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淺談新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及解決方案
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：分析新能源發(fā)電趨勢，從電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)諧波等方面出發(fā)，闡述新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，電網(wǎng)電能質(zhì)量下降的危害及其處理措施。
關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電；并網(wǎng)；電能質(zhì)量
0引言
當前，社會經(jīng)濟發(fā)展對能源資源需求不斷增加，為減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，在新能源研究推廣方面投入了大量資金，并取得了一定的成效。目前，我國新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，由此也暴露了一些問題，如新能源發(fā)電并網(wǎng)占比增大后，電網(wǎng)運行穩(wěn)定性受到影響，電能質(zhì)量下降，如何解決此類問題直接關(guān)系到新能源發(fā)電技術(shù)的未來進一步推廣運用。
1新能源的發(fā)電狀況
根據(jù)新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國新能源發(fā)電一直保持平穩(wěn)增長，截至2019年年底，我國新能源發(fā)電裝機容量4.1×108kW。預計2030年、2050年我國新能源裝機將分別達到1.15×109kW、2.80×109kW，占全國電源總裝機的比重提升至40%、53%。2019年我國三北地區(qū)（華北、東北、西北）風電裝機容量1.27×108kW；8個省級電力公司經(jīng)營區(qū)風電裝機均超過1×107kW，依次為新疆、冀北、甘肅、山東、山西、寧夏、蒙東、江蘇。三北地區(qū)太陽能發(fā)電累計裝機容量為1.03×108kW；8個?。ㄗ灾螀^(qū)）太陽能發(fā)電裝機超過1×107kW，依次為山東、江蘇、浙江、安徽、青海、河南、新疆、山西。
近些年，我國新能源消納水平不斷提高，但是新能源發(fā)電并網(wǎng)也存在一些問題需要解決，如：新能源發(fā)電出力不穩(wěn)、隨機波動，給電網(wǎng)規(guī)劃建設、運行管理帶來了巨大的壓力。結(jié)合實踐分析可知，新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量必將差生巨大影響，對此必須加強相關(guān)研究，提出可靠的處理方案，在不斷提高新能源發(fā)電利用率的同事，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運行。
2?新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響
2.1對電網(wǎng)電壓的影響
饋線穩(wěn)態(tài)電壓。當前我國電力系統(tǒng)主要是采用投切電容器、改變有載調(diào)壓變壓器分接頭的方式實現(xiàn)調(diào)壓。新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模增大后，其功率波動性影響變大，造成整個電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)難度增大，原有調(diào)壓方案往往無法滿足電網(wǎng)實際運行要求。如圖1所示即為新能源發(fā)電并網(wǎng)前后饋線電壓的變化情況，由圖分析可知，并網(wǎng)后饋線后端節(jié)點的電壓將越限，對此必須要根據(jù)并網(wǎng)情況合理改進調(diào)壓方案。
（2）電壓波動、閃變。新能源電站輸出功率波動，是影響電壓波動、閃變的直接因素。如風速變化影響風電場輸出功率，需根據(jù)實際情況合理選用變速風電機組、恒速風電機組，減小電壓瞬變；光照強度、溫度波動變化，也會導致電站輸出功率出現(xiàn)變化。當新能源發(fā)電并網(wǎng)的電網(wǎng)短路容量大，則表明區(qū)域電網(wǎng)堅強，相應的并網(wǎng)后引發(fā)的電壓波動、閃變均較小，若是電網(wǎng)較為薄弱，必須合理規(guī)劃并網(wǎng)點、電壓等級。
圖1新能源發(fā)電并網(wǎng)前后饋線電壓
2.2對電網(wǎng)頻率的影響
如圖2所示，當新能源在電網(wǎng)中占比較小時，對電網(wǎng)頻率影響較小，而隨著新能源發(fā)電量在電網(wǎng)占比的增大，容易造成電網(wǎng)內(nèi)頻率波動，直接影響電能質(zhì)量。對此，必須加強新能源發(fā)電出力波動性、間歇性分析，將電網(wǎng)運行調(diào)度與新能源發(fā)電電功率預測相結(jié)合。
圖2新能源發(fā)電穿透功率較小時電網(wǎng)頻率變化
2.3對電網(wǎng)諧波的影響
我國新能源并網(wǎng)主要以光伏發(fā)電站、風電場為主，其在諧波方面的影響如下：（1）并網(wǎng)光伏電站運行時，光照變化會導致光伏電站輸出功率出現(xiàn)波動間歇變化、引發(fā)諧波污染。（2）風電場并網(wǎng)諧波主要來源機組電力電子裝置、風電場并聯(lián)補償電容器與線路電抗諧振作用。
3電網(wǎng)電能質(zhì)量下降的危害與處理措施
大量新能源發(fā)電并網(wǎng)極易導致電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，采取合理的處理措施具有重要意義，為我國新能源電力發(fā)展奠定堅實的基礎。
3.1電網(wǎng)電能質(zhì)量下降的危害
電網(wǎng)電能質(zhì)量下降的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）電壓暫降、偏差：電網(wǎng)運行中電壓暫降、偏差情況的出現(xiàn)，極易導致一些設備無法正常運行，如：自動化控制裝置誤動、系統(tǒng)失靈等，甚至出現(xiàn)長時間無法正常工作的情況，引發(fā)嚴重的后果。（2）電壓波動、閃變：常見問題有燈光閃爍、電視機亮度頻繁變化、生產(chǎn)線無法正常工作等。（3）諧波：諧波污染對電網(wǎng)的危害大，包括：電力線路附加損耗、諧波影響設備運行、電容器組諧振、自動裝置與繼電保護誤動。
3.2電能質(zhì)量的處理措施
