新能源發(fā)電并網對電網電能質量影響分析

景佳佳

摘要：闡述了由于新能源并網發(fā)電系統(tǒng)出力的間歇性和不確定性等特點，接入電網后將對電網電能質量造成不利影響。利用風電場和光伏發(fā)電站的實測電能質量數據，從饋線穩(wěn)態(tài)電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率質量以及諧波等方面，系統(tǒng)地分析了新能源發(fā)電站對電網電能質量可能產生的影響;結合仿真實例分析了不同穿透比例時新能源發(fā)電功率波動引起的電網頻率波動，以及電網不對稱故障使新能源發(fā)電機組產生的附加諧波電流。指出亟需建立新能源并網發(fā)電系統(tǒng)量測平臺和綜合評價體系。

關鍵詞：新能源并網發(fā)電;電能質量;

風力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式發(fā)電技術已成為最具開發(fā)潛力的可再生能源發(fā)電技術。為保證可再生能源的最大利用率，并網新能源發(fā)電系統(tǒng)都采用適當控制策略盡可能保證有功功率的最大輸出，由于風電場風速（或光伏電站光照強度）動態(tài)波動變化，新能源并網發(fā)電站的輸出功率存在較大隨機波動，間歇性的功率波動將對大電網的電能質量造成不利影響。當大電網具有足夠的備用容量和調節(jié)能力，一般不必考慮新能源發(fā)電站功率波動引起的頻率偏差，而主要考慮功率波動引起的電壓波動和閃變。一旦新能源發(fā)電站所接入電網的有功調節(jié)能力不足，則決定新能源發(fā)電站穿透功率極限的主要因素是電網頻率波動和穩(wěn)定性。新能源發(fā)電站的接入對于電網電能質量將產生較大影響，有必要研究新能源發(fā)電站引起的電能質量問題，以保證并網新能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行。

1. 新能源電源并網對電能質量的影響

1.1 風力發(fā)電并網

早期的風力發(fā)電機單機容量較小，多采用與配電網直接相連的異步電動機，且處于供電網絡的末端，抗沖擊的能力較弱。之后，變速風機、雙饋感應電機等新型發(fā)電機組開始得到推廣，有效地提高了風力發(fā)電的效率，但大規(guī)模風電引入電網，對系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質量等產生的一些負面影響仍然不容忽視。

（1） 由于風能具有隨機性、間歇性，風電機組輸出的電能也是波動、隨機變化的，具有不可控的特點，因而穩(wěn)定性較差，不能保證不間斷供電。

（2） 雖然目前風力發(fā)電機組大多采用軟并網方式，但并網瞬間會產生較大的沖擊電流。

（3） 當風速超速時，風電機組會從額定狀態(tài)自動退出運行，風電機組的投切產生的電壓波動和閃變是風力發(fā)電對電網電能質量的主要負面影響之一。

（4） 風速的變化導致風機出力的變化，隨著風速的增大，電壓波動和閃變也越明顯。

（5） 風機特有的風剪切、塔影效應，風電場公共連接點的短路比和電網線路的電源阻抗電感和電阻比（X/R）也是引起電壓波動和閃變的重要因素。對于接于電網薄弱節(jié)點的風電場而言，電壓波動和閃變尤為明顯。

（6） 風電機組并網采用了大量的電力電子設備，對于需要通過整流和逆變接入電網的變速風力發(fā)電機而言，會產生嚴重的諧波問題。

1.2 太陽能光伏并網

太陽能光伏并網利用太陽能光伏陣列產生的直流電，經電力電子變換裝置轉換成符合要求的交流電后，直接或經變壓器接入電網中。我國太陽能光伏發(fā)電技術已比較成熟，呈現出各地“分散開發(fā)、低電壓就地接入”與荒漠地區(qū)“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”并舉的發(fā)展特征。光伏電站運用最大功率點跟蹤技術提高系統(tǒng)效率，充分利用太陽能的時間分布特性起到削峰作用，這也是光伏發(fā)電相對于風電的一個優(yōu)勢。但光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境溫度、太陽光照強度和天氣變化影響，具有隨機波動性，造成發(fā)電功率的劇烈變化。

