浅析新能源发电并网对电网电能质量的影响

国网天津市电力公司电力科学研究院 刘 云

新能源发电技术的发展对于我国可持续发展道路所带来的影响是十分巨大的。我国是世界人口大国，国土内所蕴含的能源资源也位居世界前列。但近年来经济社会的飞速发展，使得我国储备的化石能源并不能够满足国家发展的实际需求，尤其是当前全球面临着十分严峻的环境污染问题，而传统发电技术中大规模化石燃料的应用只会加剧环境的污染状况，不利于国家可持续道路的进一步发展。而近年来，风力发电和光伏发电成为国家发电技术中替代化石能源最好的选择，新能源发电技术的出现，也有效地缓解了我国化石能源储备量不足的现状，同时，其可再生和无污染的特征也满足了我国可持续发展道路的需求。

在采用新能源发电技术的同时，必须要保障对并网能源发电系统进行全方位的控制，才能够有效地提升新能源发电技术的利用效率，保障电力功率的最大输出。采用新能源发电技术在与区域电网进行并联时会存在许多不稳定性因素。例如，风力发电技术中风速就是人为不可控的不稳定性因素，由于风速的随时变化可能会对并网电能的运输质量产生较大的影响。而当前我国新能源发电技术正处于摸索阶段中，由于新能源不稳定的因素以及技术方面的不成熟，在新能源技术并网发电过程中，输出功率的变化必然会影响到电网电能的运行质量。因此，如何解决新能源发电技术中存在的不稳定性问题，保障新能源发电技术并网电能运输的稳定性，成为了当前国家电力能源企业应该关注的重点问题。

1 我国新能源技术发电的现状

1.1 新能源技术的发电应用

根据国家相关电力能源统计数据显示，近年来我国新能源技术发电的投入量一直处于稳步增长的状态，预计截至2030年底，我国新能源发电技术的装机容量将会达到1.15×109千瓦，预计到2050年我国新能源发电技术的装机容量将会超过2.8×109千瓦，这个增长数字是惊人的。这也意味着，截至2030年底我国新能源发电技术装机容量比重将会提升到全国电力能源总比重的40%，而到2050年时这一数值将会超过50%。而我国的华北地区、东北地区和西北地区是国家风力发电的重点发展区域。

近年来，随着我国新能源发电技术的消纳水平得到了切实的提升，新能源发电技术也逐步走进了人们的视野中，但新能源发电技术带来的并网发电问题也急需解决。尤其是在并网过程中存在的新能源发电技术电能不稳定、电力随机波动等问题成为了制约电网规划建设以及电网稳定运行的主要因素。

1.2 新能源发电技术并网发电的特征

通过采用新能源技术进行发展能够起到替代传统化石资源以及保护自然环境的作用，这也极大地缓解了我国传统能源短缺的严峻问题。但是新能源技术在发电的过程中与传统依靠化石能源发电技术存在较大的差异性，采用新能源技术进行发展对于能源的供应稳定性以及需求量具有较为严格的要求。而众所周知，风力发电和光伏发电本身依靠着风能以及太阳能，而风能和太阳能是不受人为控制的，因此在能源供给过程中必然会存在一定的间歇性和波动性。

在采用风力和太阳能进行发电时，必须要确保具备充足的风力和光照才能满足电力负荷，在风力较弱或光照不充足的情况下必然会对电力的供给产生较大的影响，严重时甚至无法正常进行发电工作。由此可见，风能和太阳能这类型新能源发电技术受时间以及季节的影响性较大，这也导致新能源发电技术在并网发电过程中具有较强的稳定性。

1.3 新能源并网发电技术的主要类型

相比于传统化石能源来说，新能源具有储存量较大、可再生、环保性强等优势，采用新能源发电技术，能够有效地缓解传统化石能源发电技术中能源不足的问题，同时也满足我国可持续发展的现实要求，新能源并网发电技术的应用对于人类社会和生活的进一步发展具有重要意义。尤其是随着我国经济力量以及科学技术的飞速发展，新能源并网发电这种方式也逐步得到了推广，并应用到了国家电力事业中。当前，我国新能源并网发电技术的主要类型有风力发电、光伏发电以及水力发电等，可以根据区域性的可再生能源特征因地制宜的选择发展类型。

2 新能源发电并网对于电网电能质量运行产生的影响

2.1 孤网问题

当区域电网在运行过程中出现了电压不稳定的情况时，内部的并网风力发电和光伏发电系统还在持续性的运转发电，并在无法识别电压不稳定的电网时还会进行持续性供电。在这样的情况下，新能源发电技术并网就可能会出现区域独立运行的状况，从而导致局域形成新的平衡，发电网络这时就被称为孤网问题。在孤网发电状况下，新的电力平衡网中所供给电能的电压和电力频率根本不受局域电力网络的控制，即使后台操作人员进行调整和操作，也很难对孤网中的电压和电力频率进行操控。

一旦产生孤网现象后，区域电力网络中所接收到的电力功率就会发生较大的波动性，这也会对整个孤网供电系统造成巨大的影响，导致上网发电系统内部的电压以及发电频率产生持续性的波动，一旦在发电过程中，电压或发电频率超出了可承受的范围，就会导致整个国网系统负荷超载，从而对并网电力设备造成一定的损伤，严重时甚至还会破坏整个连接的电路系统。

