新能源并網(wǎng)過程中電能質(zhì)量問題研究

南京國聯(lián)電力工程設(shè)計(jì)有限公司 顧曉斌

十三五以來我國新能源發(fā)電裝機(jī)容量不斷增加，2020年可再生能源發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量達(dá)到9.34億千萬，約占全國發(fā)電裝機(jī)容量的44.6%。新能源占比的逐步提高，在很程度上實(shí)現(xiàn)了發(fā)電體系的綠色化、生態(tài)化屬性，但由于新能源發(fā)電原理的特殊性，使其在并網(wǎng)過程中暴露出電能質(zhì)量不佳等問題，需要電力部門采取妥善的技術(shù)舉措，持續(xù)提升電能質(zhì)量水平，有效解決并網(wǎng)技術(shù)難題。

1 新能源并網(wǎng)主要類型分析

為科學(xué)解決新能源并網(wǎng)過程中電能質(zhì)量管理的有效性，需著眼于實(shí)際，對(duì)新能源并網(wǎng)基本類型、主要方式進(jìn)行總結(jié)，通過并網(wǎng)方式的客觀梳理，為后續(xù)電能質(zhì)量的管理提供方向性引導(dǎo)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)類型

風(fēng)力作為新能源體系的有機(jī)組成部分，是現(xiàn)階段新能源發(fā)展的重要方向。根據(jù)國家能源部門公布的數(shù)據(jù)，2020年我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.81億千瓦，居世界第一位。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源的合理化適應(yīng)，逐步擴(kuò)大風(fēng)電資源在電力能源中的占比，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)采取多元化的并網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的快速接入，滿足實(shí)際的電力資源使用需求[1]。從現(xiàn)階段來看，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)主要包括了異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)等不同的并網(wǎng)技術(shù)手段。

1.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)類型

國家能源部門公布數(shù)據(jù)，2020年國內(nèi)光伏雷擊裝機(jī)量達(dá)到253GW，新增裝機(jī)量48.2GW，光伏發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大，要求電力部門在進(jìn)行光伏并網(wǎng)技術(shù)過程中，需要采取合理的手段以實(shí)現(xiàn)電力資源的合理化應(yīng)用，強(qiáng)化光伏發(fā)電的實(shí)用性。經(jīng)過多年的探索，電力部門對(duì)于光伏并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了深入探討，逐步形成了一整套完備并網(wǎng)技術(shù)方案。具體看，光伏發(fā)電設(shè)備在并網(wǎng)過程中主要采取工頻變壓、高頻變壓、無變壓等方式來完成相應(yīng)的技術(shù)動(dòng)作。光伏工頻變壓器并網(wǎng)過程中，借助工頻變壓器將光伏發(fā)電設(shè)備輸出的平波逆變?yōu)闉V波，經(jīng)過參數(shù)的轉(zhuǎn)變后進(jìn)入到現(xiàn)有的輸電網(wǎng)絡(luò)中，這種技術(shù)處理方案有效防范了直流偏磁情況的出現(xiàn)，控制了諧波發(fā)生機(jī)率，穩(wěn)步提升光伏發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量。

光伏無變壓器連接并網(wǎng)過程中，借助升壓斬波器、逆變器及濾波器等設(shè)備組件，將光伏設(shè)備與輸電網(wǎng)絡(luò)連接，為確保電壓、電流、諧波等基本參數(shù)處于合理的區(qū)間范圍內(nèi)，技術(shù)人員設(shè)置了隔離變壓器，確保光伏發(fā)電中的直流分量不會(huì)快速進(jìn)入到主流電網(wǎng)之中，從而規(guī)避了直流偏磁情況的出現(xiàn)，控制了電力網(wǎng)絡(luò)整體的諧波數(shù)值[2]。但這種方案仍存在直流分量進(jìn)入輸電系統(tǒng)的可能性，在實(shí)際的電能質(zhì)量管理環(huán)節(jié)需采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理。光伏高頻連接并網(wǎng)過程中采取變壓器隔離技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)高頻逆變，逆變處理后通過整流逆變等方式將光伏發(fā)電并入到輸電網(wǎng)絡(luò)之中，實(shí)現(xiàn)了電力資源的高效應(yīng)用。

