淺析新能源發電并網對電網電能質量的影響

國網天津市電力公司電力科學研究院 劉 云

新能源發電技術的發展對于我國可持續發展道路所帶來的影響是十分巨大的。我國是世界人口大國，國土內所蘊含的能源資源也位居世界前列。但近年來經濟社會的飛速發展，使得我國儲備的化石能源并不能夠滿足國家發展的實際需求，尤其是當前全球面臨著十分嚴峻的環境污染問題，而傳統發電技術中大規模化石燃料的應用只會加劇環境的污染狀況，不利于國家可持續道路的進一步發展。而近年來，風力發電和光伏發電成為國家發電技術中替代化石能源最好的選擇，新能源發電技術的出現，也有效地緩解了我國化石能源儲備量不足的現狀，同時，其可再生和無污染的特征也滿足了我國可持續發展道路的需求。

在采用新能源發電技術的同時，必須要保障對并網能源發電系統進行全方位的控制，才能夠有效地提升新能源發電技術的利用效率，保障電力功率的最大輸出。采用新能源發電技術在與區域電網進行并聯時會存在許多不穩定性因素。例如，風力發電技術中風速就是人為不可控的不穩定性因素，由于風速的隨時變化可能會對并網電能的運輸質量產生較大的影響。而當前我國新能源發電技術正處于摸索階段中，由于新能源不穩定的因素以及技術方面的不成熟，在新能源技術并網發電過程中，輸出功率的變化必然會影響到電網電能的運行質量。因此，如何解決新能源發電技術中存在的不穩定性問題，保障新能源發電技術并網電能運輸的穩定性，成為了當前國家電力能源企業應該關注的重點問題。

1 我國新能源技術發電的現狀

1.1 新能源技術的發電應用

根據國家相關電力能源統計數據顯示，近年來我國新能源技術發電的投入量一直處于穩步增長的狀態，預計截至2030年底，我國新能源發電技術的裝機容量將會達到1.15×109千瓦，預計到2050年我國新能源發電技術的裝機容量將會超過2.8×109千瓦，這個增長數字是驚人的。這也意味著，截至2030年底我國新能源發電技術裝機容量比重將會提升到全國電力能源總比重的40%，而到2050年時這一數值將會超過50%。而我國的華北地區、東北地區和西北地區是國家風力發電的重點發展區域。

近年來，隨著我國新能源發電技術的消納水平得到了切實的提升，新能源發電技術也逐步走進了人們的視野中，但新能源發電技術帶來的并網發電問題也急需解決。尤其是在并網過程中存在的新能源發電技術電能不穩定、電力隨機波動等問題成為了制約電網規劃建設以及電網穩定運行的主要因素。

1.2 新能源發電技術并網發電的特征

通過采用新能源技術進行發展能夠起到替代傳統化石資源以及保護自然環境的作用，這也極大地緩解了我國傳統能源短缺的嚴峻問題。但是新能源技術在發電的過程中與傳統依靠化石能源發電技術存在較大的差異性，采用新能源技術進行發展對于能源的供應穩定性以及需求量具有較為嚴格的要求。而眾所周知，風力發電和光伏發電本身依靠著風能以及太陽能，而風能和太陽能是不受人為控制的，因此在能源供給過程中必然會存在一定的間歇性和波動性。

在采用風力和太陽能進行發電時，必須要確保具備充足的風力和光照才能滿足電力負荷，在風力較弱或光照不充足的情況下必然會對電力的供給產生較大的影響，嚴重時甚至無法正常進行發電工作。由此可見，風能和太陽能這類型新能源發電技術受時間以及季節的影響性較大，這也導致新能源發電技術在并網發電過程中具有較強的穩定性。

1.3 新能源并網發電技術的主要類型

相比于傳統化石能源來說，新能源具有儲存量較大、可再生、環保性強等優勢，采用新能源發電技術，能夠有效地緩解傳統化石能源發電技術中能源不足的問題，同時也滿足我國可持續發展的現實要求，新能源并網發電技術的應用對于人類社會和生活的進一步發展具有重要意義。尤其是隨著我國經濟力量以及科學技術的飛速發展，新能源并網發電這種方式也逐步得到了推廣，并應用到了國家電力事業中。當前，我國新能源并網發電技術的主要類型有風力發電、光伏發電以及水力發電等，可以根據區域性的可再生能源特征因地制宜的選擇發展類型。

2 新能源發電并網對于電網電能質量運行產生的影響

2.1 孤網問題

當區域電網在運行過程中出現了電壓不穩定的情況時，內部的并網風力發電和光伏發電系統還在持續性的運轉發電，并在無法識別電壓不穩定的電網時還會進行持續性供電。在這樣的情況下，新能源發電技術并網就可能會出現區域獨立運行的狀況，從而導致局域形成新的平衡，發電網絡這時就被稱為孤網問題。在孤網發電狀況下，新的電力平衡網中所供給電能的電壓和電力頻率根本不受局域電力網絡的控制，即使后臺操作人員進行調整和操作，也很難對孤網中的電壓和電力頻率進行操控。

一旦產生孤網現象后，區域電力網絡中所接收到的電力功率就會發生較大的波動性，這也會對整個孤網供電系統造成巨大的影響，導致上網發電系統內部的電壓以及發電頻率產生持續性的波動，一旦在發電過程中，電壓或發電頻率超出了可承受的范圍，就會導致整個國網系統負荷超載，從而對并網電力設備造成一定的損傷，嚴重時甚至還會破壞整個連接的電路系統。

