新能源并网过程中电能质量问题研究

南京国联电力工程设计有限公司 顾晓斌

十三五以来我国新能源发电装机容量不断增加，2020年可再生能源发电机装机容量达到9.34亿千万，约占全国发电装机容量的44.6%。新能源占比的逐步提高，在很程度上实现了发电体系的绿色化、生态化属性，但由于新能源发电原理的特殊性，使其在并网过程中暴露出电能质量不佳等问题，需要电力部门采取妥善的技术举措，持续提升电能质量水平，有效解决并网技术难题。

1 新能源并网主要类型分析

为科学解决新能源并网过程中电能质量管理的有效性，需着眼于实际，对新能源并网基本类型、主要方式进行总结，通过并网方式的客观梳理，为后续电能质量的管理提供方向性引导。

1.1 风力发电并网类型

风力作为新能源体系的有机组成部分，是现阶段新能源发展的重要方向。根据国家能源部门公布的数据，2020年我国风电累计装机容量达到2.81亿千瓦，居世界第一位。为实现风力资源的合理化适应，逐步扩大风电资源在电力能源中的占比，相关技术团队采取多元化的并网方式实现风电的快速接入，满足实际的电力资源使用需求[1]。从现阶段来看，风力发电并网主要包括了异步发电机并网、双馈发电机并网、直驱同步发电机并网等不同的并网技术手段。

1.2 光伏发电并网类型

国家能源部门公布数据，2020年国内光伏雷击装机量达到253GW，新增装机量48.2GW，光伏发电规模的扩大，要求电力部门在进行光伏并网技术过程中，需要采取合理的手段以实现电力资源的合理化应用，强化光伏发电的实用性。经过多年的探索，电力部门对于光伏并网技术进行了深入探讨，逐步形成了一整套完备并网技术方案。具体看，光伏发电设备在并网过程中主要采取工频变压、高频变压、无变压等方式来完成相应的技术动作。光伏工频变压器并网过程中，借助工频变压器将光伏发电设备输出的平波逆变为滤波，经过参数的转变后进入到现有的输电网络中，这种技术处理方案有效防范了直流偏磁情况的出现，控制了谐波发生机率，稳步提升光伏发电并网质量。

光伏无变压器连接并网过程中，借助升压斩波器、逆变器及滤波器等设备组件，将光伏设备与输电网络连接，为确保电压、电流、谐波等基本参数处于合理的区间范围内，技术人员设置了隔离变压器，确保光伏发电中的直流分量不会快速进入到主流电网之中，从而规避了直流偏磁情况的出现，控制了电力网络整体的谐波数值[2]。但这种方案仍存在直流分量进入输电系统的可能性，在实际的电能质量管理环节需采取恰当的技术手段进行应对处理。光伏高频连接并网过程中采取变压器隔离技术方案，实现高频逆变，逆变处理后通过整流逆变等方式将光伏发电并入到输电网络之中，实现了电力资源的高效应用。

1.3 燃料电池并网类型

燃料电池作为一种新型的能源模式，近年凭借其发电能力强、清洁高效、无污染的特点，逐步成为主流的新能源技术方案。根据S&P 全球市场情报公司的数据，燃料电池产业快速发展，市场需求明显提升，以燃料电池生产企业FuelCell Energy 为例，2020年该公司股票涨幅达到345%，燃料电池使用需求的增加对并网技术提出了更高要求，通过科学的并网处理，可最大程度地保证燃料电池的实用性，降低使用成本，提升电能质量。在实际操作过程中，燃料电池发病并网的接口区域需提前设置逆变器等设备，通过逆变器等设备的介入实现对燃料电池直流分量、谐波等问题的有效处置，切实满足并网后电能质量的管理要求，避免并网技术操作不当引发不必要的技术后果，造成电能质量的下降。

1.4 燃气轮机并网类型

小型燃汽轮机的发电功率往往在100kW 以下，依靠天然气、煤油以及柴油等作为燃料驱动汽轮机运转，完成发电等任务。与传统的发电技术相比，燃气轮机发电具有造价低、效率高以及污染少等特点，但在使用过程中需注意，当燃气轮机的转速达到10万转/分钟时，其输出的电流频率较高，在并网过程中需通过整流逆变处理方案才能与交流电网进行连接，保证电力资源的可用性，实现用电质量的全面改善，切实满足现阶段电力资源的使用需求。

2 新能源并网过程中影响电能质量的主要因素

新能源部并网过程中，在多种因素的影响下导致电能质量下降，影响实际的使用效果。为妥善解决这一问题，在进行并网处理环节应根据影响因素的具体表现采取必要举措，做好科学化处置，以理顺并网技术流程。

2.1 电网电压的影响

新能源在并网过程中，电压对电能质量的影响是多方面的，涉及到馈线稳态电压、电压波动等因素，对这些因素的系统性评估，对于后续电能质量的整体管控有着极大的裨益。现阶段，对于调节电压的接入往往采用LTC 及投切电容器来实现，在这种情况下，如并入电网中的新能源占比较大，则新能源固有的波动性会对线路的负荷产生较大程度的影响，导致整个电压调整难度较高[3]。

具体来看，当主变电站与新能源发电站间的距离较大时，馈线电压将保持在较高的水平，且二者呈现出相关关系，电压的升高间接造成电站上游区域输送功率的下降，某些极端条件下甚至会发生逆流的情况，导致电能质量达不到使用需求。新能源发电机组在开机、停机过程中会出现波动，这种波动在补偿电容的放大作用下出了闪变等问题。以风电并网为例，由于风速的不确定性导致其闪变发生频率较高，造成了电力系统的不稳定性。