与此同时，这种电力孤网的问题对于维护局域电网的检修管理人员来说也是巨大的挑战。检修人员在检修过程中，如果无法及时识别孤网问题很可能会引发安全事故。因此，采用新能源并网发电技术必须要加强对于孤网问题的检测和防范意识，尤其是要提升检修人员对于新能源并网电力功率的预测以及储能技术的能力，才能够在日常检修过程中快速识别孤网现象，并且避免这种现象的产生，尽可能地降低孤网现象对于局域电网电能质量的影响。

2.2 谐波问题

在进行新能源发电并网时，通常情况下需要应用到电力电子装置，但是由于电力电子装置在检修过程中或存在一定的质量缺陷，就可能会导致新能源电能在并网过程中产生谐波问题。新能源发电并网所产生的谐波问题主要包括以下两种形式。

一是发电机内部产生的电力波动性。这种情况主要是指与局域网相连接的恒速发电机，在发电过程中由于发电机内部状况容易引发电力波动从而导致谐波状况的产生[1]。除此之外，新能源并网发电技术在应用过程中，不仅会应用到恒速发电机、还会应用到变速发电机。变速发电机相比于恒速发电机来说发电的效率更高，并且这种发电机在运行过程中不容易受到周边自然环境的影响，能够快速地将风力能源或太阳能源转化为电力能源，相比于恒速发电机来说，当前在我国新能源并网发电技术中变速发电机的应用更加普遍。但是变速发电机在接入局域电网时，需要灵活的调整其逆变装置以及整流装置，尤其是要注意发电频率的切换。而在调整逆变装置以及整流装置时，电力频率切换过程中容易产生波动性，从而引发谐波现象对局域电网系统的稳定运行带来危险[2]。

二是指新能源并网发电过程中受到了新能源发电机的并联补偿电容器的影响，这时在局域电网运行过程中，并联补偿电容器容易与局域电网的整个线路发生谐振问题，从而影响到整个电力网络的正常运行。因此在采用并网发电技术时，必须要确保并网电力系统的电力平衡性，尤其是考虑到新能源发电技术在并入局域电网后存在的波动性和不稳定性问题，需要及时搭配合理的补偿器以及补偿措施，维持整个并网系统的平稳运行。但是由于不同的并网系统覆盖的区域供电需求不同，也导致不同电网系统内部的情况存在较大的差异性。即使在新能源发电技术并网过程中给予了一定的补偿措施，在遇到极端问题时还是不可避免地会出现谐波问题[3]。

2.3 间歇性和波动性问题

众所周知，采用新能源发电技术进行发电对于能源的供给稳定性和需求量具有较为严格的要求。而新能源发电技术中所采用的风力能源以及太阳能源并不受人为因素的控制，尤其是在季节变换的情况下，风力能源和太阳能源的供给会出现间歇性和波动性的问题。新能源并网发电技术中的间歇性问题，主要是指能源供应过程中受到了外界自然环境的影响，所产生的电力能源间歇性。例如，风能和太阳能是新能源发电技术中最为重要的能源，而风力发电和光伏发电技术在应用风能和光能转化为电能时，十分容易受到风力能源和太阳能源供给因素的影响[4]。

风力发电技术主要依靠的是风力的速度，但是风速的变化是每时每刻的并且不受人为控制。而风力发电技术的应用，只有在风力充足的状况下才能够实现满负荷的运载和发电，因此，在风速不达标或风力不充足的状况下，就可能会导致能源的转换存在一定间歇性。光伏发电主要依赖于太阳能源的影响，而光照与不同区域的天气环境和季节转换之间具有密不可分的关系。在光伏发电技术应用的过程中，必须具备充足的光照条件才能够将太阳能转化为电能，如果在发电过程中受到了季节变换或天气条件的影响，无法获得充足的光力能源，就很难保障光伏发电系统的稳定性。由此可见，风力发电和光伏发电等新能源发电技术受自然环境影响因素较大，在并网过程中不可避免地会产生间歇性问题。

图1 局域网内部的电能效率变化

新能源发电技术并网过程中产生的波动性问题，主要是指在能源转换过程中受到了容量传输以及转换效率等因素的影响，导致局域网内部的电能效率会随着能源转换效率的变动而产生较大的波动性。而新能源发电技术电力能源的不稳定性，也会导致新能源发电系统在并入区域电力网络后会存在电能运输间歇性和波动性的问题，从而对整个电力网络的电能质量带来严重的影响，这种波动性产生的瞬时强大电流还会对电网带来巨大的损害[5]。

2.4 对电网频率产生的影响

在新能源发电技术并网过程中，一旦电力系统的发电容量发生较大的波动性，就会在整个电网系统中占据较大的发电比例。而区域电力系统在发电过程中发电机组的运转本身就存在较大随机性，在这种情况下就可能会对电网中电能传输的频率产生影响。

如，当新能源发电技术在电网中占比较小时，对区域电网内部电力频率产生的影响作用也较小，而随着新能源发电技术发电机组的容量在区域电网中的占比增大，新能源发电过程中的频率波动性对区域电网内部的电力频率波动也会带来较大的影响。因此在采用新能源技术并网发电过程中，必须要注重对并网技术的应用及管理，通过科学的控制手段保障电力系统发电容量及频率的稳定性，有效地缓解新能源技术并入区域电网后对区域电网运行带来的波动性影响，维护局域电网安全稳定运行。

3 结语

综上所述，新能源发电技术在全球范围内都具有巨大的发展前景，但当前新能源并网技术的不成熟，可能会对区域电网运行带来谐波、间歇性和波动性较大及孤网等问题。为推动我国新能源电力系统的飞速发展，必须要注重对新能源发电并网技术的进一步研究，为国家发展网络的安全稳定运行保驾护航。