1.3 燃料電池并網(wǎng)類型

燃料電池作為一種新型的能源模式，近年憑借其發(fā)電能力強(qiáng)、清潔高效、無污染的特點(diǎn)，逐步成為主流的新能源技術(shù)方案。根據(jù)S&P 全球市場情報(bào)公司的數(shù)據(jù)，燃料電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場需求明顯提升，以燃料電池生產(chǎn)企業(yè)FuelCell Energy 為例，2020年該公司股票漲幅達(dá)到345%，燃料電池使用需求的增加對(duì)并網(wǎng)技術(shù)提出了更高要求，通過科學(xué)的并網(wǎng)處理，可最大程度地保證燃料電池的實(shí)用性，降低使用成本，提升電能質(zhì)量。在實(shí)際操作過程中，燃料電池發(fā)病并網(wǎng)的接口區(qū)域需提前設(shè)置逆變器等設(shè)備，通過逆變器等設(shè)備的介入實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池直流分量、諧波等問題的有效處置，切實(shí)滿足并網(wǎng)后電能質(zhì)量的管理要求，避免并網(wǎng)技術(shù)操作不當(dāng)引發(fā)不必要的技術(shù)后果，造成電能質(zhì)量的下降。

1.4 燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)類型

小型燃汽輪機(jī)的發(fā)電功率往往在100kW 以下，依靠天然氣、煤油以及柴油等作為燃料驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成發(fā)電等任務(wù)。與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電具有造價(jià)低、效率高以及污染少等特點(diǎn)，但在使用過程中需注意，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到10萬轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，其輸出的電流頻率較高，在并網(wǎng)過程中需通過整流逆變處理方案才能與交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，保證電力資源的可用性，實(shí)現(xiàn)用電質(zhì)量的全面改善，切實(shí)滿足現(xiàn)階段電力資源的使用需求。

2 新能源并網(wǎng)過程中影響電能質(zhì)量的主要因素

新能源部并網(wǎng)過程中，在多種因素的影響下導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，影響實(shí)際的使用效果。為妥善解決這一問題，在進(jìn)行并網(wǎng)處理環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)影響因素的具體表現(xiàn)采取必要舉措，做好科學(xué)化處置，以理順并網(wǎng)技術(shù)流程。

2.1 電網(wǎng)電壓的影響

新能源在并網(wǎng)過程中，電壓對(duì)電能質(zhì)量的影響是多方面的，涉及到饋線穩(wěn)態(tài)電壓、電壓波動(dòng)等因素，對(duì)這些因素的系統(tǒng)性評(píng)估，對(duì)于后續(xù)電能質(zhì)量的整體管控有著極大的裨益。現(xiàn)階段，對(duì)于調(diào)節(jié)電壓的接入往往采用LTC 及投切電容器來實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，如并入電網(wǎng)中的新能源占比較大，則新能源固有的波動(dòng)性會(huì)對(duì)線路的負(fù)荷產(chǎn)生較大程度的影響，導(dǎo)致整個(gè)電壓調(diào)整難度較高[3]。

具體來看，當(dāng)主變電站與新能源發(fā)電站間的距離較大時(shí)，饋線電壓將保持在較高的水平，且二者呈現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系，電壓的升高間接造成電站上游區(qū)域輸送功率的下降，某些極端條件下甚至?xí)l(fā)生逆流的情況，導(dǎo)致電能質(zhì)量達(dá)不到使用需求。新能源發(fā)電機(jī)組在開機(jī)、停機(jī)過程中會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這種波動(dòng)在補(bǔ)償電容的放大作用下出了閃變等問題。以風(fēng)電并網(wǎng)為例，由于風(fēng)速的不確定性導(dǎo)致其閃變發(fā)生頻率較高，造成了電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

