本文關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第40卷第2期2012年2

月Vol．40No．2Feb．2012

新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

12333

呂志盛，閆立偉，羅艾青，王強鋼，周念成

（1．重慶電力科學(xué)試驗研究院，重慶401123；2．浙江省電力公司余杭供電局，杭州311100；

3．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044）

摘

要：闡述了由于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出力的間歇性和不確定性等特點，接入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)電能質(zhì)量造

成不利影響。利用風(fēng)電場和光伏發(fā)電站的實測電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，從饋線穩(wěn)態(tài)電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率質(zhì)量以及諧波等方面，系統(tǒng)地分析了新能源發(fā)電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響；結(jié)合仿真實例分析了不同以及電網(wǎng)不對稱故障使新能源發(fā)電機組產(chǎn)生的附加穿透比例時新能源發(fā)電功率波動引起的電網(wǎng)頻率波動，

諧波電流。指出亟需建立新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)量測平臺和綜合評價體系。關(guān)鍵詞：新能源并網(wǎng)發(fā)電；電能質(zhì)量；頻率波動；不對稱故障

），作者簡介：呂志盛（1982-男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制、電能質(zhì)量等方面的研究。中圖分類號：TM619；TM71

文獻標(biāo)志碼：A

9529（2012）02-0251-06文章編號：1001-基金項目：重慶市自然科學(xué)基金項目（CSTC2009BB6190）；輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室自主研究項目（2007DA10512709208）

ImpactofNewEnergyPowerGrid-IntegrationonGridPowerQuality

LVZhi-sheng1，YanLi-wei2，LuoAi-qing3，WANGQiang-gang3，ZHOUNian-cheng3

（1．ChongqingElectricPowerResearchInstituteofScientificExperiments，Chongqing401123；2．YuhangPowerSupplyBureauofZhejiangElectricPowerCorporation，Hangzhou311100；

3．StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment＆SystemSecurityand

NewTechnology，ChongqingUniversity，Chongqing400044）

Abstract：Newenergypowergeneration，whenconnectedtopowersystem，，willaffectthegridpowerqualitybecause

oftheintermittenceandrandomnessofoutputpowergeneratedfromnewenergyresources．AccordingtothefieldmeasuredpowerqualitydatainawindfarmandaphotovoltaicpowerplantinChina，thepowerqualityimpactsfromnewenergypowergenerationaresystematicallyanalyzedintermsofsteady-statevoltagedeviationofdistributionfeed-er，voltagefluctuationandflicker，frequencyqualityandharmonic．Thefrequencyfluctuationofsmallscaleregionalgridindifferentpenetrationratesofnewenergypowercapacityandtheharmoniccurrentcausedbyasymmetricfaultingridarestudiedwithexamplesandsimulations．Thereisanurgentneedtoestablishthemeasurementplatformandcomprehensiveevaluationsystemforthenewenergypowergenerationsystem．Keywords：grid-connectednewenergypowergeneration；powerquality；frequencyfluctuation；asymmetricfault

Foundationitems：ChongqingMuniciplalNaturalScienceFoundation（CSTC2009BB6190）

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù)已成為最具開發(fā)潛力的可再生能源發(fā)電技術(shù)。為保證可再生能源的最大利用率，并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)都采用適當(dāng)控制策略盡可能保證有功功率的最大輸出，由于風(fēng)電場風(fēng)速（或光伏電站光照強度）動態(tài)波動變化，新能源并網(wǎng)發(fā)電站的輸出功率存在較大隨機波動，間歇性的功率波動將對大電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成不利影響。

通常新能源發(fā)電系統(tǒng)大部分采用電力電子裝置實并網(wǎng)，電力電子裝置產(chǎn)生的電壓電流諧波也

甚至電網(wǎng)不對稱故障產(chǎn)生的負(fù)序是不可避免的，

與新能源發(fā)電站電壓以及電網(wǎng)自身的電壓諧波，

變流器相互作用，將導(dǎo)致變流器產(chǎn)生附加諧波電流

［1］

。當(dāng)大電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能

一般不必考慮新能源發(fā)電站功率波動引起的力，

頻率偏差，而主要考慮功率波動引起的電壓波動和閃變。一旦新能源發(fā)電站所接入電網(wǎng)的有功調(diào)節(jié)能力不足，則決定新能源發(fā)電站穿透功率極限的主要因素是電網(wǎng)頻率波動和穩(wěn)定性

［2］

。

新能源發(fā)電站的接入對于電網(wǎng)電能質(zhì)量將產(chǎn)

02522012，40（2）

生較大影響，有必要研究新能源發(fā)電站引起的電

能質(zhì)量問題，以保證并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行。本文將利用國內(nèi)某風(fēng)電場和光伏發(fā)電站的實際案例，從饋線穩(wěn)態(tài)電壓偏差、電壓波動頻率質(zhì)量以及諧波等方面分析新能源發(fā)和閃變、

