新能源并網過程中電能質量問題研究

南京國聯電力工程設計有限公司 顧曉斌

十三五以來我國新能源發電裝機容量不斷增加，2020年可再生能源發電機裝機容量達到9.34億千萬，約占全國發電裝機容量的44.6%。新能源占比的逐步提高，在很程度上實現了發電體系的綠色化、生態化屬性，但由于新能源發電原理的特殊性，使其在并網過程中暴露出電能質量不佳等問題，需要電力部門采取妥善的技術舉措，持續提升電能質量水平，有效解決并網技術難題。

1 新能源并網主要類型分析

為科學解決新能源并網過程中電能質量管理的有效性，需著眼于實際，對新能源并網基本類型、主要方式進行總結，通過并網方式的客觀梳理，為后續電能質量的管理提供方向性引導。

1.1 風力發電并網類型

風力作為新能源體系的有機組成部分，是現階段新能源發展的重要方向。根據國家能源部門公布的數據，2020年我國風電累計裝機容量達到2.81億千瓦，居世界第一位。為實現風力資源的合理化適應，逐步擴大風電資源在電力能源中的占比，相關技術團隊采取多元化的并網方式實現風電的快速接入，滿足實際的電力資源使用需求[1]。從現階段來看，風力發電并網主要包括了異步發電機并網、雙饋發電機并網、直驅同步發電機并網等不同的并網技術手段。

1.2 光伏發電并網類型

國家能源部門公布數據，2020年國內光伏雷擊裝機量達到253GW，新增裝機量48.2GW，光伏發電規模的擴大，要求電力部門在進行光伏并網技術過程中，需要采取合理的手段以實現電力資源的合理化應用，強化光伏發電的實用性。經過多年的探索，電力部門對于光伏并網技術進行了深入探討，逐步形成了一整套完備并網技術方案。具體看，光伏發電設備在并網過程中主要采取工頻變壓、高頻變壓、無變壓等方式來完成相應的技術動作。光伏工頻變壓器并網過程中，借助工頻變壓器將光伏發電設備輸出的平波逆變為濾波，經過參數的轉變后進入到現有的輸電網絡中，這種技術處理方案有效防范了直流偏磁情況的出現，控制了諧波發生機率，穩步提升光伏發電并網質量。

光伏無變壓器連接并網過程中，借助升壓斬波器、逆變器及濾波器等設備組件，將光伏設備與輸電網絡連接，為確保電壓、電流、諧波等基本參數處于合理的區間范圍內，技術人員設置了隔離變壓器，確保光伏發電中的直流分量不會快速進入到主流電網之中，從而規避了直流偏磁情況的出現，控制了電力網絡整體的諧波數值[2]。但這種方案仍存在直流分量進入輸電系統的可能性，在實際的電能質量管理環節需采取恰當的技術手段進行應對處理。光伏高頻連接并網過程中采取變壓器隔離技術方案，實現高頻逆變，逆變處理后通過整流逆變等方式將光伏發電并入到輸電網絡之中，實現了電力資源的高效應用。

1.3 燃料電池并網類型

燃料電池作為一種新型的能源模式，近年憑借其發電能力強、清潔高效、無污染的特點，逐步成為主流的新能源技術方案。根據S&P 全球市場情報公司的數據，燃料電池產業快速發展，市場需求明顯提升，以燃料電池生產企業FuelCell Energy 為例，2020年該公司股票漲幅達到345%，燃料電池使用需求的增加對并網技術提出了更高要求，通過科學的并網處理，可最大程度地保證燃料電池的實用性，降低使用成本，提升電能質量。在實際操作過程中，燃料電池發病并網的接口區域需提前設置逆變器等設備，通過逆變器等設備的介入實現對燃料電池直流分量、諧波等問題的有效處置，切實滿足并網后電能質量的管理要求，避免并網技術操作不當引發不必要的技術后果，造成電能質量的下降。