針對上述問題可知，新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響較大，為保證我國新能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，必須要采取以下處理措施：（1）安裝電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。在電網(wǎng)運行中，改善電能質(zhì)量常見的方法就是安裝動態(tài)無功補償裝置，快速調(diào)節(jié)無功功率，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。動態(tài)無功補償器的主要安裝位置為新能源出口低壓側(cè)，根據(jù)接入點電壓偏差量控制所補償?shù)臒o功，穩(wěn)定接入點電壓。針對新能源并網(wǎng)導致的諧波問題，可安裝多脈沖換流器、電力濾波器，有效吸收諧波電流，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。其中，光伏電站并網(wǎng)，可采用多功能逆變器，使得光伏電站逆變器兼具濾波功能；風力發(fā)電場，可在諧波水平較高母線上安裝靜止無功補償器，綜合濾除諧波。（2）采用超級電容器改善電能質(zhì)量。超級電容器作為一種儲能裝置，可有效控制電網(wǎng)有功、無功功率，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。從超級電容器自身性能分析來看，其功率密度高、充電速度快，可有效解決瞬時停電、電壓暫降/驟升等問題，平滑電壓波動。
此外，為應對未來新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴大，應從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)入手，通過改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、合理選用線路電抗/電阻之比，有效抑制并網(wǎng)引發(fā)的電壓波動、閃變問題；同時新能源技術(shù)方面，還需不斷革新，切實減少機組啟停次數(shù)、減小輸出功率變化情況，切實保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
4安科瑞產(chǎn)品選型
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 16 路交流電壓/電流通道，16 路可編程無源繼電器出口、22 路有源開關(guān)量輸入通道，2路 RS485 接口，4 路以太網(wǎng)接口； 1 路 GPS 對時接口，支持 IRIG-B 對時方式；1 路 RS232 接口； 1路USB接口 |
電能質(zhì)量監(jiān)測儀表 | APM830 |
| 網(wǎng)絡：三相三線，三相四線 功能：全電量測量、電能統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析、錄波功能、事件記錄功能 精度：0.5S級 |
多功能網(wǎng)絡電力儀表 | APM520 |
| 具有三相(I、U、kW、kyar、kWh、kvarh、Hz、cas中)、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析(包括諧波、間諧波、閃變)、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、A0模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 |
有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin/??-G Ⅰ型 |
| 采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，兼補諧波和無功； 兼補諧波和無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償； 具備完善的橋臂過流、直流過壓保護、裝置過溫保護功能； 具備超前和滯后的功率因數(shù)校正功能； 具備動態(tài)過溫降載功能； 有源諧波治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務。 |
有源無功補償系統(tǒng) | AnCos/??-G Ⅰ型 |
| 具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波； 具備自動檢測運行、測量監(jiān)視和定值設定功能； 具備智能散熱和無極調(diào)速的功能； 具備動態(tài)擴容功能，支持插拔，方便更換； 具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、超溫告警等保護功能； 有源無功補償系統(tǒng)配備有數(shù)據(jù)處理與分析平臺，通過對采集到的用戶現(xiàn)場數(shù)據(jù)與補償設備補償算法相結(jié)合，為用戶提供定制化的電能質(zhì)量治理服務。 |
混合動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng) | AnCos/??-G Ⅰ型 |
| 核心元器件IGBT選用英飛凌等進口知ming品牌，響應時間快，精度高、運行穩(wěn)定； 采用全數(shù)字、模塊化控制方式，采用DSP＋FPGA高速檢測和運算的數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控及顯示系統(tǒng)； 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能； 諧波補償次數(shù)：2-51次，可對2次～31次諧波電流進行全補償，或僅對諧波進行補償； 具備遠程通訊接口功能，并可通過PC機進行實時監(jiān)控； 分層式系統(tǒng)設計，三層系統(tǒng)各自獨立且相互耦合。基于谷歌Flutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺，具備遠程服務與數(shù)據(jù)處理功能，并支持IOS、安卓、PC多平臺交互。 |
5結(jié)束語
新能源發(fā)電技術(shù)具有清潔、可再生的特點，但是其并網(wǎng)后對電網(wǎng)電能質(zhì)量存在較大的不利影響，輕則導致供電質(zhì)量下降，重則直接導致相關(guān)生產(chǎn)工作無法正常開啟。對此，必須要明確新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓、頻率、諧波等方面的影響情況，并采取針對性處理措施，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
參考文獻
徐潛,唐凌云,李西.新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[J].《集成電路應用》,2020
李娜娜.新能源發(fā)電將邁向高質(zhì)量發(fā)展新階段[N].國家電網(wǎng)報,2020-01-21(008).
張偉波,潘宇超,崔志強,張衛(wèi)東.我國新能源發(fā)電發(fā)展思路探析[J].中國能源,2012,34(04):26-28+41.
[4]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.
作者簡介
任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。
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