中國儲能網(wǎng)訊：隨著風力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術的迅猛發(fā)展，新能源在我國的裝機并網(wǎng)容量也在不斷增加。但在新能源發(fā)電并網(wǎng)的過程中，由于多數(shù)能源的波動性較強，輸出功率穩(wěn)定性差，以及新能源并網(wǎng)中所需電力電子裝置產(chǎn)生的附加諧波，這些都會引起新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題。
本文綜述了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題，簡述了這些問題帶來的危害，并分析了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量的原因。
前言
隨著風力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術的逐漸成熟，一些新能源在我國的裝機并網(wǎng)容量也在不斷增加。以風電為例，2016年，中國風電新增裝機容量為2337萬千瓦，累積裝機容量達到16873萬千瓦，居于世界首位。風電上網(wǎng)電量在2016年達到 2410 億千瓦時，同比增長 29.4%，這一增幅位居同期的第三高位。但在新能源發(fā)電并網(wǎng)的過程中，由于多數(shù)能源的波動性較強，輸出功率穩(wěn)定性差，同時，由于多數(shù)新能源及其接入過程需要電力電子裝置來整流逆變等，這也在一定程度上產(chǎn)生附加諧波，這些都會引起新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題。
新能源并網(wǎng)帶來的常見電能質(zhì)量問題包括：電壓波動、電壓偏差、電力諧波等。本文綜述了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題，簡述了這些問題帶來的危害，并分析了新能源并網(wǎng)引起這些電能質(zhì)量問題的原因。
1、新能源并網(wǎng)與電網(wǎng)電壓波動
1.1 電壓波動的含義和表述
電壓波動定義為電壓均方根值的一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動取值為一系列電壓均方根值變化中的相鄰兩個極值之差與標稱電壓的相對百分數(shù)，其波動大小可由式（1）計算得到。
這里以d的大小作為電壓波動的量度。為了區(qū)分電壓波動和電壓偏差，在國家電能質(zhì)量標準中特別對電壓的波動性給出了定義，即均方根值電壓的變化速率不低于每秒0.2％。
電壓變動發(fā)生的次數(shù)是分析電壓均方根值變化特性的另一個重要指標。我們把單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)稱為電壓變動頻度 ，一般以時間的倒數(shù)作為頻度的單位。
相關規(guī)定對新能源并網(wǎng)引起的電壓波動制訂了標準：例如對于風力發(fā)電，國家標淮 GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》和GB /T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中給出了不同電壓等級公用電網(wǎng)的電壓波動和閃變指標限值。
1.2 電壓波動的危害
電壓波動會工業(yè)生產(chǎn)以及人們生活帶來多種影響，甚至造成嚴重危害。至少包括以下幾個方面：
電壓波動會造成直接與交流電源相連的電動機的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。
導致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電子換流器換相失敗等。
電壓快速變動引起照明光源的閃爍，會使人眼感到疲勞甚至難以忍受而產(chǎn)生煩躁情緒，以致降低人們的生活質(zhì)量或者工作效率等。
對某些對電壓波動較敏感的工藝過程或試驗結果產(chǎn)生不良影響。
導致電子儀器和設備、計算機系統(tǒng)、自動控制生產(chǎn)線以及辦公自動化設備等工作不正常，或受到損壞。
使得電視機畫面亮度頻繁變化以及垂直和水平幅度搖動。
1.3 新能源并網(wǎng)對電壓波動的影響
電網(wǎng)的電壓分布情況由電網(wǎng)的潮流決定，一旦電網(wǎng)中電源注入的功率或負荷消耗的功率發(fā)生變化，將引起電網(wǎng)各母線節(jié)點的電壓發(fā)生變化。新能源并網(wǎng)引起電壓波動的根本原因是新能源電源輸出功率的波動。