1.4 燃氣輪機并網類型

小型燃汽輪機的發電功率往往在100kW 以下，依靠天然氣、煤油以及柴油等作為燃料驅動汽輪機運轉，完成發電等任務。與傳統的發電技術相比，燃氣輪機發電具有造價低、效率高以及污染少等特點，但在使用過程中需注意，當燃氣輪機的轉速達到10萬轉/分鐘時，其輸出的電流頻率較高，在并網過程中需通過整流逆變處理方案才能與交流電網進行連接，保證電力資源的可用性，實現用電質量的全面改善，切實滿足現階段電力資源的使用需求。

2 新能源并網過程中影響電能質量的主要因素

新能源部并網過程中，在多種因素的影響下導致電能質量下降，影響實際的使用效果。為妥善解決這一問題，在進行并網處理環節應根據影響因素的具體表現采取必要舉措，做好科學化處置，以理順并網技術流程。

2.1 電網電壓的影響

新能源在并網過程中，電壓對電能質量的影響是多方面的，涉及到饋線穩態電壓、電壓波動等因素，對這些因素的系統性評估，對于后續電能質量的整體管控有著極大的裨益。現階段，對于調節電壓的接入往往采用LTC 及投切電容器來實現，在這種情況下，如并入電網中的新能源占比較大，則新能源固有的波動性會對線路的負荷產生較大程度的影響，導致整個電壓調整難度較高[3]。

具體來看，當主變電站與新能源發電站間的距離較大時，饋線電壓將保持在較高的水平，且二者呈現出相關關系，電壓的升高間接造成電站上游區域輸送功率的下降，某些極端條件下甚至會發生逆流的情況，導致電能質量達不到使用需求。新能源發電機組在開機、停機過程中會出現波動，這種波動在補償電容的放大作用下出了閃變等問題。以風電并網為例，由于風速的不確定性導致其閃變發生頻率較高，造成了電力系統的不穩定性。

2.2 電網頻率的影響

現階段，在新能源并網過程中發生頻率異常的機率相對較低，以光伏發電為例，由于發電站容量規模較小，即便多臺機組同時進行發電作業，其頻率波動幅度始終保持在合理的區間范圍內。但需注意，光伏發電受到外部天氣等因素的影響較大，發電容量呈現出一定程度的隨機性，這種隨機性使得頻率波動較為頻繁，無形中對電力系統的穩定運轉以及用戶的使用產生了消極影響。以風力發電為例，風電場的功率波動在某種程度上可視為傳遞函數，較為直觀的說明風電廠輸出功率頻率波動與火電機組轉速變化間的相互關系，當風電場波動頻率在0.1～1.0Hz 時將會對火電機組的轉速產生影響，進而影響輸電線路運行的穩定性。

2.3 電網諧波的影響

電力企業盡管針對于新能源并網采取了針對性的技術方案，提供給逆變器等設備組件對新能源發電的相關特性進行調整，但從實際情況看，新能源并網過程中仍會出現諧波。新能源的不連貫性導致其電壓、電流始終難以形成穩態，變化的電壓與電流進入到輸電線路將會產生非線性負荷，不僅增加了電力系統的運轉負荷，造成系統功率因數的下降，影響了發電、輸電及用電設備的正常運轉，同時諧波產生的脈動轉矩對于輸電線路連接的電力設備產生破壞作用，縮短電力設備的使用壽命。基于諧波的危害性，在開展電能質量管理的過程中需要采取相應舉措進行處理應對[4]。

3 新能源并網中電能質量提升的主要策略

新能源并網環節電能質量的提升，要求在客觀分析并網方式、影響因素以及評價指標的基礎上，以科學性原則、實用性原則為框架，采取必要的技術舉措有針對性地解決各類問題，促進新能源并網工作的順利進行。

