新能源发电并网对电网电能质量的影响研究田军

新能源发电并网对电网电能质量的影响研究田军

田军韩志惠

（中船重工海为（新疆）新能源有限公司）

摘要：由于出力不确定性和间歇性等特点，新能源并网发电系统在接入电网后会对电网的电能质量造成一定影响，本文从电网频率、电网电压以及电网谐波等方面分析了新能源发电并网可能造成的影响，以期促进新能源发电并网系统的稳定运行。

关键词：新能源发电并网；电能质量；不对称故障；频率波动

1.新能源发电对电网电压的影响

1.1新能源发电对电网电压波动与闪变的影响

新能源发电站补偿电容器投切以及机组的开停机、出力随一次能源波动变化是引起电网电压波动与闪变的主要原因，而直接原因在于新能源发电站的输出功率出现波动，而造成输出功率波动的原因在于风速的变化。

图1新能源发电公共连接点电压闪变

图1为3个连续运行日内风电场公共连接电压短时与长时闪变的实测曲线，可以看出短时闪变多次超过1.0限制，长时闪变保持在0.8限制以下。变速恒频风电机组可以缓和功率波动，因此能减少闪变与电压波动。在高风速和低风速区域，变速恒频风电机组所采用的控制方式是不一样的，在不同风速范围内，连续运行过程中的机组出力有不同的特点，因此即便是在低风速区域，风电场也有可能在成闪变频繁上升。通过功率平滑控制，变速风电机组可以对由功率波动引起的闪变与电压波动起到减弱作用，但是在高风速时，恒速风电机同样可以减少电压闪变，而利用的是失速控制的方法。

图2新能源发电公共连接点电压波动

光照温度与强度的变化会引起光伏发电站输出功率的波动。图2是某地电网接入6MW光伏并网发电站时，24h内电网和发电站公共连接点的相电压波动曲线。可以看到C相电压波动有多次超出4％的限制，要超过A和B相。一般情况下，电网配电网络的强度与电网的短路容量成正比，因此如果新能源发电站所接入的电网有大短路容量的话，那么公共接入点的闪变、电压波动以及新能源发电站的功率波动就会小一些，不然就需要在设计时特意选择合适的电压等级与并网点。

1.2新能源发电对馈线稳态电压的影响

在电力系统中调节电压一般是通过改变有载调压变压器的分接头调压和投切电容器，除此之外没有其他的动态无功调节设备。如果电网系统中接入新能源发电的比重较大，那么电网线路的负荷潮流也会由于新能源发电站的功率波动而发生改变，使电压调整难度提高了一个等级，因此新能源发电站接入后的电网电压对以后的调压方案提出了更高的要求。从图3可以看出配电馈线1到13节点电压在没有接入新能源发电站时是在限制范围内的，这时变电站有载调压变压器的分接头在+4档的位置。当变电站低压侧接入新能源发电站时，如果分接头处在+5档没有降档，那么出于流过主变压器的功率减少的原因，馈线后端节点的电压就会超过限制范围。因此原有的调压方案不能满足新电源发电站的电压要求，会降低用户的侧电压水平，所以必须对原有调压方案进行调整。

图3新能源大点接入前后馈线电压

图4新能源发电接入不同位置时馈线电压

图4是新能源发电站接入配电馈线不同位置时在馈线最小和最大运行方式下的馈线电压分布曲线。曲线1的接入位置时主变电站母线，曲线2至4的位置就一次靠近线路末端，从图中可以看出，离主变电站母线越远，馈线电压就越高。在馈线最小运行方式下，新能源发电站容量要超过负荷，上游输送的功率减小，因此与最大运行方式下馈线电压相比是显著提高的。图中曲线5、6、7是新能源发电站多点接入时的稳态电压曲线，由图可以看出接入位置越分散，馈线末端节点的电压就上升的越明显，电源集中时与分散时的电压相比，分散时要更平滑一些。

输电线路阻抗、接入电网短路容量以及新能源发电穿透功率一同决定了电网和新能源发电站的公共连接点的电压稳态变化。风电场输出功率对电网电压起支撑作用，且二者间成正比，输出功率的变化会造成风电场公共连接点电压的波动，当然而风电场无功出力时也会对电网稳态电压造成影响。

2.新能源发电对电网频率的影响

图5是并网光伏发电站的频率变化曲线，从图中我们可以看出即便在多台机组投切的情况下，只要光伏发电站的容量小，就不会出现电网频率超出限制的现象。但是新能源发电机组出力具有随机性的特点，因此如果在电网内总发电量中，新能源发电站的发电容量所占比例越来越大的话，也有可能使电网内出现频率波动。

图5新能源发电穿透功率较小时电网频率变化

图6是包含3台火力发电机组的电网频率在自动发电控制时所发生的变化随新能源发电站输出功率波动的传递函数频率特性，可以看出1.0Hz以下频段的功率波动受火电机组转动惯量的控制，传递函数的数值较小。因为自动发电控制系统控制信号传递的时间与测量时间要延后10秒，因此可以把频率变化对功率波动的传递函数幅值特性分为3个区域，A区和B区之间以及B区和C区之间分界频率分别是0.05Hz和1.0Hz。要将新能源发电的发电功率预测和电网运行调度相结合，充分分析新能源发电的出力间歇性和波动性，以适应大规模新能源发电站接入电网。

图6电网频率对功率波动传递函数的幅值特性

3.新能源发电对电网谐波的影响

并网风电场和并网光伏发电站是新能源并网发电站的两种类型，并网光伏电站在运行时出于所采用脉宽调制控制方法的逆变器的自身特点以及并网光伏逆变器的绝缘栅双极型功率开关的物理特性等原因会产生相应的电压电流谐波。光照不对称或者光照强度变化等会引起谐波污染和光伏电站输出功率的波动间歇变化。图7是晴转多云天气下，并网光伏发电站的实测电流谐波畸变率曲线，可以看出电流谐波畸变率在中午多云时、傍晚时以及出力较小的凌晨是比较大的。

图7新能源发电站总电流谐波畸变率

风电场并联补偿电容器和线路电抗发生谐振所出现的谐波以及风力发电机组本身配备的电力电子装置所引起的谐波是风电场并网时注入电网的主要的谐波来源。开关频率与调制方式是决定电流谐波大小的主要因素，图8是全功率变频风电机组在不同脉宽调制方式下的电流谐波分布，相较于定开关频率调制在开关频率及倍频左右出现峰值谐波，变开关频率调制的整次谐波频率和间歇波更宽。

图8不同调制方式下电流谐波特性

新能源发电机组还会产生额外的谐波电流，这是由于配网自身的电压谐波和电网不对称故障引起的负序电压所导致的，变流器的控制策略决定这种电流谐波的特性。为了将配电网和新能源发电站各自承担的谐波责任进行区分，许多学者都进行了研究，龚华麟等层通过研究公共连接点谐波电流电压受用户波动和背景谐波变化的影响情况，提出基于主导波动量筛选原理的用户谐波发射水平评估方法。正确区分鉴别新能源发电站和配电网在公共连接点所产生的电流电压谐波水平，对于有新能源发电站接入的电网而言，是非常必须的，有利于对新能源发电站中的谐波污染进行监测与治理。

结语：

综上所述，新能源发电并网对电网能质量会造成一定程度的影响，这影响主要表现在电网谐波、电网频率与电网电压三方面，需要相关部门的工作人员意识到影响的危害，从而不断提高技术，促进我国新能源发电站与电网的协调发展。