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新能源并网发电系统的关键技术和发展趋势

发布于：2022-12-14 17:22:14 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：新能源发电单元最大输入电流

1.新能源发展的概况

新中国成立后，经济建设作为我国的重要任务之一，对煤、石油等化石资源的需求显著增加。随着电能的广泛应用，煤炭作为当时最易获取的资源，在很长的一段时间里，火力发电成为了最主要的发电方式。随后，我国的经济发展速度得到了世界的认可，但在发展过程中能源的使用量增加一倍。由于使用了不成熟的发电技术和环境治理技术，能量转化效率较低，且煤炭的过度使用排放了大量的有毒物质。经济发展和环境保护之间的不协调问题日益突出，经济发展步伐明显迟缓，为此我国提出了可持续发展战略，不断促进能源改革，改良发电技术提高能源转化率，并大力开发新能源，使环境和经济共同发展。目前，我国已形成多种能源结合的多元化能源体系。2012年，水电、风电、核电、太阳能等能源占一次能源消费比重已达到8.3%。

2.电能质量

关于电能质量的概述，不同的国家根据自身的需求对电能质量的要求也有一定的差异。对于供电企业，电能质量指企业所提供的电能各项指标达到国家电网运行规范和技术标准的要求，为电力用户提供安全、可靠的电能；对于电力用户，电能质量指用户在用电过程中，可以确保电力不会受到扰动。一般用电压、频率和波形等指标进行衡量。对于电气设备生产商，他们生产的电力设备质量直接关系到电能质量的好坏。本文主要根据电网实际运行情况，将电能质量分为电压质量、电流质量、供电质量三个方面。

电压质量主要是根据电网预设电压与实际输出电压之间的偏差判断供电企业消耗的电能质量，主要包括电压偏差、三相不平衡、频率偏差、过电压、欠压、电压谐波及电压波动等内容。电流质量包括电流谐波、陷波等。供电质量包括技术和非技术两个方面，非技术方面是供电公司对电力价格、电力服务等用户投诉问题的反应速度；技术方面是电压的质量和可靠性。

3.新能源并网对电力系统电能质量的影响

3.1　新能源并网造成电网电压偏差

近年来，太阳能发电已经广泛应用和推广。但是太阳能光伏发电容易受到季节、太阳光照及温度等方面的影响。晴天和阴天的光照、温度等方面存在一定的差异，那么光伏发电系统的发电量也有所不同，导致光伏发电系统输出的功率变化比较大，引起电压变化大。风力发电受到风速等方面的影响，导致风力发电机的运行功率受到影响，从而造成电压闪变和波动[2]。一般在风力资源比较丰富的地区建立风力发电厂。同时，新能源发电设备在启动、关闭环节，输出功率也会出现较大的波动。新能源容易受到外界因素的影响，导致输出电压的变化。如果并网以后，新能源电源的比例比较大，则进一步提高了电压调节难度。目前，电力系统采用投切电容器和LTC调压分接头进行调压，但是新能源并网以后，这种传统的调压方式已经无法满足电力系统运行的安全性。GB/T12326—2008《电能质量电压波动和闪变》中对电网出现的波动性负荷产生的电压变动值、变动幅度、电压等级等作出了详细的规定，具体如表1所示。

表1　电压波动限值

3.2新能源并网导致电网出现谐波

分布式电源接入到配电网时，需要大量的并网逆变器。这些逆变器采用脉宽调制控制方式，在并网时会产生大量的电流谐波。太阳能光伏发电设备和风力发电设备在运行过程中，受到光照强度、太阳照射角度、物体阴影以及风速等方面的影响，输出功率会发生一定的变化，从而导致大量的谐波。造成并网风力发电机组电网谐波出现的主要因素包括两个方面：一方面是风力发电机组并联补充的电容器和线路阻抗发生谐振产生谐波；另外一方面是风力发电机组内部安装了大量的电子设备，这些电子设备在运行过程中可能产生一定谐波。

3.3新能源并网导致电网出现信息孤岛问题

新能源并网后，太阳能光伏发电机组和风力发电机组向配电网提供电能，因此需要将新能源发电系统和本地电网电源连接在一起，让配电网达到一个新的平衡状态，确保电网独立运行。由于新能源发电系统是功率比较小的独立电源，且不属于同一个设备生产商，所以无法实现数据信息共享。新能源系统并不受到电网调控。如果配电网提供的电能大于居民实际需求，则造成配电网空载运行，可能造成严重的浪费。如果配电网提供的电能远远小于居民的实际需求，则导致电网的负荷增大，一旦超过电网负荷的限值，逆变器的温度会迅速升高，容易发生逆变器起火，将威胁到居民用电安全。

3.4对电能频率的影响

电能频率稳定是衡量电网安全平稳运行的一个重要指标。民用和工业用电有不同的频率要求，是居民正常用电和安全生产的保障。频率异常在电网的实际应用中并不多见，在发电机容量较低时，对电能频率的影响较小。但是，在新能源机组大规模并网后，新能源的发电量比例大幅增加，电网中会出现频率的变化，给电网的安全使用带来隐患。以目前最广泛使用的风力发电举例，风电厂功率波动符合某一函数关系，很小的频率改变都会对电网造成冲击。如果机组穿透率为18%，那么最大频率偏差会接近极限值。要想尽可能减少新能源发电机组发电对电网的冲击，又要提高使用新能源发电的比重，必须重视风力发电和光伏发电本身的间歇性问题，合理调整，降低其对电网的不良影响。

4.优化电网质量和稳定的措施

4.1优化对电能质量的控制

由于风能、太阳能等自身的特性，发电系统在不同时段输出的功率差距较大，对电网的安全运行带来了危害。为了减少电力系统发生故障的概率，最好在新能源并网处安装电能质量实时监控装置，实时监控电力系统中电压波动、电压偏差、谐波变化的情况。在不满足使用要求的情况下，通过安装有源电压滤波器和无功功率补偿器等措施来改善电能质量。

4.2发展相关先进技术

限制我国新能源产业发展的一个最重要原因是发电、输电技术的不成熟。先进的技术可以起到改善发电质量的作用。以光伏发电为例，一方面通过机械自动控制装置改变太阳能板的工作点来达到发电功率相对恒定的目的，另一方面利用储能装置的输出功率容易控制的特点，实现对功率的调节，但提高了对电池的要求。根据新能源并网规模改善供配电网的拓扑结构，可减小在发生故障后电力系统做出正确反应的难度，使供配电系统更加安全、稳定。

4.3强化并网管理

多样化的新能源发电方式并网后管理难度较大。为了更好地管理电力系统体系，相关的技术人员要建立信息管理平台，对电网电力的数据要做好收集、整理、分析。管理部门要成立专业的管理小组，通过技术手段大规模监控电网，及时发现其中存在的问题并作出改进，记录电力系统的运行情况，保证电网平稳安全运行。完善的管理体系可以在一定程度上提高用电质量，确保新能源发电及有关产业平稳发展。

结束语

多种分布式电源可以解决现有电力系统电容不足等问题，发电方式比较灵活，能够满足用户多元化的需求。但多种分布式电源的接入也对原来的配电网系统产生了严重影响，配电系统从过去单一的分配电功能转变为生产、存储、输送及分配等新型电力配电系统。由于新能源发电具有随机性、波动性、不可调和性，并入原有的配电网，造成电压波动、闪避变、谐波污染等问题，影响到原有电力系统的供电质量。

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