新能源发电并网对电网电能质量影响分析
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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;
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。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。新能源发电站的接入对于电网电能质量将产生较大影响，有必要研究新能源发电站引起的电能质量问题，以保证并网新能源发电系统的可靠和稳定运行。
1. 新能源电源并网对电能质量的影响
1.1 风力发电并网
早期的风力发电机单机容量较小，多采用与配电网直接相连的异步电动机，且处于供电网络的末端，抗冲击的能力较弱。之后，变速风机、双馈感应电机等新型发电机组开始得到推广，有效地提高了风力发电的效率，但大规模风电引入电网，对系统稳定性、电能质量等产生的一些负面影响仍然不容忽视。
（1） 由于风能具有随机性、间歇性，风电机组输出的电能也是波动、随机变化的，具有不可控的特点，因而稳定性较差，不能保证不间断供电。
（2） 虽然目前风力发电机组大多采用软并网方式，但并网瞬间会产生较大的冲击电流。
（3） 当风速超速时，风电机组会从额定狀态自动退出运行，风电机组的投切产生的电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。
（4） 风速的变化导致风机出力的变化，随着风速的增大，电压波动和闪变也越明显。
（5） 风机特有的风剪切、塔影效应，风电场公共连接点的短路比和电网线路的电源阻抗电感和电阻比（X/R）也是引起电压波动和闪变的重要因素。对于接于电网薄弱节点的风电场而言，电压波动和闪变尤为明显。
（6） 风电机组并网采用了大量的电力电子设备，对于需要通过整流和逆变接入电网的变速风力发电机而言，会产生严重的谐波问题。
1.2 太阳能光伏并网
太阳能光伏并网利用太阳能光伏阵列产生的直流电，经电力电子变换装置转换成符合要求的交流电后，直接或经变压器接入电网中。我国太阳能光伏发电技术已比较成熟，呈现出各地“分散开发、低电压就地接入”与荒漠地区“大规模集中开发、中高压接入”并举的发展特征。光伏电站运用最大功率点跟踪技术提高系统效率，充分利用太阳能的时间分布特性起到削峰作用，这也是光伏发电相对于风电的一个优势。但光伏发电系统受环境温度、太阳光照强度和天气变化影响，具有随机波动性，造成发电功率的剧烈变化。
（1） 由于阳光的昼夜变化，光伏发电装置只在白天工作，晚上切离电网，不但影响了设备的利用效率，且频繁投切也会对电网的稳定性造成影响。为尽可能提高太阳能的利用率，提出了最大功率点跟踪控制法，但仅是最大功率点跟踪无法做到有功输出可调，有功调节技术还需使用储能，实现对电网的有功支持。
（2） 光伏发电对电网的另一个负面影响是谐波污染。光伏发电系统一般通过逆变装置转换才能接入公共电网，这些逆变装置通过适当的控制策略能够实现有功和无功的解耦控制，在一定程度上实现了补偿无功，控制功率因数和抑制谐波的作用。在实际的运行过程中，当逆变器输出轻载时，谐波会明显增大。
1.3微型燃气轮机并网
微型燃气轮机是新兴发展起来功率为几百 kW 以下的小型热力发动机，具有体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单等特点。根据结构的不同，微型燃气轮机分为两种：一种是高速燃气涡轮驱动永磁同步发电机发电，再经过电力电子变流装置转化为工频交流电向用户供电;另一种是涡轮机通过变速齿轮箱驱动同步发电机直接并网。通常情况下，微型燃气轮机的输出功率与燃料量有关，因此，它的有功功率是可以控制的，与风电和光伏发电系统不同。对于需由变流转换装置并网的微型汽轮机，同样存在因电力电子设备整流逆变带来的谐波污染问题。
以上分析及其他的研究表明，分布式电源并网对电网电能质量的影响主要表现为：
（1） 受环境和气候条件、用户需求、政策法规等因素的影响，分布式电源的起停与投切，其不确定性易造成配电网明显的电压波动和闪变。同时，DG 的控制设备和反馈环节的相互作用也会直接或间接引起电压闪变。
（2） 分布式电源采用基于电力电子技术的逆变器接入配电网，与传统电网的方式有很大不同，开关器件的频繁开关易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造成谐波污染。
（3） 分布式电源常位于配电网的终端，离负荷较近，输出的无功会使负荷节点处电压升高，甚至超出电压偏移标准。当分布式电源退出运行时，受其影响较大的节点负荷又因缺少电压支撑而遭受低电压等严重电能质量问题，受影响程度的大小与分布式电源的类型、位置和容量有关。
2. 新能源发电对电网频率的影响
电力系统运行中频率异常的情况很少发生，并网光伏发电站的频率变化曲线，可见当光伏发电站容量较小时即使在多台机组投切时也不会引起电网频率越限。当新能源发电站的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后，由于新能源发电机组出力具有一定的随机性，可能导致电网内的频率时常出现波动，对用户和电力系统本身都会造成不良后果。将风电场功率波动对电网的影响等效成一个传递函数即为火电机组转速变化与风电场的输出功率波动的传递函数，建立了风电功率波动对系统频率的评估模型，并得出考虑火电机组的自动发电控制系统时0.01 ～1.0 Hz 的功率波动对大电网的影响最大。
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。并网光伏发电站在晴转多云天气的实测电流谐波畸变率曲线，可见在出力较小的凌晨和傍晚时电流谐波畸变率较大，中午多云时电流谐波畸变率也有所突增。
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