新能源接入電網引起的電能質量問題——專訪中國電力科學院電能質量專家于坤山（摘選）

新能源接入電網引起的電能質量問題
——專訪中國電力科學院電能質量專家于坤山（摘選）

【專家簡介】于坤山，男，1963.1生，碩士，湖南臨澧人，教授級高工。1994年被批準享受國務院政府特殊津貼的專家，1999年獲得人事部有突出貢獻的中青年專家稱號和首屆中國電機工程青年科技獎。電力行業電能質量及柔性輸電標準化技術委員會副主任委員?，F任輸配電及節電技術國家工程研究中心總工程師、中國電力科學研究院電力電子研究所所長。

記者：于總，您好！非常感謝您在百忙之中就電能質量的有關問題接受我們的采訪。新能源是目前比較熱點的話題，能否請您談談這方面的情況？

于坤山：新能源又稱非常規能源。是指傳統能源之外的各種能源形式。一般地說，常規能源是指技術上比較成熟且已被大規模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規模利用、正在積極研究開發的能源。因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作常規能源，而把太陽能、風能、現代生物質能、地熱能、海洋能以及核能、氫能等作為新能源，其中太陽能、風能、現代生物質能、地熱能、海洋能又稱為可再生能源。隨著技術進步、節能環保和可持續發展觀念的建立，過去一直被視作垃圾的工業與生活有機廢棄物被重新認識，作為一種能源資源化利用的物質而得到深入研究和開發利用，因此，廢棄物的資源化利用也可看作是新能源技術的一種形式。

相對于傳統能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環境污染和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。面對石油、煤礦等資源將加速減少的趨勢，核能、風能、太陽能等新能源將成為主要能源。

記者：在所有新能源中，目前已進入工業應用并對電網產生沖擊和影響電能質量的新能源發電型式主要是什么？

于坤山：在所有新能源中，目前已進入工業應用并對電網產生沖擊和影響電能質量的新能源發電型式主要為：風力發電和太陽能發電。

一、風電接入對電網的影響主要表現在以下幾個方面：

(1)風況對并網風電機組引起的電壓波動和閃變影響很大，尤其是平均風速和湍流強度的變化。

(2)隨著風速的增大，風電機組產生的電壓波動和閃變也不斷增大。當風速達到額定風速并持續增大時，恒速風電機組產生的電壓波動和閃變繼續增大，而變速風電機組因為能夠平滑輸出功率的波動，產生的電壓波動和閃變則減小 。

(3)湍流強度對電壓波動和閃變的影響較大，兩者幾乎成正比例增長關系。

(4)在塔影、風剪切和有限的槳距調節范圍的聯合作用下，恒速變槳距風電機組持續運行過程中的功率波動幅值非常大，從而產生較大的電壓波動和閃變。恒速變槳距風電機組可以控制葉輪轉矩，啟動時產生的電壓波動和閃變比較小。

(5)恒速定槳距風電機組,由于啟動時無法控制葉輪轉矩，而持續運行過程中的功率波動較小，所以在切換操作過程中產生的電壓波動和閃變要比持續運行過程中產生的電壓波動和閃變大。

(6)變速恒頻風電機通過整流和逆變裝置接入系統，變流器始終處于工作狀態，其產生的諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關系，即與風速大小、變流器裝置的設計結構及其配套安裝的濾波裝置、電網的短路容量等有關。

二、太陽能發電站接入對電網的影響主要表現在以下幾個方面：

(1)太陽輻射變化引起的發電功率的波動，引起接入點電壓的變化。

(2)采用逆變器接入電網方式，其逆變器運行中會產生一定量的高次諧波。應關注諧波對補償電容器和用電設備的影響。

(3)對于并網運行的太陽能電站，當發電容量超過負荷需要的功率時，會出現逆向潮流，此時應關注逆向潮流的影響，并采取相應的控制和保護措施。

(4)因各種故障，發生太陽能電站所在系統與接入電網解列時，形成孤島運行，此時應評估系統的運行能力和相應的減載、控制及保護措施，以確保系統可靠和再接入時的穩定。

記者：請您具體介紹風電并網對電網電能質量的影響？

于坤山：風力發電機組在正常運行時給電網帶來電能質量影響的主要三個方面：

一：諧波

風電給系統帶來諧波的途徑主要有兩種:一種是風力發電機本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。 對于直接和電網相連的恒速風力發電機,軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連,會產生一定的諧波。

由于補償風力發電機功率因數的并聯補償電容器也可能和系統電抗發生諧振,而造成對諧波的的放大。

圖一：恒速風電機組的電流和電壓波形

二：電壓穩定性

大型風電場及其周圍地區,常常會有電壓波動大的情況。風力發電機組啟動時,會產生較大的沖擊電流。單臺風力發電機組并網對電網電壓的沖擊相對較小,但并網過程至少持續一段時間后 (約幾十秒)才消失。多臺風力發電機組同時直接并網會造成電網電壓驟降,因此多臺風力發電機組的并網需分組進行,且要有一定的間隔時間。當風速超過切出風速或發生故障時,風力發電機會從額定出力狀態自動退出并網狀態,風力發電機組的脫網會導致電網電壓的突降,而機端電容補償裝置，抬高了脫網前風電場的運行電壓,脫網后引起電網電壓的急劇下降。

三：頻率穩定性

大型電網具有足夠的備用容量和調節能力,風電接入,一般不必考慮頻率穩定性問題,但是對于孤立運行的小型電網以及風電裝機容量達到或超過電網裝機容量的20%時，風電帶來的頻率偏移和穩定性問題不容忽視。

為保證電網安全穩定運行,電網正常應留有2%～3%的機組旋轉備用容量。由于風電具有隨機波動特性,其發電出力隨風力大小變化,為保證正常供電,電網需根據并網的風電容量增加相應的旋轉備用容量,風電上網越多,旋轉備用容量也越多。為了保證風電機組運行的安全穩定和提高整個電網的運行經濟性,必須考慮適當的應對措施，如采用風電與水火電打捆外送、采用靈活交流輸電技術進行動態潮流和動態無功電壓控制、采用大功率儲能裝置進行波動功率的快速跟蹤調節等。

記者：請您具體介紹光伏發電并網對電網電能質量的影響？

于坤山：先介紹一下太陽能光伏發電系統的組成：

太陽能光伏發電系統主要由太陽能光伏電池組件，光伏系統控制器，蓄電池和交直流逆變器等主要部件組成。

從光伏發電系統的組成可以看出，光伏發電系統直接與電網連接的設備就是并網逆變器。逆變器是通過功率半導體器件的開通和關斷作用，把直流電能轉變成交流電能。在電能的轉換過程中，逆變器會吸收無功功率、引起諧波和直流量注入問題。現代逆變器技術，可以達到較高的功率因數（一般0.95以上），其無功功率可以通過采用無功補償的方式予以解決。逆變器注入電網的諧波電流大小與輸出功率、電網電壓和運行工況等因素有關，其諧波電流的發生量和諧波的頻譜都會發生變化。

記者：新能源接入電網引起的電能質量問題，如何進行改善？

于坤山：為適應未來新能源快速發展的趨勢，電網和新能源發電企業需要共同應對這一挑戰，電網企業需要加強電網的建設，采用先進的技術積極構建堅強的“智能電網”，以接納更多的新能源發電電源；新能源發電企業也需要采取更先進的發電技術，最大限度的消除自身對電網的擾動，同時采用動態無功補償、諧波治理和大容量儲能技術，將新能源發電所造成的影響限制在較小的范圍內。