3.1 細化電能質量評估指標

新能源并網在電能質量提升工作開展之初，為保證電能管理的有效性，應系統掌握電能質量評估指標、以評估指標體系的創立為前提，推動后續電能質量提升工作的有序開展。根據以往新能源并網的經驗，電能質量評估指標應涵蓋電壓、電流以及諧波等相關參數，通過對相關參數的精準化把控，可在較短時間內明確不同評估指標對于電能質量的影響程度，對后續各項工作的開展提供方向性引導，確保電能質量評估的有效性。在這一過程中，可采取數學模型的方式對電能質量評估指標開展量化分析，從而排除主觀因素的干擾，保證了數據處理的真實性與有效性。

電壓偏差評估環節可利用ΔU（%）=U-UN/UN×100%，其中ΔU 表示電壓偏差，U 表示實測電壓、UN 表示額定電壓，ΔU 數值越大表明輸電線路內的電壓差值越大，電能質量越不滿足實際的使用需求。新能源并網頻率偏差作為衡量電能質量的重要指標，是指在輸電線路頻率發生變化時實測頻率與標稱頻率之間的差異，其數學表達式為Δf=f-fn，其中Δf表示頻率偏差，單位Hz；f 表示實測輸電線路頻率，單位Hz；fn表示輸電線路標稱頻率，單位Hz。根據以往的經驗，整個電力系統標稱頻率應當為50Hz。電網諧波在分析過程中利用數學模式進行相應分析，以準確掌握某個周期內輸電線路內是否出現諧波等相關情況，為電能質量的有效管理提供方向性引導。

3.2 電能質量評估方法

針對于現階段新能源并網過程中電能質量管理的相關要求，可采取時域仿真、頻域分析等方式完成對電能質量影響因素的精準化評估。以時域反震為例，其利用微分方程對電力系統進行客觀描述，技術人員通過描述結果，降低電能質量暫態情況的分析。在這一過程中還充分利用了各類軟件平臺，依托軟件平臺強大的數據計算能力，可在較短的時間周期內，快速完成各類電能質量問題暫態現象分析評估等系列工作，排除干擾因素的影響。同時針對于不同的電能質量影響因素，可采取差異化的評估方式。例如針對于諧波問題，可采用頻域分析法，通過輸電線路頻率掃描、諧波潮流計算等相關方式幫助技術人員，更好地確立諧波狀態，并在此基礎上采取相應的諧波處理舉措，有效解決諧波等系列技術問題，保證輸電線路的電能質量。

3.3 電能質量管理方法

電能質量管理工作開展過程中，要根據并網方式的不同采取針對性的管理舉措，通過增加必要的硬件設施等手段強化并網管控，將電壓、頻率及諧波等控制在相應的區間范圍內，避免電壓偏差等因素影響并網電能質量管理。以風力異步發電機并網工作為例，在電能管理過程中，相關機械設備處于發電狀態，將機械能轉化為電能輸送到電力網絡之中，在能源轉換環節，由于運行環境的變化，異步電機的轉速逐步同步，進而誘發出并網沖擊大以及無功損耗大等系列問題，產生額外的電力損耗，出現電能質量下降等系列問題。風力雙饋發電機與繞線式感應電動機相似，定子繞組直接接入到電網之中，轉子繞組在三相電流的影響下會形成低速旋轉磁場。定子與轉子的相互疊加使其形成了同步轉速，加之在外部風速變化的影響下機械轉速變化較為明顯，在這種情況下轉子電流的頻率及旋轉磁場也會出現相應的改變，進而導致補償電機速度的運行速度發生改變。

風電直驅同步發電機的出口電壓在達到幅值、頻率、相序以及相位等相關因素后，才可進行并網處理，以確保系統頻率保持在同步狀態。但是對于風力發電而言，由于自身波動較大，在采取同步電機進行并網時。往往借助于逆變器對并網過程中的主要參數做好控制，以實現并網、控制的可行性。風力發電并網過程中，通過必要的參數調整可實現風力發電過程中電力資源的快速匯入，確保電力資源的快速整合，實現電能質量的初步管控，較好地滿足電力用戶的電力資源使用需求。