與此同時，這種電力孤網的問題對于維護局域電網的檢修管理人員來說也是巨大的挑戰。檢修人員在檢修過程中，如果無法及時識別孤網問題很可能會引發安全事故。因此，采用新能源并網發電技術必須要加強對于孤網問題的檢測和防范意識，尤其是要提升檢修人員對于新能源并網電力功率的預測以及儲能技術的能力，才能夠在日常檢修過程中快速識別孤網現象，并且避免這種現象的產生，盡可能地降低孤網現象對于局域電網電能質量的影響。

2.2 諧波問題

在進行新能源發電并網時，通常情況下需要應用到電力電子裝置，但是由于電力電子裝置在檢修過程中或存在一定的質量缺陷，就可能會導致新能源電能在并網過程中產生諧波問題。新能源發電并網所產生的諧波問題主要包括以下兩種形式。

一是發電機內部產生的電力波動性。這種情況主要是指與局域網相連接的恒速發電機，在發電過程中由于發電機內部狀況容易引發電力波動從而導致諧波狀況的產生[1]。除此之外，新能源并網發電技術在應用過程中，不僅會應用到恒速發電機、還會應用到變速發電機。變速發電機相比于恒速發電機來說發電的效率更高，并且這種發電機在運行過程中不容易受到周邊自然環境的影響，能夠快速地將風力能源或太陽能源轉化為電力能源，相比于恒速發電機來說，當前在我國新能源并網發電技術中變速發電機的應用更加普遍。但是變速發電機在接入局域電網時，需要靈活的調整其逆變裝置以及整流裝置，尤其是要注意發電頻率的切換。而在調整逆變裝置以及整流裝置時，電力頻率切換過程中容易產生波動性，從而引發諧波現象對局域電網系統的穩定運行帶來危險[2]。

二是指新能源并網發電過程中受到了新能源發電機的并聯補償電容器的影響，這時在局域電網運行過程中，并聯補償電容器容易與局域電網的整個線路發生諧振問題，從而影響到整個電力網絡的正常運行。因此在采用并網發電技術時，必須要確保并網電力系統的電力平衡性，尤其是考慮到新能源發電技術在并入局域電網后存在的波動性和不穩定性問題，需要及時搭配合理的補償器以及補償措施，維持整個并網系統的平穩運行。但是由于不同的并網系統覆蓋的區域供電需求不同，也導致不同電網系統內部的情況存在較大的差異性。即使在新能源發電技術并網過程中給予了一定的補償措施，在遇到極端問題時還是不可避免地會出現諧波問題[3]。

2.3 間歇性和波動性問題

眾所周知，采用新能源發電技術進行發電對于能源的供給穩定性和需求量具有較為嚴格的要求。而新能源發電技術中所采用的風力能源以及太陽能源并不受人為因素的控制，尤其是在季節變換的情況下，風力能源和太陽能源的供給會出現間歇性和波動性的問題。新能源并網發電技術中的間歇性問題，主要是指能源供應過程中受到了外界自然環境的影響，所產生的電力能源間歇性。例如，風能和太陽能是新能源發電技術中最為重要的能源，而風力發電和光伏發電技術在應用風能和光能轉化為電能時，十分容易受到風力能源和太陽能源供給因素的影響[4]。

風力發電技術主要依靠的是風力的速度，但是風速的變化是每時每刻的并且不受人為控制。而風力發電技術的應用，只有在風力充足的狀況下才能夠實現滿負荷的運載和發電，因此，在風速不達標或風力不充足的狀況下，就可能會導致能源的轉換存在一定間歇性。光伏發電主要依賴于太陽能源的影響，而光照與不同區域的天氣環境和季節轉換之間具有密不可分的關系。在光伏發電技術應用的過程中，必須具備充足的光照條件才能夠將太陽能轉化為電能，如果在發電過程中受到了季節變換或天氣條件的影響，無法獲得充足的光力能源，就很難保障光伏發電系統的穩定性。由此可見，風力發電和光伏發電等新能源發電技術受自然環境影響因素較大，在并網過程中不可避免地會產生間歇性問題。

圖1 局域網內部的電能效率變化

新能源發電技術并網過程中產生的波動性問題，主要是指在能源轉換過程中受到了容量傳輸以及轉換效率等因素的影響，導致局域網內部的電能效率會隨著能源轉換效率的變動而產生較大的波動性。而新能源發電技術電力能源的不穩定性，也會導致新能源發電系統在并入區域電力網絡后會存在電能運輸間歇性和波動性的問題，從而對整個電力網絡的電能質量帶來嚴重的影響，這種波動性產生的瞬時強大電流還會對電網帶來巨大的損害[5]。

2.4 對電網頻率產生的影響

在新能源發電技術并網過程中，一旦電力系統的發電容量發生較大的波動性，就會在整個電網系統中占據較大的發電比例。而區域電力系統在發電過程中發電機組的運轉本身就存在較大隨機性，在這種情況下就可能會對電網中電能傳輸的頻率產生影響。

如，當新能源發電技術在電網中占比較小時，對區域電網內部電力頻率產生的影響作用也較小，而隨著新能源發電技術發電機組的容量在區域電網中的占比增大，新能源發電過程中的頻率波動性對區域電網內部的電力頻率波動也會帶來較大的影響。因此在采用新能源技術并網發電過程中，必須要注重對并網技術的應用及管理，通過科學的控制手段保障電力系統發電容量及頻率的穩定性，有效地緩解新能源技術并入區域電網后對區域電網運行帶來的波動性影響，維護局域電網安全穩定運行。

3 結語

綜上所述，新能源發電技術在全球范圍內都具有巨大的發展前景，但當前新能源并網技術的不成熟，可能會對區域電網運行帶來諧波、間歇性和波動性較大及孤網等問題。為推動我國新能源電力系統的飛速發展，必須要注重對新能源發電并網技術的進一步研究，為國家發展網絡的安全穩定運行保駕護航。