新能源接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題——專訪中國電力科學(xué)院電能質(zhì)量專家于坤山（摘選）

新能源接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題
——專訪中國電力科學(xué)院電能質(zhì)量專家于坤山（摘選）

【專家簡介】于坤山，男，1963.1生，碩士，湖南臨澧人，教授級高工。1994年被批準(zhǔn)享受國務(wù)院政府特殊津貼的專家，1999年獲得人事部有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號和首屆中國電機(jī)工程青年科技獎(jiǎng)。電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員。現(xiàn)任輸配電及節(jié)電技術(shù)國家工程研究中心總工程師、中國電力科學(xué)研究院電力電子研究所所長。

記者：于總，您好！非常感謝您在百忙之中就電能質(zhì)量的有關(guān)問題接受我們的采訪。新能源是目前比較熱點(diǎn)的話題，能否請您談?wù)勥@方面的情況？

于坤山：新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。一般地說，常規(guī)能源是指技術(shù)上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規(guī)模利用、正在積極研究開發(fā)的能源。因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作常規(guī)能源，而把太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芤约昂四堋淠艿茸鳛樾履茉矗渲刑柲堋L(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽苡址Q為可再生能源。隨著技術(shù)進(jìn)步、節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的建立，過去一直被視作垃圾的工業(yè)與生活有機(jī)廢棄物被重新認(rèn)識，作為一種能源資源化利用的物質(zhì)而得到深入研究和開發(fā)利用，因此，廢棄物的資源化利用也可看作是新能源技術(shù)的一種形式。

相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點(diǎn)，對于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。面對石油、煤礦等資源將加速減少的趨勢，核能、風(fēng)能、太陽能等新能源將成為主要能源。

記者：在所有新能源中，目前已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響電能質(zhì)量的新能源發(fā)電型式主要是什么？

于坤山：在所有新能源中，目前已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響電能質(zhì)量的新能源發(fā)電型式主要為：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電。

一、風(fēng)電接入對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)風(fēng)況對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動和閃變影響很大，尤其是平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的變化。

(2)隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電壓波動和閃變也不斷增大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速并持續(xù)增大時(shí)，恒速風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電壓波動和閃變繼續(xù)增大，而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)槟軌蚱交敵龉β实牟▌樱a(chǎn)生的電壓波動和閃變則減小 。

(3)湍流強(qiáng)度對電壓波動和閃變的影響較大，兩者幾乎成正比例增長關(guān)系。

(4)在塔影、風(fēng)剪切和有限的槳距調(diào)節(jié)范圍的聯(lián)合作用下，恒速變槳距風(fēng)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)行過程中的功率波動幅值非常大，從而產(chǎn)生較大的電壓波動和閃變。恒速變槳距風(fēng)電機(jī)組可以控制葉輪轉(zhuǎn)矩，啟動時(shí)產(chǎn)生的電壓波動和閃變比較小。

(5)恒速定槳距風(fēng)電機(jī)組,由于啟動時(shí)無法控制葉輪轉(zhuǎn)矩，而持續(xù)運(yùn)行過程中的功率波動較小，所以在切換操作過程中產(chǎn)生的電壓波動和閃變要比持續(xù)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電壓波動和閃變大。

(6)變速恒頻風(fēng)電機(jī)通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，變流器始終處于工作狀態(tài)，其產(chǎn)生的諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，即與風(fēng)速大小、變流器裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其配套安裝的濾波裝置、電網(wǎng)的短路容量等有關(guān)。

二、太陽能發(fā)電站接入對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)太陽輻射變化引起的發(fā)電功率的波動，引起接入點(diǎn)電壓的變化。

(2)采用逆變器接入電網(wǎng)方式，其逆變器運(yùn)行中會產(chǎn)生一定量的高次諧波。應(yīng)關(guān)注諧波對補(bǔ)償電容器和用電設(shè)備的影響。

