新能源发电并网对电网电能质量的影响研究

张宁 陕西能源研究院有限公司

国家“十三五”能源规划中提出，每年要减少化石能源所占比重，增加绿色清洁能源的比重，其中已实现大规模利用的有太阳能、风能等。尽管我国能源结构仍以火力发电为主，但其比重已发生了较大幅度的下降，新能源发电所占比重显著增加。国内新能源发电技术以风电、太阳能等为主，发展潜力巨大。然而，风能的产生受到风速的影响，使得光伏电站受到光的影响。两者之间存在着诸多动态性影响因素，因而也会使新能源发电并网时输出功率发生显著波动，输出功率一旦受到影响而发生波动，就会对电网电能质量产生较大影响。为避免出现这种情况，则要充分利用新能源发电接入电网中电量的利用效率，防止发电量做无用的动作，此时还可以使用储能锂离子电池来把多余的电量储存起来，避免电量流失。目前，国内大多数新能源发电系统均采用电力电子器件并网发电，但其严重的缺陷在于易产生谐波，这种谐波本身的设备本身的物理特性不能避免，因此还会衍生出谐波。另外在电网中，由于容量较大，调节容量较大，其电压随输出功率波动而闪烁，从而给用户带来了很大的损失。所以在将新能源并网之后，对电能质量问题进行研究是非常必要的。

一、风电新能源发展现状

基于相关数据显示我国在20世纪80年代中期的风力发电行业便进入了商业化运营阶段，同时在相关政策的支撑下也使得风力发电行业得到了快速地发展。而在我国科学技术不断优化升级的技术上，风电新能源依据新型的技术实现了开拓发展，进而使得我国的能源行业基于现有的技术成果实现快速推进。

而在2005年至今，我国的风电新能源开发技术已经取得了明显地发展，但从整体上看我国的风电新能源开发技术主要依赖于进口的并网型风机，同时也尚未形成健全的零部件管理和规范化维护机制，进而使得我国在风电技术发展上依然存在一定的不足之处，并且在探求高新技术内容时依然任重而道远。

二、新能源发电对电网电压的影响

（一）新能源发电对馈线稳态电压的影响

在电力系统中，利用变压器对电压进行调节，众所周知，输出电压与输入电压的比值等于匝数之比，线圈匝数的比值通常不变，所以想要稳定电压，就必须从输入源开始对电压进行分析，输入电压稳定后，其输出端电压也必然稳定，其输出端电压也就不会变。但当新能源占总发电量的比重较大时，输出功率也有波动，在某种程度上会给线路增加负荷，这就造成线路负荷增加，超出其所能承受的电压范围，无疑给电压调节技术带来困难。在某种程度上，发电站离主站距离越远，馈线电压越高，其等价关系为正向关系。一种新能源发电厂容量的大小也会影响其它因素，电容时间越长，线路上加载所占比例越大，就越容易影响电站上游端的输出功率，一旦出力不足，可能需要大量的电流向回充，此时就容易产生逆流问题。这个告诉我们新能源发电的电量要适度，否则将出现极端现象，不只是出现逆流问题，更有可能出现超负荷输送。总之，线路各节点间的电压不稳定性均有可能发生，同时也会发生功率穿通、电网短路等不良现象。

（二）新能源发电对电网电压波动和闪变的影响

供电网络系统在运行过程中经常发生开停机的现象，而正是在短短的几秒钟内，电压会发生波动性变化，同时对电容进行补偿。简单地说，发电站的输出功率是引起电压波动和闪变的主要原因，对于风电和太阳能发电来说，受影响的主要因素是风速、光强、温差变化等，因此为了更好地提升输出功率将需要借助风速、光线强度以及温差变化等因素实现对电网电压波动和闪变的控制。其中当天气条件恶劣时，将导致电压不稳定，出现波动性和闪变现象，影响电网电能质量，因此在新时代背景下，通过持续寻找优质材料，提高风力、光电等技术的转化效率，将能够有效解决电网电压波动和闪变的问题。

三、新能源发电对电网频率的影响

一般来说，电力系统极少发生频率异常现象，但将新能源并网之后，又会带来一系列问题，其中一种就是“频率异常”。对于太阳能发电技术而言，降低电站容量将减少单元电容补偿，减小对电网频率的影响。在新能源发电所占比例增加的情况下，电网总发电量也将增长，但是，由于新能源发电具有不稳定性，在并网之后，线路上将产生电压波动，合并电网后，会使电网频率发生变化，这是某些列传递问题，电源端出现问题，无论上、中、下游。当电网频率发生异常时，将使电力系统出现一个很难修补的问题，也会给用户带来诸多不便。通过对风电系统的数学模型进行评价，可以清楚地发现，小频率的波动对电网产生较大的影响，因此，为了更好地解决新能源发电的间歇性、不稳定性和不确定性等问题，还需要切实强化对绿色能源的开发，进而使其能够在开发利用的过程中为人类社会提供稳定的能源。