2.2 电网频率的影响

现阶段，在新能源并网过程中发生频率异常的机率相对较低，以光伏发电为例，由于发电站容量规模较小，即便多台机组同时进行发电作业，其频率波动幅度始终保持在合理的区间范围内。但需注意，光伏发电受到外部天气等因素的影响较大，发电容量呈现出一定程度的随机性，这种随机性使得频率波动较为频繁，无形中对电力系统的稳定运转以及用户的使用产生了消极影响。以风力发电为例，风电场的功率波动在某种程度上可视为传递函数，较为直观的说明风电厂输出功率频率波动与火电机组转速变化间的相互关系，当风电场波动频率在0.1～1.0Hz 时将会对火电机组的转速产生影响，进而影响输电线路运行的稳定性。

2.3 电网谐波的影响

电力企业尽管针对于新能源并网采取了针对性的技术方案，提供给逆变器等设备组件对新能源发电的相关特性进行调整，但从实际情况看，新能源并网过程中仍会出现谐波。新能源的不连贯性导致其电压、电流始终难以形成稳态，变化的电压与电流进入到输电线路将会产生非线性负荷，不仅增加了电力系统的运转负荷，造成系统功率因数的下降，影响了发电、输电及用电设备的正常运转，同时谐波产生的脉动转矩对于输电线路连接的电力设备产生破坏作用，缩短电力设备的使用寿命。基于谐波的危害性，在开展电能质量管理的过程中需要采取相应举措进行处理应对[4]。

3 新能源并网中电能质量提升的主要策略

新能源并网环节电能质量的提升，要求在客观分析并网方式、影响因素以及评价指标的基础上，以科学性原则、实用性原则为框架，采取必要的技术举措有针对性地解决各类问题，促进新能源并网工作的顺利进行。

3.1 细化电能质量评估指标

新能源并网在电能质量提升工作开展之初，为保证电能管理的有效性，应系统掌握电能质量评估指标、以评估指标体系的创立为前提，推动后续电能质量提升工作的有序开展。根据以往新能源并网的经验，电能质量评估指标应涵盖电压、电流以及谐波等相关参数，通过对相关参数的精准化把控，可在较短时间内明确不同评估指标对于电能质量的影响程度，对后续各项工作的开展提供方向性引导，确保电能质量评估的有效性。在这一过程中，可采取数学模型的方式对电能质量评估指标开展量化分析，从而排除主观因素的干扰，保证了数据处理的真实性与有效性。

电压偏差评估环节可利用ΔU（%）=U-UN/UN×100%，其中ΔU 表示电压偏差，U 表示实测电压、UN 表示额定电压，ΔU 数值越大表明输电线路内的电压差值越大，电能质量越不满足实际的使用需求。新能源并网频率偏差作为衡量电能质量的重要指标，是指在输电线路频率发生变化时实测频率与标称频率之间的差异，其数学表达式为Δf=f-fn，其中Δf表示频率偏差，单位Hz；f 表示实测输电线路频率，单位Hz；fn表示输电线路标称频率，单位Hz。根据以往的经验，整个电力系统标称频率应当为50Hz。电网谐波在分析过程中利用数学模式进行相应分析，以准确掌握某个周期内输电线路内是否出现谐波等相关情况，为电能质量的有效管理提供方向性引导。

3.2 电能质量评估方法

针对于现阶段新能源并网过程中电能质量管理的相关要求，可采取时域仿真、频域分析等方式完成对电能质量影响因素的精准化评估。以时域反震为例，其利用微分方程对电力系统进行客观描述，技术人员通过描述结果，降低电能质量暂态情况的分析。在这一过程中还充分利用了各类软件平台，依托软件平台强大的数据计算能力，可在较短的时间周期内，快速完成各类电能质量问题暂态现象分析评估等系列工作，排除干扰因素的影响。同时针对于不同的电能质量影响因素，可采取差异化的评估方式。例如针对于谐波问题，可采用频域分析法，通过输电线路频率扫描、谐波潮流计算等相关方式帮助技术人员，更好地确立谐波状态，并在此基础上采取相应的谐波处理举措，有效解决谐波等系列技术问题，保证输电线路的电能质量。

3.3 电能质量管理方法

电能质量管理工作开展过程中，要根据并网方式的不同采取针对性的管理举措，通过增加必要的硬件设施等手段强化并网管控，将电压、频率及谐波等控制在相应的区间范围内，避免电压偏差等因素影响并网电能质量管理。以风力异步发电机并网工作为例，在电能管理过程中，相关机械设备处于发电状态，将机械能转化为电能输送到电力网络之中，在能源转换环节，由于运行环境的变化，异步电机的转速逐步同步，进而诱发出并网冲击大以及无功损耗大等系列问题，产生额外的电力损耗，出现电能质量下降等系列问题。风力双馈发电机与绕线式感应电动机相似，定子绕组直接接入到电网之中，转子绕组在三相电流的影响下会形成低速旋转磁场。定子与转子的相互叠加使其形成了同步转速，加之在外部风速变化的影响下机械转速变化较为明显，在这种情况下转子电流的频率及旋转磁场也会出现相应的改变，进而导致补偿电机速度的运行速度发生改变。

风电直驱同步发电机的出口电压在达到幅值、频率、相序以及相位等相关因素后，才可进行并网处理，以确保系统频率保持在同步状态。但是对于风力发电而言，由于自身波动较大，在采取同步电机进行并网时。往往借助于逆变器对并网过程中的主要参数做好控制，以实现并网、控制的可行性。风力发电并网过程中，通过必要的参数调整可实现风力发电过程中电力资源的快速汇入，确保电力资源的快速整合，实现电能质量的初步管控，较好地满足电力用户的电力资源使用需求。