(3)對于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電站，當(dāng)發(fā)電容量超過負(fù)荷需要的功率時(shí)，會出現(xiàn)逆向潮流，此時(shí)應(yīng)關(guān)注逆向潮流的影響，并采取相應(yīng)的控制和保護(hù)措施。

(4)因各種故障，發(fā)生太陽能電站所在系統(tǒng)與接入電網(wǎng)解列時(shí)，形成孤島運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)評估系統(tǒng)的運(yùn)行能力和相應(yīng)的減載、控制及保護(hù)措施，以確保系統(tǒng)可靠和再接入時(shí)的穩(wěn)定。

記者：請您具體介紹風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響？

于坤山：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)給電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量影響的主要三個(gè)方面：

一：諧波

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種:一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。 對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī),軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連,會產(chǎn)生一定的諧波。

由于補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器也可能和系統(tǒng)電抗發(fā)生諧振,而造成對諧波的的放大。

圖一：恒速風(fēng)電機(jī)組的電流和電壓波形

二：電壓穩(wěn)定性

大型風(fēng)電場及其周圍地區(qū),常常會有電壓波動大的情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動時(shí),會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小,但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時(shí)間后 (約幾十秒)才消失。多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時(shí)直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降,因此多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)需分組進(jìn)行,且要有一定的間隔時(shí)間。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突降,而機(jī)端電容補(bǔ)償裝置，抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運(yùn)行電壓,脫網(wǎng)后引起電網(wǎng)電壓的急劇下降。

三：頻率穩(wěn)定性

大型電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力,風(fēng)電接入,一般不必考慮頻率穩(wěn)定性問題,但是對于孤立運(yùn)行的小型電網(wǎng)以及風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到或超過電網(wǎng)裝機(jī)容量的20%時(shí)，風(fēng)電帶來的頻率偏移和穩(wěn)定性問題不容忽視。

為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,電網(wǎng)正常應(yīng)留有2%～3%的機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量。由于風(fēng)電具有隨機(jī)波動特性,其發(fā)電出力隨風(fēng)力大小變化,為保證正常供電,電網(wǎng)需根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)電容量增加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量,風(fēng)電上網(wǎng)越多,旋轉(zhuǎn)備用容量也越多。為了保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定和提高整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,必須考慮適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，如采用風(fēng)電與水火電打捆外送、采用靈活交流輸電技術(shù)進(jìn)行動態(tài)潮流和動態(tài)無功電壓控制、采用大功率儲能裝置進(jìn)行波動功率的快速跟蹤調(diào)節(jié)等。

記者：請您具體介紹光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響？

于坤山：先介紹一下太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成：

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池組件，光伏系統(tǒng)控制器，蓄電池和交直流逆變器等主要部件組成。

從光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接的設(shè)備就是并網(wǎng)逆變器。逆變器是通過功率半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能。在電能的轉(zhuǎn)換過程中，逆變器會吸收無功功率、引起諧波和直流量注入問題。現(xiàn)代逆變器技術(shù)，可以達(dá)到較高的功率因數(shù)（一般0.95以上），其無功功率可以通過采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞接枰越鉀Q。逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流大小與輸出功率、電網(wǎng)電壓和運(yùn)行工況等因素有關(guān)，其諧波電流的發(fā)生量和諧波的頻譜都會發(fā)生變化。

記者：新能源接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題，如何進(jìn)行改善？

于坤山：為適應(yīng)未來新能源快速發(fā)展的趨勢，電網(wǎng)和新能源發(fā)電企業(yè)需要共同應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，電網(wǎng)企業(yè)需要加強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)，采用先進(jìn)的技術(shù)積極構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的“智能電網(wǎng)”，以接納更多的新能源發(fā)電電源；新能源發(fā)電企業(yè)也需要采取更先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，最大限度的消除自身對電網(wǎng)的擾動，同時(shí)采用動態(tài)無功補(bǔ)償、諧波治理和大容量儲能技術(shù)，將新能源發(fā)電所造成的影響限制在較小的范圍內(nèi)。