四、新能源发电对电网谐波的影响

现阶段的太阳能并网与风能并网发电是我国新能源发电的先导，其资源在利用上具有可再生性，而本文所指的谐波电压产生，很大程度上是因为电力设备本身具有易于使电网产生谐波的物理性质，例如在光伏发电系统中的逆变器具有双极型功率开关的特性，使电网内的电压电流易于产生谐波，这将导致新能源发电并网的稳定性和持续性受到影响。同时在新能源发电的过程中也极易受到外界因素的影响，当风速较小、光线强度较弱等情况时，将导致电网中的电压电流出现偏低现象，进而导致谐波问题的出现。

五、提高新能源发电并网可靠性的措施

（一）统一新能源发电并网标准

从有关实践调查中可以了解到，目前我国对新能源发电并网在整体的标准化设置中依然缺乏统一的标准，其中相关的法律法规尚未明确为。电力系统中有关技术人员对整个电力系统的稳定性及并网将带来的负面影响也存在把控不足的问题，这都将导致新能源发电并网的可靠性受到影响。为此，有关部门和机构要积极完善风电以及光伏设施设备，切实对电网中的逆变器和控制器进行严格管理，同时还需要对并网过程中可能出现的故障问题提出科学有效的解决方式。最后相关部门还需要严格明确不同地区的并网标准，并依据相关标准确保新能源发电并网的安全可靠性。

（二）优化应对并网波动性和间接性

尽管不能改变自然条件，但可以通过对电力设备的优化改造，使得电力并网效果得到提升，期间需要从以下几个环节对电力设备进行调节优化，使其能够更好地契合并网技术性能需求。同时还需要对并网过程中的新能源设备进行不断调试，使其在不同的输配电高峰期做好调节工作，以此为提高电网对波动性和间接性电力的整体接受能力奠定良好基础。另外，在与之相配套的发电系统中必须具有有功功率调节和无功功率调节功能，以减少新能源电能波动对整体电能质量的影响。其中在设备运转过程中发挥无功补偿功能，也能够避免在风力发电和光伏发电过程中由于电力不能持续运行而造成的损失。

（三）应用于运行稳定性问题解决

稳定性问题也是传统电源系统在运行过程中面临的重要问题。新能源发电机动态特性的弱稳定性和抗扰性给系统的稳定运行带来了新的威胁。对于传统的电力系统，小干扰和大干扰都会影响其运行稳定性。电网稳定运行的保证是基于负载的动态特性，并通过实时动态功率平衡来实现，具体包括识别干扰源，研究电源和网络的动态特性，采用各种安全自动装置，并采取系统安全保护措施。本文从两个方面讨论了系统的运行稳定性：①动态有源输出控制，可抑制系统的相位/频率波动；②动态无功输出控制，可抑制系统电压波动。

对于大型新能源集中接入系统，新能源发电机的弱稳定性和抗扰性直接影响系统运行的稳定性。具体表现为：①有源动态输出控制系统的相频干扰能力趋于减弱；②有源动态输出控制系统抑制电压干扰的能力趋于减弱。研究表明，当风轮机的输入速率较低时，新能源的输入电压主要受风轮机局部电压的影响；风轮机的输入电压受风轮机局部电压的影响较大。当风轮机的输入率高时，系统的功率角和频率稳定性主要受局部电压的影响。因此，对于大规模的新能源发电集中式并网系统，有必要考虑其输出功率特性的抵抗力和稳定性。

随着中国新能源发展的高度集中和长距离输电方式的出现，风能的波动性、不确定性、弱稳定性和抗扰性等因素对系统的影响越来越大，发电和运营的丰富性也越来越高。稳定性问题变得越来越突出。另外需要特别强调的是，上述的弱稳定性和弱抗扰度仅涉及新能源发电在机电动态时标上的动态响应。新能源发电机组除了在机电时间尺度上的稳定性问题外，还存在着在较小时间尺度上的稳定性问题，如变流器直流电压的稳定性，这也是大型新能源发电机组集中并网后系统稳定性的另一种类型。

六、风电新能源发电并网技术发展前景研究

（一）充分研发大容量风电系统

诚然，我国政府部门和相关研发机构在近几年结合具体情况和当地风能需求做了许多研究，而随着国家大规模发展风电能源，单机装机容量不断增加，将使得大容量风电系统的开发得到了相应的基础条件建设，进而将能够更好地推动风电新能源事业的健康发展。同时对其进行较高的工艺研究，特别是对相关部件及控制子系统的设计存在一些问题，将需要以研究开发大容量、高性能、可靠、稳定的风能发电机为基础，进而使得科学技术体系得到优化。期间还需要组建高素质的技术团队，对开发风电新能源的课题中的瓶颈问题融入更加具有现代化的技术，进而为提升风电新能源提供一个科学、完善的技术体系。对于并网过程中出现的不稳定现象，更加需要通过系统优化运作的方式构建更加具有完善性的体系，进而为提升风电系统运行的运行效率奠定良好基础。因此在探讨风电新能源发展前景时，必须提及大容量风力发电系统的研发，这不仅是为未来风电新能源的重要发展方向，同时也是今后风电场发展的重要方向。在未来的发展过程中，大容量风电系统将成为促进并网电能质量提升的重要基础，期间需要切实强化系统结构的设计和优化，进而使得并网过程中出现的馈线稳态电压、电压波动和闪变、电压频率以及谐波问题能够得到解决和优化。