2.2 電網(wǎng)頻率的影響

現(xiàn)階段，在新能源并網(wǎng)過程中發(fā)生頻率異常的機(jī)率相對(duì)較低，以光伏發(fā)電為例，由于發(fā)電站容量規(guī)模較小，即便多臺(tái)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行發(fā)電作業(yè)，其頻率波動(dòng)幅度始終保持在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。但需注意，光伏發(fā)電受到外部天氣等因素的影響較大，發(fā)電容量呈現(xiàn)出一定程度的隨機(jī)性，這種隨機(jī)性使得頻率波動(dòng)較為頻繁，無形中對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)以及用戶的使用產(chǎn)生了消極影響。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電場的功率波動(dòng)在某種程度上可視為傳遞函數(shù)，較為直觀的說明風(fēng)電廠輸出功率頻率波動(dòng)與火電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化間的相互關(guān)系，當(dāng)風(fēng)電場波動(dòng)頻率在0.1～1.0Hz 時(shí)將會(huì)對(duì)火電機(jī)組的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 電網(wǎng)諧波的影響

電力企業(yè)盡管針對(duì)于新能源并網(wǎng)采取了針對(duì)性的技術(shù)方案，提供給逆變器等設(shè)備組件對(duì)新能源發(fā)電的相關(guān)特性進(jìn)行調(diào)整，但從實(shí)際情況看，新能源并網(wǎng)過程中仍會(huì)出現(xiàn)諧波。新能源的不連貫性導(dǎo)致其電壓、電流始終難以形成穩(wěn)態(tài)，變化的電壓與電流進(jìn)入到輸電線路將會(huì)產(chǎn)生非線性負(fù)荷，不僅增加了電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷，造成系統(tǒng)功率因數(shù)的下降，影響了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)諧波產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)于輸電線路連接的電力設(shè)備產(chǎn)生破壞作用，縮短電力設(shè)備的使用壽命?；谥C波的危害性，在開展電能質(zhì)量管理的過程中需要采取相應(yīng)舉措進(jìn)行處理應(yīng)對(duì)[4]。

3 新能源并網(wǎng)中電能質(zhì)量提升的主要策略

新能源并網(wǎng)環(huán)節(jié)電能質(zhì)量的提升，要求在客觀分析并網(wǎng)方式、影響因素以及評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，以科學(xué)性原則、實(shí)用性原則為框架，采取必要的技術(shù)舉措有針對(duì)性地解決各類問題，促進(jìn)新能源并網(wǎng)工作的順利進(jìn)行。

3.1 細(xì)化電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

新能源并網(wǎng)在電能質(zhì)量提升工作開展之初，為保證電能管理的有效性，應(yīng)系統(tǒng)掌握電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)、以評(píng)估指標(biāo)體系的創(chuàng)立為前提，推動(dòng)后續(xù)電能質(zhì)量提升工作的有序開展。根據(jù)以往新能源并網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)應(yīng)涵蓋電壓、電流以及諧波等相關(guān)參數(shù)，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)化把控，可在較短時(shí)間內(nèi)明確不同評(píng)估指標(biāo)對(duì)于電能質(zhì)量的影響程度，對(duì)后續(xù)各項(xiàng)工作的開展提供方向性引導(dǎo)，確保電能質(zhì)量評(píng)估的有效性。在這一過程中，可采取數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)開展量化分析，從而排除主觀因素的干擾，保證了數(shù)據(jù)處理的真實(shí)性與有效性。

