風力發電和光伏發電并網問題分析

譚志杰

（深圳能源集團股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 風力發電和光伏發電并網的特點及現狀

1.1 并網型風力發電的特點及現狀

目前，我國大力開發風力資源。并網型風力發電以大電網作為發電基礎，實現資源的充分利用。風能是一種可再生能源，在實際應用中利用專業技術實現循環利用。作為現代化清潔能源，風力發電在使用過程中對周圍的環境污染非常小。并網型風力發電雖然優勢比較明顯，但是此種風力資源在應用方式上存在不足。由于風力資源自身的特點，導致相關部門不能嚴格掌控，目前的并網型風力發電相關技術并不成熟，還處于發展階段。此外，發電過程中不能提前將風力資源大規模儲存。但是，充分利用好并實現節能環保是世界范圍內的發展形勢，因此未來并網型風力發電將會有很好的發展前景。當前，我國在并網型風力發電研究中投入了大量人力物力，將進一步開展此方面的研究[1]。

1.2 并網型光伏發電的特點及現狀

并網型光伏發電系統和電力系統相連接組成光伏發電系統。光伏發電系統的最大作用是為整個電力系統提供有功功率和無功功率。該過程是將光熱源的方式轉化成電能，然后將產生的電能利用變壓器變換成同電網一致等級的電壓，進而傳輸到電網中進行輸送。所以，并網型光伏發電系統不需要使用電池。電池使用會增加大量的資金消耗，而且電池本身具有污染。光伏發電可以實時對整個系統供電，這種形式比傳統的火力發電更加安全可靠，且不會產生噪音，有利于環保。在日常使用過程中，它不存在高難度操作，而且可以和環境協調共處。現階段使用光伏發電的速度非常快，而且國家也在不斷投入資金和人員進行研究。

2 風力發電和光伏發電并網過程中的問題

2.1 并網過程中出現孤島效應

兩種發電方式在并網過程中由于電網系統維修或者在故障時很容易出現孤島效應，會導致風力發電和光伏發電系統與整個電網呈脫離狀態，形成一個自給供電的孤島效應。當主電網與部分電網斷開后，會導致孤島部分的供電完全由風力發電或者光伏發電系統提供，其系統內部會出現某個區域有電流流通而實際中卻沒有電流通過的情況。此種情況主要是由于發電過程中總容量過大，會威脅人們的生命安全和用戶用電出現不穩定狀態。要想解決孤島問題，必須人為手動或利用設備自動關合，使系統重新向孤島區域供電。這種情況很容易出現不良反應，孤島區域突然連通電路并流通電流會導致此部分電壓短時間內快速升高，雙重作用下對設備有很大的沖擊，嚴重會損壞設備，不利于配電系統的保護裝置正常作用。所以，需要在系統內部配備專門的設備來預防孤島效應的出現。現階段利用電力系統研制的逆變器可以有效預防孤島效應，根據需要分為被動狀態和主動狀態。被動狀態下實時探測電網電壓、頻率變化，而主動狀態下的系統更加完善，擁有對電網頻率的移位、相位跳躍、電流不穩的情況的實時監控。目前，我國大部分地區風力發電和光伏發電應用廣泛，但是由此引發的孤島效應危害隨著增大，相關地區需要基于實際問題研究預防孤島效應的技術[2]。

2.2 自然因素影響并網可靠性

在風力發電過程中，風速具有不可控性和隨機性。由于風電機組本身的運行特性，導致風力發電頻率和輸出功率波動較大，且導致電壓頻繁波動和閃變。風力發電引起的電壓波動和閃變的根本原因是并網風電機組輸出功率的不穩定性造成的，典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發電機切換，其中發電機切換僅適用于多臺發電機或多繞組發電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節點的電壓波動和閃變。此時，風力發電接入電力系統后，將嚴重影響整個系統運行電壓和頻率的穩定性、安全性和可靠性。風電系統與電力系統并網初期容易產生電壓諧波，如果在并網時風速變化過快，在風電場和風機附近的電壓可能發生閃絡，嚴重影響并網后電力系統運行的可靠性和安全性。光伏發電是利用半導體界面的光伏效應將光能轉換成電能，因為光強度受季節、濕度和天氣等自然因素影響較大，導致光伏發電的功率穩定性較差，使得并網后很難相互融合，而電力系統繼電保護裝置也不能很好地適應新能源系統，會因為電壓波動較大導致保護裝置誤動作，影響電網總體運行的可靠性和安全性。

2.3 發電機組制作技術因素影響并網可靠性

我國積極引進國外先進的發電機組制作技術，通過技術引進實現自主生產關鍵元器件，并應用在實踐中實現大批量生產。目前，我國掌握的風力發電和光伏發電技術還遠遠不夠。縱觀國內相關的研究理論，還沒有關于風力發電和光伏發電方面系統、科學、合理的理論指導，導致實際生產過程中出現機組設計不合理、制造組裝不科學的問題，一定程度上增加了發電機組制作過程中某部位的不穩定因素，不利于保障并網系統運行的安全可靠性。系統運行過程中，由于風電和光電容量不斷增加帶來了一定的安全風險。此外，目前關于電力可靠性運行標準和相關規程只是被電力電監會管理部門起草發布，并沒有正式實行。已經在實踐中應用的規范更多是關于系統無故障運行時間方面的測試，并不涉及風電和光伏發電系統運行的可靠性與安全性問題。相關制造產業考慮自身的利益和業績，對機組制造投產后運行問題不重視，在機組制造過程中沒有充分考慮相關因素，也會在一定程度上降低風電和光電可靠性和安全性，在后續投運使用過程中并網后的相關問題更為明顯。我國在未來發展中應該在風電和光電技術領域不斷探索，在實踐中掌握核心技術，提升風電和光電機組在設計組裝過程中的科學合理性，為并網電力系統的安全生產打下基礎。管理部門也需要完善相關標準，加強監督管理，提升并網可靠性[3]。

