí)際情況，被廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文分析風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的現(xiàn)狀，對(duì)二者發(fā)電存在的問題提出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。這兩種新能源與國內(nèi)傳統(tǒng)使用的能源存在相對(duì)較大的差異，所以在實(shí)際運(yùn)行過程中要基于實(shí)際問題采取針對(duì)性解決措施，不斷提高孤島效應(yīng)檢測的力度，加強(qiáng)新型配電系統(tǒng)的研究和改進(jìn)，促進(jìn)我國新能源電力行業(yè)更好發(fā)展。因?yàn)楣夥l(fā)電具有多重優(yōu)勢(shì)，所以從社會(huì)視角來說，光伏發(fā)電在全球可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中將扮演不可替代的角色。這不僅是從環(huán)境的角度來考慮，更是從能源可持續(xù)和社會(huì)可持續(xù)的角度來思考。但是，應(yīng)該對(duì)光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展保持警醒，不斷應(yīng)用科技手段提升光伏發(fā)電的效率和性能，以更好的產(chǎn)業(yè)視角和商業(yè)洞察力降低產(chǎn)業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)最終的能源結(jié)構(gòu)改革，進(jìn)而提升社會(huì)福祉。