電壓偏差評(píng)估環(huán)節(jié)可利用ΔU（%）=U-UN/UN×100%，其中ΔU 表示電壓偏差，U 表示實(shí)測電壓、UN 表示額定電壓，ΔU 數(shù)值越大表明輸電線路內(nèi)的電壓差值越大，電能質(zhì)量越不滿足實(shí)際的使用需求。新能源并網(wǎng)頻率偏差作為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，是指在輸電線路頻率發(fā)生變化時(shí)實(shí)測頻率與標(biāo)稱頻率之間的差異，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Δf=f-fn，其中Δf表示頻率偏差，單位Hz；f 表示實(shí)測輸電線路頻率，單位Hz；fn表示輸電線路標(biāo)稱頻率，單位Hz。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)電力系統(tǒng)標(biāo)稱頻率應(yīng)當(dāng)為50Hz。電網(wǎng)諧波在分析過程中利用數(shù)學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)分析，以準(zhǔn)確掌握某個(gè)周期內(nèi)輸電線路內(nèi)是否出現(xiàn)諧波等相關(guān)情況，為電能質(zhì)量的有效管理提供方向性引導(dǎo)。

3.2 電能質(zhì)量評(píng)估方法

針對(duì)于現(xiàn)階段新能源并網(wǎng)過程中電能質(zhì)量管理的相關(guān)要求，可采取時(shí)域仿真、頻域分析等方式完成對(duì)電能質(zhì)量影響因素的精準(zhǔn)化評(píng)估。以時(shí)域反震為例，其利用微分方程對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行客觀描述，技術(shù)人員通過描述結(jié)果，降低電能質(zhì)量暫態(tài)情況的分析。在這一過程中還充分利用了各類軟件平臺(tái)，依托軟件平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可在較短的時(shí)間周期內(nèi)，快速完成各類電能質(zhì)量問題暫態(tài)現(xiàn)象分析評(píng)估等系列工作，排除干擾因素的影響。同時(shí)針對(duì)于不同的電能質(zhì)量影響因素，可采取差異化的評(píng)估方式。例如針對(duì)于諧波問題，可采用頻域分析法，通過輸電線路頻率掃描、諧波潮流計(jì)算等相關(guān)方式幫助技術(shù)人員，更好地確立諧波狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的諧波處理舉措，有效解決諧波等系列技術(shù)問題，保證輸電線路的電能質(zhì)量。

3.3 電能質(zhì)量管理方法

電能質(zhì)量管理工作開展過程中，要根據(jù)并網(wǎng)方式的不同采取針對(duì)性的管理舉措，通過增加必要的硬件設(shè)施等手段強(qiáng)化并網(wǎng)管控，將電壓、頻率及諧波等控制在相應(yīng)的區(qū)間范圍內(nèi)，避免電壓偏差等因素影響并網(wǎng)電能質(zhì)量管理。以風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)工作為例，在電能管理過程中，相關(guān)機(jī)械設(shè)備處于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸送到電力網(wǎng)絡(luò)之中，在能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，由于運(yùn)行環(huán)境的變化，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步同步，進(jìn)而誘發(fā)出并網(wǎng)沖擊大以及無功損耗大等系列問題，產(chǎn)生額外的電力損耗，出現(xiàn)電能質(zhì)量下降等系列問題。風(fēng)力雙饋發(fā)電機(jī)與繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相似，定子繞組直接接入到電網(wǎng)之中，轉(zhuǎn)子繞組在三相電流的影響下會(huì)形成低速旋轉(zhuǎn)磁場。定子與轉(zhuǎn)子的相互疊加使其形成了同步轉(zhuǎn)速，加之在外部風(fēng)速變化的影響下機(jī)械轉(zhuǎn)速變化較為明顯，在這種情況下轉(zhuǎn)子電流的頻率及旋轉(zhuǎn)磁場也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致補(bǔ)償電機(jī)速度的運(yùn)行速度發(fā)生改變。

風(fēng)電直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的出口電壓在達(dá)到幅值、頻率、相序以及相位等相關(guān)因素后，才可進(jìn)行并網(wǎng)處理，以確保系統(tǒng)頻率保持在同步狀態(tài)。但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言，由于自身波動(dòng)較大，在采取同步電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)。往往借助于逆變器對(duì)并網(wǎng)過程中的主要參數(shù)做好控制，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、控制的可行性。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)過程中，通過必要的參數(shù)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電過程中電力資源的快速匯入，確保電力資源的快速整合，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的初步管控，較好地滿足電力用戶的電力資源使用需求。