2.4 增加企業經濟負擔

雖然風力發電和光伏發電在使用過程中可靠性較差，但是兩種發電方式都與目前世界范圍內追求綠色環保的理念相互契合，優點非常突出。所以，在未來發展中風力發電和光伏發電的并網前景非常好。但是，新能源的發展勢必會影響到傳統發電模式，導致火電廠的設備被閑置。所以，可以考慮當風力發電和光伏發電并網發電應用中出現故障時，利用傳統火力發電也是一項備選方案。這種概率非常小，而且要保證原有設備能夠正常使用需要定期進行設備的維修養護，這需要企業投入人力、物力和資金，無形中增加了電力企業發展的成本，影響企業的發展效益。

3 風力發電和光伏發電并網的解決措施

3.1 探究更有效的新型配電系統

基于風力發電（如圖1所示）和光伏發電（如圖2所示）二者并網后的運行特點探究更加有效的新型配電系統，除研究配電系統理論之外，還需要考察優化的風力發電和光伏發電電源的具體方位，深入研究接入方位、二者的容量比較、并網方式以及減少對并網系統電壓諧波和電壓波動的影響。在未來發展規劃中，要考慮影響電網合理運行的主要因素，從客觀角度進行評價，保證風力發電和火力發電并網后系統的安全性，實現經濟與環保的統一。

圖1 風力發電系統

圖2 光伏發電系統

3.2 完善光伏與風力發電系統

使用光伏發電（如圖2所示）主要是通過微網進行傳遞，將特有的光伏發電網絡融入整個電力企業，通過微網方式，有效解決電力系統在運行過程中出現的一系列故障。電力系統出現故障比較復雜，而且基于電氣量故障自身多變的特點或增加電力系統檢測的難度，對系統運行過程中電力系統的保護程序有一定的抑制影響，增加了相關人員的日常檢修工作量，而且提出了更高的技術要求。面對此種發展現狀，電力企業需立足實踐，根據實際運行中的故障問題進行深入研究，分析具體的保護方式，實現技術上的創新。對于風力發電來說，要集中投產，不宜分散投產。風電項目多處于風力資源較為豐富的地區，離負荷中心較遠，輸電線路建設較為滯后，通道斷面約束大，需要對其整個系統進行規劃和設計，使風機并網過程減少產生次同步振蕩的現象，進而避免損害風機和威脅電力系統穩定的情況發生。

3.3 加大并網“孤島效應”檢測力度

并網“孤島效應”可以分為兩種檢測方法：一種是主動檢測方式，另一種是被動檢測方式。

3.3.1 主動頻率偏移法檢測孤島效應

所謂的主動頻率偏移法檢測孤島效應，主要是以逆變器的輸出頻率為基礎，在并網逆變器負載的影響下，當并網時可能出現斷點發生的反向輸出電壓的頻率。此種情形下，并網后逆變器的輸出頻率會出現誤差，如果出現時間過長，就會引發“孤島效應”。此時，檢測裝置將檢測到的結果發送到運行值班處，通知相關人員進行處理。

3.3.2 被動的相位偏移法檢測孤島效應

以電網正常運行為基礎，在風力發電和光伏發電的并網過程中逆變器發揮有效作用，使得并網系統與公共電網輸出電流的頻率一致，但事實需要考慮公共電網出現故障的情況，此時會導致整個電網癱瘓。并網中逆變器電流的輸出與公共電網出現較大的相位差時，需要及時對并網系統與公用電網電流輸出的差距進行檢測，了解其電壓電流的變化，直接分析并網系統中是否存在孤島效應。此種檢測方式操作非常簡便，并且可以直觀了解實際情況，被廣泛應用。

4 結 論

本文分析風力發電和光伏發電的現狀，對二者發電存在的問題提出相關應對措施。這兩種新能源與國內傳統使用的能源存在相對較大的差異，所以在實際運行過程中要基于實際問題采取針對性解決措施，不斷提高孤島效應檢測的力度，加強新型配電系統的研究和改進，促進我國新能源電力行業更好發展。因為光伏發電具有多重優勢，所以從社會視角來說，光伏發電在全球可持續發展進程中將扮演不可替代的角色。這不僅是從環境的角度來考慮，更是從能源可持續和社會可持續的角度來思考。但是，應該對光伏發電行業的發展保持警醒，不斷應用科技手段提升光伏發電的效率和性能，以更好的產業視角和商業洞察力降低產業成本，實現最終的能源結構改革，進而提升社會福祉。