輸入能量變化及其他外界干擾是造成新能源電源輸出功率的波動的原因之一。對于風電機組、光伏電池板等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，外界自然能源輸入的變動是造成分布式電源輸出功率變化的主要原因。為了提高分布式電源的發(fā)電效率，很多機組采用了最大功率追蹤控制，而不是恒功率控制，當外界資源條件發(fā)生變化時其輸出功率必然隨之變動。此外，新能源的啟動和停運不受電網(wǎng)的控制也導致了新能源電源輸出功率的波動。新能源電源的起動和停運與自然條件、用戶需求、政策法規(guī)、電力市場等諸多因素有關。新能源電源的調(diào)度和運行，往往由電源的產(chǎn)權所有者來控制，而新能源電源的產(chǎn)權所有者往往不是電網(wǎng)公司。這樣就可能出現(xiàn)新能源電源隨機啟停甚至頻繁起停的情況。這種情況下，由于功率快速變化而且變動幅度大，引起的電壓波動也最為明顯。
2、新能源并網(wǎng)與電網(wǎng)電壓偏差
2.1 電壓偏差的含義和表述
供電系統(tǒng)在正常運行條件下，某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)額定電壓之差相對于系統(tǒng)額定電壓的比值稱為該節(jié)點的電壓偏差
電壓偏差的計算式為
式中 δU —— 電壓偏差
Ure —— 實際電壓，kV
UN —— 系統(tǒng)額定電壓，kV。
電壓偏差僅僅針對電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)而言。電壓偏差強調(diào)的是實際電壓偏離系統(tǒng)額定電壓的數(shù)值，與偏差持續(xù)的時間無關。通常，電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率往往小于額定電壓的1％。
中國的國家標準GB 12325—1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》對電壓偏差做出了詳盡規(guī)定。GB/T 12325-2003是GB 12325-1990的修訂版。
2.2 電壓波動的危害
電壓偏差過大對眾多用電設備以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都會產(chǎn)生極大的危害。
對用電設備的危害。當電壓偏離額定電壓較大時，用電設備的運行性能降低，很可能會因過電壓或過電流而損壞。
對電網(wǎng)的危害。，輸電線路的輸電能力將大幅度降低，可能會因為功率分布的不均衡產(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，甚至導致電力系統(tǒng)頻率崩潰，造成系統(tǒng)解列。系統(tǒng)運行電壓過高可能使系統(tǒng)中各種電氣設備的絕緣受損，使帶鐵芯的設備發(fā)生磁飽和，產(chǎn)生大量諧波，并可能引發(fā)鐵磁諧振，同樣威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。
2.3 新能源電壓偏差問題的特殊性
下面以最簡單的輸電線路為例，來說明無功功率與電壓損失的關系。圖2-1（a）是不計線路分布電容影響的一條輸電線路的等值電路，圖2-1（b）是對應的相量圖。
圖2-1 簡單輸電線路及其相量圖
其中，電壓降的縱分量和橫分量分別記作和
一般，線路兩端電壓的相角差δ較小，電壓降橫分量對電壓損失的影響可以忽略不計，可把電壓降的縱分量近似看作電壓損失，即
可見，形成電壓偏差的電壓損失是由線路輸送功率（包括有功功率P和無功功率Q）和線路阻抗參數(shù)（電阻R和電抗X）共同決定的。對于110kV及以上電壓等級的輸電線，由于X>> R，無功功率Q對ΔU的影響遠遠大于有功功率P的影響。當線路的阻抗參數(shù)不滿足X>> R時，含有新能源的分布式電源的低壓配電網(wǎng)中，有功功率P對電壓損失ΔU的影響已經(jīng)不能忽略，有功功率P和無功功率Q的傳輸共同造成的線路上的電壓損失，形成電壓偏差。
3、新能源并網(wǎng)與電力諧波
3.1 電壓波動的危害
國際上公認的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)”。即諧波的次數(shù)h必須為基波頻率的整數(shù)倍。在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負荷會出現(xiàn)非工頻頻率整數(shù)倍的周期性電流的波動，為延續(xù)諧波概念，又不失其一般性，根據(jù)該電流周期分解出的傅里葉級數(shù)得出的不是基波整數(shù)倍頻率的分量，稱為分數(shù)諧波（fractional-harmonics），或稱為間諧波（inter-harmonics）。頻率低于工頻的間諧波又稱為次諧波（sub-harmonics）。
3.2 諧波的危害
諧波的危害主要表現(xiàn)在對電力的影響和對信號的干擾。其中幾個比較主要的方面包括：
對變壓器的影響。變壓器在基波頻率時的損耗最小，但其附加發(fā)熱受電壓畸變影響較大，尤其還受電流畸變的較大影響。
對電機的影響。電機受諧波電壓畸變的影響較大。在電機末端的諧波電壓畸變，在電機里表現(xiàn)為諧波磁鏈。諧波磁鏈對電機轉(zhuǎn)矩沒有太大影響，但是它以與轉(zhuǎn)子同步頻率不同的頻率旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子中感應出高頻電流，其影響類似于基波負序電流的影響。諧波電壓畸變將引起電機的效率下降、發(fā)熱、振動和高頻噪聲。