（二）充分研究并网技术以及最大风能捕获技术

风力发电站受很多因素的影响，其中风电控制系统将会对能源开发的效果产生直接影响，而从另一个角度对风电场展开分析可以发现当其出现风力不均问题时，将会严重影响电网运行的安全性。

在风电新能源技术未来的研究中必须将并网技术相结合，并对其优缺点进行综合分析，进而使得风电新能源研究开发的技术得到提升。由于风电新能源的开发密度较低，由此许多研究小组把注意力集中在对风能的捕捉上，从而成为当今风电新能源技术发展的一个前景和目标，同时也将成为今后研究的重要方向之一。目前世界各国对并网技术的应用水平不尽相同，国内目前的研究与开发均仍处于发展阶段，有待于全面地投入到实际应用中。因此，针对目前风力发电发展状况来分析其技术发展前景时依然需要考虑多重因素。

从目前对风电新能源的研究来看，风力发电需要借助相应的工具对叶片间距和机组功率进行调整，进而使得风电开发的性能得到优化提升。风力发电系统的并网技术与最大风能捕捉技术的创新研究与开发，是当前和今后风力发电发展的重中之重。

由于电力供应和需求是社会能量流动的最大代表，因此就目前的情况来讲，能源互联网的核心依旧是电力系统，电力系统除了新能源电力系统之外，还有很多电力系统包括以消耗天然气、煤炭等不可再生资源的发电系统，还有核能作为基础的电力系统以及水利、潮汐等作为基础的发电系统，这些发电系统目前组成了我国的广域电能资源供应网络，其整体的能量和信息的流动可以对我国的能源互联网的情况进行一个客观地反映。我国目前正处于能源改革的关键转型时期，在这样一个特殊的时期，在进行能源互联网搭建的过程中，就必须要考虑未来我国的能源发展。就目前的国际形势和我国的政策导向来看，未来的广域电力供应系统的重心会逐步向新能源电力系统倾斜，因此需要运用好广域能源资源协调优化规划技术，对当下的能源互联网做好搭建和维护的工作的同时，还要着眼未来，进行有目标、有计划的整改和规划。

（三）利用大数据技术在能源供给侧构建“智慧电源”模式

风电新能源的开发前景与大数据技术的结合是新时代的必然趋势，期间需要建立起以“云能云”为依托的能源网络体系，进而使得电力系统能够实现电源侧数据集中与共享技术的突破。风电新能源的技术开发就进步需要以高端技术人才作为基础，期间需要通过大数据优化发电站，实现发电站、水库以及水库群之间的联合优化生产，进而使得电源终端设备的运转效率得到提升。在风电新能源开发过程中还需要切实做好相应的监控、统一数据汇集以及配置技术优化，进而为提升对智能发电关键技术的研发力度奠定良好基础。在研发的一系列程序都要求研究开发人员充分运用高科技，并有有效率的制度管理方法来协助研究小组，以确保研究小组围绕能源应用重点领域和工业用能需求，加强用能大数据采集、分析、应用等方面的技术支持，以高效的体制管理方法对基础数据内容进行整合管理。

并且需要综合能源供求历史数据和增量数据，面向主管部门、重点行业、领域，建立能源供需数据动态匹配系统，有效提高能源供需侧信息服务能力。根据能源供求的动态匹配需要，开展人工智能的应用研究，建立一种能适应特定范围的能源供需动态匹配指数分析、能源调度决策辅助。通过智能技术手段的融入，使得风电新能源技术的研发方向能够更加精确，并且在未来的研发中将能够更好地利用大数据发掘风电新能源的发展机遇。

在未来，能源互联网和新能源电力系统的衔接想要再上一个台阶，那么首先需要提升对能量流的交互技术的研发，实现在能量流动的过程中携带信息的目标，目前日本、美国等发达国家已经开始对“数字电网”这个能量与信息紧密交互的概念进行研究。

七、结束语

总而言之，在未来的能源行业发展中，新能源发电将成为提升我国供电稳定性的重要方式，但由于新能源发电方式在并网的过程中将会出现馈线稳态电压、电压波动和闪变、电压频率以及谐波等方面问题，将使得电能质量难以得到优化提升。本文主要对新能源发电并网对电网电能质量的影响以及应对策略进行分析，以期更好地提升电网电能整体质量水平。