新能源发电并网对电网电能质量的影响研究

麻金碧

国网山西省电力公司 晋城 供电公司，山西 晋城 04 80 00

摘要：阐述了由于新能源并网发电系统出力的间歇性和不确定性等特点，接入电网后将对电网电能质量造成不利影响。利用风电场和光伏发电站的实测电能质量数据，从馈线稳态电压偏差、电压波动和闪变、频率质量以及谐波等方面，系统地分析了新能源发电站对电网电能质量可能产生的影响; 结合仿真实例分析了不同穿透比例时新能源发电功率波动引起的电网频率波动，以及电网不对称故障使新能源发电机组产生的附加谐波电流。指出亟需建立新能源并网发电系统量测平台和综合评价体系。

关键词：新能源并网发电; 电能质量; 频率波动; 不对称故障

0 引言

风力发电和光伏发电等分布式发电技术已成为最具开发潜力的可再生能源发电技术。为保证可再生能源的最大利用率，并网新能源发电系统都采用适当控制策略尽可能保证有功功率的最大输出，由于风电场风速( 或光伏电站光照强度) 动态波动变化，新能源并网发电站的输出功率存在较大随机波动，间歇性的功率波动将对大电网的电能质量造成不利影响。

通常新能源发电系统大部分采用电力电子装置实并网，电力电子装置产生的电压电流谐波也是不可避免的，甚至电网不对称故障产生的负序电压以及电网自身的电压谐波，与新能源发电站变流器相互作用，将导致变流器产生附加谐波电流^[1]。当大电网具有足够的备用容量和调节能力，一般不必考虑新能源发电站功率波动引起的频率偏差，而主要考虑功率波动引起的电压波动和闪变。一旦新能源发电站所接入电网的有功调节能力不足，则决定新能源发电站穿透功率极限的主要因素是电网频率波动和稳定性^[2]。

1新能源发电对电网电压的影响

1.1 新能源发电对馈线稳态电压的影响

电力系统中一般通过投切电容器和改变有载调压变压器( LTC) 的分接头调压调节电压，此外很少配置其他的动态无功调节设备。若新能源发电接入电网所占比例较大，新能源发电站的功率波动性将使线路的负荷潮流也极易波动且变化较大，加大电网正常运行时的电压调整难度，从而使得原有的调压方案不一定能满足新能源发电站接入后的电网电压要求。新能源发电站与电网的公共连接点电压稳态变化由新能源发电穿透功率、接入电网短路容量和输电线路阻抗共同决定。

1.2 新能源发电对电网电压波动和闪变的影响

电网电压波动和闪变主要由新能源发电站中机组的开停机、出力随一次能源波动变化，以及发电站补偿电容器投切造成。新能源发电站输出功率波动是其引起电网电压波动和闪变的直接原因，其中风速变化是风电场输出功率波动的主因，风速的湍流强度与电压波动和闪变近似成正比关系增长。文献[3]中分析了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换过程中产生的电压波动和闪变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较，得出恒速定桨距风电机组在切换过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大，而对于恒速变桨距风电机组结论相反。

2 新能源发电对电网频率的影响

电网系统在运行时较少出现频率异常状况， 对光伏系统来说，当其容量偏小时，即便在投切多个机组时也不致造成电网系统频率的越限。 如果新能源系统发电容量在电网发电总量中占比逐渐增加，那么因新能源机组出力的随机性，有可能会引起电网频率的波动， 从而对电网系统自身与用户都将带来不好后果。 因此，可通过把风电功率的波动对电网系统影响进行等效，产生一个传递函数，即火电机组转速改变和风电系统输出功率的波动传递函数， 并基于此构建风电波动功率对电网频率影响评估的模型。 通过评估可得当考虑火电机组自动发电控制体系时 0.01~1.0Hz 功率波动对于大电网影响为最大。 低于 1.0Hz 频段的传递函数幅值较小，这是由于该频段功率的波动会受到火电机组转动惯量的限制。

为研究新能源接入对于小电网的频率影响， 可构建火电厂等效单机模型，并通过上述的风电场实际测量功率数据，对不同穿透功率下的电网频率改变情况进行分析。 通过分析可得，新能源的大规模并网，应充分依据新能源系统发电出力的间歇性与波动性， 并结合电网运行调度估测新能源的发电功率，以确保接入后电网系统可以稳定运行。

3 新能源发电对电网谐波的影响

新能源并网发电站主要包括并网光伏发电站和并网风电场两种类型，由于并网光伏逆变器的绝缘栅双极型功率开关( IGBT) 的物理特性，以及采用脉宽调制控制方法的逆变器自身特点，并网光伏电站运行时会产生相应的电压电流谐波，且由光照强度变化( 如自然光照强度变化、浮云的阴影效应、物体的阴影效应等) 引起光伏电站输出功率的波动间歇变化以及光照不对称都会引起谐波污染。对于风电场并网时注入电网的谐波主要来源于：

（1） 风力发电机组本身配备的电力电子装置引起的谐波；

（2） 风电场并联补偿电容器与线路电抗发生谐振产生的谐波。

为了鉴别区分新能源发电站和配电网各自承担的谐波责任，文献［5］中提出了根据系统和负荷参数确定参考谐波阻抗，再由 PCC 点谐波电流测量值估计用户谐波电压发射水平; 文献［6］中通过研究用户波动与背景谐波变化对公共联结点谐波电流、谐波电压的影响，提出一种基于用户主导波动量筛选原理的用户谐波发射水平估计方法。对于含新能源发电站的电网，正确区分配电网和新能源发电站在公共连接点产生的电压电流谐波水平，更有利于监测和治理新能源发电站的谐波污染。

4 总结

本文阐述了由于新能源并网发电系统出力的间歇性和不确定性等特点，接入电网后将对电网电能质量造成不利影响。利用风电场和光伏发电站的实测电能质量数据，从馈线稳态电压偏差、电压波动和闪变、频率质量以及谐波等方面，系统地分析了新能源发电站对电网电能质量可能产生的影响; 结合仿真实例分析了不同穿透比例时新能源发电功率波动引起的电网频率波动，以及电网不对称故障使新能源发电机组产生的附加谐波电流。指出亟需建立新能源并网发电系统量测平台和综合评价体系。

智能电网的建设与应用， 可利用物联网技术实时监控与反馈各种分布式能源发电机组的用能及耗能情况， 基于物联网技术搭建应急通信指挥调度系统。 可通过云计算技术搭建智能电网调度系统与电力云信息安全平台， 并强化电网全景展现与运行指挥，提高电网应对能力。

参考文献

1. 王炅鑫. 浅谈风能的利用现状与应用前景[J]. 科技展望, 2016, 26(29).

2. 李建林, 胡书举, 付勋波,等. 大功率直驱型风力发电系统拓扑结构对比分析[J]. 电力自动化设备, 2008, 28(7):73-77.

3. 吴峰, 孔卫亚, 周宇,等. 考虑多风电场风速变化规律的模拟数据生成方法[J]. 电网技术, 2016, 40(7):2038-2044.

4. 勾海芝, 赵征, 夏子涵. 基于经验模式分解的神经网络组合风速预测研究[J]. 电力科学与工程, 2017(10):62-67..

5. 龙泉. 考虑尾流效应的风电机组来流风速准确计算模型[J]. 科技创新导报, 2017(36).