諧波對電能計量的影響。電網(wǎng)中廣泛采用的模擬式儀表，如電壓表、電流表、功率表、無功功率表、電能表和儀用互感器等，在諧波的影響下將出現(xiàn)測量誤差。
諧波對通訊的干擾。配電系統(tǒng)或終端用戶設備中的諧波電流，將對同一路徑中的通迅線路產(chǎn)生干擾。
3.3 新能源并網(wǎng)產(chǎn)生電力諧波的原因
太陽能光伏電池等新能源電源，其輸出電壓是直流電，需要經(jīng)過逆變器等電力電子設備把交流電轉(zhuǎn)換為工頻的交流電，才能接入交流電網(wǎng)。風電機組的輸出電壓頻率與風力機的轉(zhuǎn)速有關，其并網(wǎng)往往都要經(jīng)過變頻器。風力發(fā)電機組與電網(wǎng)的連接的變頻器，其中也包括電網(wǎng)側的逆變器環(huán)節(jié)。
這些變流器是通過電力電子器件的頻繁開通和關斷來實現(xiàn)電力變換功能的，其輸入輸出關系具有明顯的非線性特征。開關器件頻繁的開通和關斷容易產(chǎn)生一系列的諧波分量，對電網(wǎng)造成諧波污染。
除了分布式電源正常運行時逆變器必然輸出的諧波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情況也會造成諧波增加。
4、新能源并網(wǎng)引起的其他電能質(zhì)量問題
4.1 新能源并網(wǎng)與直流偏磁
光伏發(fā)電等新能源配套的儲能設備，與電網(wǎng)的連接是通過逆變器實現(xiàn)的。風力發(fā)電機組、等新能源，與電網(wǎng)的連接是通過變頻器實現(xiàn)的，其中也包括電網(wǎng)側的逆變器環(huán)節(jié)。在某些非理想情況下，逆變器輸出的交流電流中可能含有直流分量，從而使系統(tǒng)中的變壓器產(chǎn)生周期性的嚴重磁飽和，造成變壓器直流偏磁現(xiàn)象。這些非理想情況包括：逆變器基準正弦參考信號含有直流分量，逆變器控制電路中的運算放大器有零點漂移，功率開關管導通和關斷時間不對稱，PWM調(diào)制過程中脈寬不平衡，驅(qū)動信號不匹配，等等。
直流偏磁會引起變壓器飽和程度加深，勵磁電流大幅度增加，而且波形發(fā)生嚴重畸變。變壓器直流偏磁時，勵磁電流幅值和波形的變化會對變壓器產(chǎn)生不良影響。直流偏磁引發(fā)的諧波和無功問題，還會對電網(wǎng)的性能和安全造成影響。
4.2 新能源并網(wǎng)與三相不平衡
對于三相新能源電源而言，本身存在發(fā)生非對稱性故障的可能性，比如單相接地短路、兩相接地短路或兩相相間短路等。在正常運行情況下，由于新能源電源本身的三相功率不平衡，或者三相并網(wǎng)變流器的結構和參數(shù)不對稱，以及檢測和控制存在誤差等原因，使原本應該三相平衡的功率輸出也出現(xiàn)一定程度的不平衡。而且隨著小型風電機組、光伏電池板等小型分布式新能源發(fā)電技術的普及，單相分布式電源的數(shù)量可能會越來越多。這些單相分布式電源的接入，都會在一定程度上造成電網(wǎng)的三相不平衡，或者使電網(wǎng)的三相不平衡程度更加嚴重。
系統(tǒng)處于三相不平衡運行狀態(tài)時，由于負序分量的存在，會對電氣設備產(chǎn)生不良影響。三相不平衡系統(tǒng)中的負序分量偏大，可能導致作用于負序電流的保護和自動裝置誤動作，威脅電網(wǎng)的安全運行。負序電壓產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使感應電動機的最大轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，還可能引起電動機的機械振動。三相電壓不平衡使換流器的觸發(fā)角不對稱，換流器將產(chǎn)生較大的非特征諧波。
5、結論
隨著光伏和風力發(fā)電為代表的新能源的迅猛發(fā)展，新能源并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題需要引起更多的重視。由于新能源相對于傳統(tǒng)能源波動性、隨機性強，接入電網(wǎng)的電壓等級和電網(wǎng)結構也有所不同，此外隨著新能源的并網(wǎng)，電網(wǎng)中接入電力電子裝置的比例也有所提高，因此對于產(chǎn)生同樣電能質(zhì)量問題的原因，傳統(tǒng)電網(wǎng)和并入新能源的電網(wǎng)也有可能不同，這樣對于新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題需采取不同的措施來處理。本文綜述了新能源并網(wǎng)后引起的電能質(zhì)量問題，分析了新能源并網(wǎng)對電壓波動、電壓偏差、電力諧波、直流偏磁、三相不平衡等常見的電能質(zhì)量問題的影響，為提高新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量提供參考。