（1） 由于陽光的晝夜變化，光伏發(fā)電裝置只在白天工作，晚上切離電網，不但影響了設備的利用效率，且頻繁投切也會對電網的穩(wěn)定性造成影響。為盡可能提高太陽能的利用率，提出了最大功率點跟蹤控制法，但僅是最大功率點跟蹤無法做到有功輸出可調，有功調節(jié)技術還需使用儲能，實現對電網的有功支持。

（2） 光伏發(fā)電對電網的另一個負面影響是諧波污染。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般通過逆變裝置轉換才能接入公共電網，這些逆變裝置通過適當的控制策略能夠實現有功和無功的解耦控制，在一定程度上實現了補償無功，控制功率因數和抑制諧波的作用。在實際的運行過程中，當逆變器輸出輕載時，諧波會明顯增大。

1.3微型燃氣輪機并網

微型燃氣輪機是新興發(fā)展起來功率為幾百 kW 以下的小型熱力發(fā)動機，具有體積小、質量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單等特點。根據結構的不同，微型燃氣輪機分為兩種：一種是高速燃氣渦輪驅動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，再經過電力電子變流裝置轉化為工頻交流電向用戶供電;另一種是渦輪機通過變速齒輪箱驅動同步發(fā)電機直接并網。通常情況下，微型燃氣輪機的輸出功率與燃料量有關，因此，它的有功功率是可以控制的，與風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)不同。對于需由變流轉換裝置并網的微型汽輪機，同樣存在因電力電子設備整流逆變帶來的諧波污染問題。

以上分析及其他的研究表明，分布式電源并網對電網電能質量的影響主要表現為：

（1） 受環(huán)境和氣候條件、用戶需求、政策法規(guī)等因素的影響，分布式電源的起停與投切，其不確定性易造成配電網明顯的電壓波動和閃變。同時，DG 的控制設備和反饋環(huán)節(jié)的相互作用也會直接或間接引起電壓閃變。

（2） 分布式電源采用基于電力電子技術的逆變器接入配電網，與傳統(tǒng)電網的方式有很大不同，開關器件的頻繁開關易產生開關頻率附近的諧波分量，對電網造成諧波污染。

（3） 分布式電源常位于配電網的終端，離負荷較近，輸出的無功會使負荷節(jié)點處電壓升高，甚至超出電壓偏移標準。當分布式電源退出運行時，受其影響較大的節(jié)點負荷又因缺少電壓支撐而遭受低電壓等嚴重電能質量問題，受影響程度的大小與分布式電源的類型、位置和容量有關。

2. 新能源發(fā)電對電網頻率的影響

電力系統(tǒng)運行中頻率異常的情況很少發(fā)生，并網光伏發(fā)電站的頻率變化曲線，可見當光伏發(fā)電站容量較小時即使在多臺機組投切時也不會引起電網頻率越限。當新能源發(fā)電站的發(fā)電容量占電網內總發(fā)電量比例逐步增大后，由于新能源發(fā)電機組出力具有一定的隨機性，可能導致電網內的頻率時常出現波動，對用戶和電力系統(tǒng)本身都會造成不良后果。將風電場功率波動對電網的影響等效成一個傳遞函數即為火電機組轉速變化與風電場的輸出功率波動的傳遞函數，建立了風電功率波動對系統(tǒng)頻率的評估模型，并得出考慮火電機組的自動發(fā)電控制系統(tǒng)時0.01 ～1.0 Hz 的功率波動對大電網的影響最大。

3. 新能源發(fā)電對電網諧波的影響

新能源并網發(fā)電站主要包括并網光伏發(fā)電站和并網風電場兩種類型，由于并網光伏逆變器的絕緣柵雙極型功率開關（IGBT）的物理特性，以及采用脈寬調制控制方法的逆變器自身特點，并網光伏電站運行時會產生相應的電壓電流諧波，且由光照強度變化（如自然光照強度變化、浮云的陰影效應、物體的陰影效應等）引起光伏電站輸出功率的波動間歇變化以及光照不對稱都會引起諧波污染。并網光伏發(fā)電站在晴轉多云天氣的實測電流諧波畸變率曲線，可見在出力較小的凌晨和傍晚時電流諧波畸變率較大，中午多云時電流諧波畸變率也有所突增。

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