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新能源发电并网对电网电能质量的影响

于宏波

华润电力投资有限公司山东分公司,山东省济南市,250000

摘要: 构建以新能源为主体的新一代电力系统是实现“碳达峰、碳中和”的关键举措。随着大规模新能源接入电网,系统重构、控制差异下的源网端将呈现强非线性、时变性、异构性,导致系统动态运行特性发生内在变化。如电力“十三五”规划所论述的那样,目前我国正处于深化改革的攻坚期,也是电力工业加快转型发展的重要机遇期。在这样的新时期,能源格局进一步调整,环境资源的约束也进一步加强,给我国电力行业的发展带来了一系列新的挑战。随着世界气候形势越发严峻,人们对清洁能源的需求正不断增长,加速对清洁能源的开发和利用已经成为电力人义不容辞的责任,电源结构的清洁化必然逐渐成为能源结构调整的主流。本文主要对新能源发电并网对电网电能质量的影响做论述,详情如下。
关键词: 新能源;发电并网;电网电能质量
DOI:10.12721/ccn.2022.157121
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新能源主要指太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能及核能等绿色清洁能源。目前我国开发的新能源中风能和太阳能增速较快。分布式接入即是将各个分布式电源接入配电网。风能、太阳能发电大规模接入并网将以分布形式为主,从而减小电能传输过程中产生的损耗,有助于电网就近补偿功率变化,降低因负荷增大导致的电网膨胀效应。未来分布式新能源大规模接入并网将有利于我国完成碳中和目标,实现我国能源结构快速转型。

1对电能质量的影响

1.1光伏发电并网对电能质量的影响

对电能质量的影响之一是光伏发电并网对电能质量的影响。光伏发电的优点:太阳能是不会枯竭的能源,不会影响环境,是最清洁的能源。光伏发电组件采用太阳电池、蓄电池和逆变器等模块,规模可大可小、自由组合,且具有不需要运输燃料、建设工期短和节省施工费等特点。光伏发电的缺点:容易受天气和环境影响,发电设备分布不集中,光伏发电具有随机性和间歇性,对电能质量影响较大。光伏发电接入电网时,一般是用逆变器将直流转换为交流。随着大量的电力电子转换器的接入,增加了大量的非线性负载,引起电网电流、电压波形发生畸变,给系统带来大量谐波。谐波会增加输电线路损耗、供(用)电设备的附加损耗,使设备过热,降低设备的效率和利用率。

1.2风力发电并网对电能质量的影响

对电能质量的影响之二是风力发电并网对电能质量的影响。风力发电的优点:风力发电技术相对成熟、建设周期短、投资少,是可再生能源。风力发电的缺点:风力发电地域性强,不是任何地方都可以建风力发电站,风力发电季节性强,风力发电不稳定,对电能质量影响较大。风机起动时会产生较大的冲击电流,且由于风速的变化导致风机出力的波动,造成电压波动及闪变,影响电能质量。电压波动会使供(用)电设备绝缘加速老化,缩短设备的使用寿命,增加电网的功率和电能损耗,危及电网安全运行。风力发电机配备的电力电子装置会带来谐波问题,虽然随着技术不断改进,谐波问题也在逐步得到解决,但是在实际运行中,风电场出口变压器的低压侧还是存在大量谐波。

2新能源接入并网应对策略

2.1提高接入新能源电能质量

新能源接入并网应对策略之一是提高接入新能源电能质量。为提高分布式新能源接入并网后的电能质量,一般可采用快速响应的动态无功补偿装置,如滤波器、静止无功补偿器等。采用局域成组分布式接入方案可一定程度上抑制电网电压波动,而通过安装变速恒频电源则能有效抑制电压闪变现象,此外滤波器和变频装置可以有效降低谐波干扰。对于分布式新能源接入后所引发的频率波动问题,可以考虑通过提高电网系统自身阻尼系数,优化电网控制系统加以解决,同时需要设定有效的高频保护阈值,防止出现频率崩溃现象。

2.2阻抗测量系统改进

新能源接入并网应对策略之二是阻抗测量系统改进。新能源发电设备阻抗测量系统立足于新能源发电工程领域的技术需求和规范,以现有电力系统阻抗测量仪器为载体,以实现各类电力装置阻抗建模的特殊数据测量需求为目标,使原有仪器增加相应的测量功能,适应于新能源发电设备阻抗建模的特殊科研需求。本系统的构建以原实验平台为载体,基于频率响应测量与分析技术,总体结构包括上层数据监控系统、中间层软件控制系统和底层阻抗测量硬件装置系统三个部分。其中,底层阻抗测量硬件装置系统包括数据采集单元、频率扰动信号发生单元、功率放大器单元、隔离变压器单元。中间层软件控制系统包括数据传输与处理模块、三路可编程频率扰动信号控制模块、反馈控制模块等。为了提升灵活性和开放性,打造良好的用户友好体验,还配置了上层数据监控系统,具体由系统监控单元和人机交互控制系统组成,实现测量指令由用户灵活配置、测量结果多类型展示。

2.3功率调节装置

新能源接入并网应对策略之三是功率调节装置。目前,光伏发电中的功率调节装置主要采用双向DC-DC变换器。而本文采用的是双向全桥隔离型DC-DC变换器,变换器由全桥整流器、高频变压器和全桥逆变器3个部分组成,电压型变换器位于两端构成对称结构,通过控制变压器原副边处的两个H桥方波电压信号的相位与占空比,达到控制变换器传递功率方向和大小的效果,具有隔离、大电压变比、高效、高功率密度等特点。将输入和输出的H桥看作是两个电源,分别简化到变压器的两端,通过傅里叶变换计算得出:变压器副边绕组的有功功率与移相角的正弦值成正比,有功功率为正值时,由变压器原边流向副边,副边吸收有功功率;当有功功率为负值时,由变压器副边流向原边,副边绕组发出有功功率。

2.4发展柔性直流输电技术

新能源接入并网应对策略之四是发展柔性直流输电技术。分布式新能源接入电网后,需要电网进一步提高消纳能力。传统上的高压直流或交流输电技术不仅无法克服固有的由输电距离产生的电能质量和电能损耗等问题,还无法适应新能源发电的不确定性。柔性直流输电技术受距离限制较小,具有可以独立控制有功功率和无功功率、响应更加迅速可以更快进行反应,以及不需要进行无功补偿等优点。新能源通过柔性直流输电接入现有的交流配电网时,需要将新能源电源机组的发电频率和电网的频率进行耦合。这样会使电网频率出现无阻尼的变化特点,而新能源发电自身具有波动性,所以发电频率不稳定,如果直接接入电网将导致电网直流交流系统都无法稳定运行。为了解决这一问题,需要利用动态性能好的控制系统对柔性直流输电网进行控制,提高新能源并网的可靠性。从规划的角度看,新能源利用柔性直流输电接入电网后,需要进行相应的设计规划,保证整个电网的正常稳定运行。

结语

新能源发电并网会影响电网电能质量,可能影响电网的正常运行。要想实现新能源发电并网,推动电力系统的可持续发展,电力企业需要不断努力,积极优化电力系统,升级电力技术标准,为大众提供安全和稳定的电力资源。

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