電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)地評估新能源發(fā)電并網(wǎng)運行的安全性和可靠性，為大規(guī)模新能源發(fā)電站接入電網(wǎng)的調(diào)控和管理提供依據(jù)。

從而使得最小游輸送的功率減小甚至出現(xiàn)逆流，

運行方式下新能源發(fā)電站不同位置并網(wǎng)的饋線電

壓分布，與最大運行方式相比饋線電壓有著較大的上升。曲線5～曲線7為虛線代表新能源發(fā)電

可見接入位置分站多點接入時的穩(wěn)態(tài)電壓曲線，

散時的電壓曲線比電源集中時電壓曲線要平滑，布置越分散則饋線末端節(jié)點的電壓也被抬得越

高

。

1

1．1

新能源發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響

新能源發(fā)電對饋線穩(wěn)態(tài)電壓的影響

電力系統(tǒng)中一般通過投切電容器和改變有載調(diào)壓變壓器（LTC）的分接頭調(diào)壓調(diào)節(jié)電壓，此外很少配置其他的動態(tài)無功調(diào)節(jié)設(shè)備。若新能源發(fā)電接入電網(wǎng)所占比例較大，新能源發(fā)電站的功率波動性將使線路的負(fù)荷潮流也極易波動且變化較大，加大電網(wǎng)正常運行時的電壓調(diào)整難度，從而使得原有的調(diào)壓方案不一定能滿足新能源發(fā)電站接入后的電網(wǎng)電壓要求。圖1中新能源發(fā)電站未接入時配電饋線1～13節(jié)點電壓均在限制范圍內(nèi)，此時變電站有載調(diào)壓變壓器分接頭位于+4檔；當(dāng)新能源發(fā)電站接入變電站低壓側(cè)時，由于流過主變壓器功率減少，若分接頭沒有降檔位仍位于+5檔，則此時饋線后端節(jié)點的電壓將越限�？梢姲丛械恼{(diào)壓策略將可能使用戶側(cè)電壓水平降低，因此針對新能源發(fā)電站接入電網(wǎng)改進傳統(tǒng)的調(diào)壓方案十分必要

。

圖2

新能源發(fā)電接入不同位置時饋線電壓

新能源發(fā)電站與電網(wǎng)的公共連接點電壓穩(wěn)態(tài)

變化由新能源發(fā)電穿透功率、接入電網(wǎng)短路容量和輸電線路阻抗共同決定，圖3為某地50MW風(fēng)電場公共連接點電壓隨風(fēng)電場輸出功率波動的實測曲線，可見風(fēng)電場功率輸出對電網(wǎng)電壓有一定支撐作用，風(fēng)電場的有功輸出越大則電壓支撐程度越強。風(fēng)電場無功出力也將影響電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓，由圖4可知風(fēng)電場輸出無功基本維持在0．5－1．0Mvar，且當(dāng)風(fēng)電場當(dāng)風(fēng)速較低時風(fēng)電場功

圖1新能源發(fā)電接入前后饋線電壓

圖2為饋線最大和最小運行方式下新能源發(fā)電站接入配電饋線不同位置時饋線電壓分布曲

線。曲線1的接入位置為主變電站母線，曲線2～曲線4的接入位置則逐漸向線路末端靠近，可知當(dāng)新能源發(fā)電站距離主變電站母線越遠(yuǎn)，則饋線電壓升得越高。由于在最小運行方式下，新能源發(fā)電站容量相對于負(fù)荷的比例大，使得電站上

率因數(shù)越過限值。

1．2新能源發(fā)電對電網(wǎng)電壓波動和閃變的影響電網(wǎng)電壓波動和閃變主要由新能源發(fā)電站中機組的開停機、出力隨一次能源波動變化，以及發(fā)電站補償電容器投切造成。新能源發(fā)電站輸出功率波動是其引起電網(wǎng)電壓波動和閃變的直接原

其中風(fēng)速變化是風(fēng)電場輸出功率波動的主因，因，

風(fēng)速的湍流強度與電壓波動和閃變近似成正比關(guān)

呂志盛，等新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

0253

圖3

新能源發(fā)電公共連接點電壓隨有功功率變化

圖4新能源發(fā)電輸出無功功率隨有功功率變化圖5

新能源發(fā)電公共連接點電壓閃變

3］系增長。文獻［中分析了恒速定槳距和恒速變槳距風(fēng)電機組在切換過程中產(chǎn)生的電壓波動和閃

變，并與持續(xù)運行過程中產(chǎn)生的電壓波動和閃變得出恒速定槳距風(fēng)電機組在切換過程作了比較，

中產(chǎn)生的電壓波動和閃變要比持續(xù)運行過程中產(chǎn)生的電壓波動和閃變大，而對于恒速變槳距風(fēng)電機組結(jié)論相反。

圖5為3個連續(xù)運行日內(nèi)風(fēng)電場公共連接電圖中長時閃變基本壓短時和長時閃變實測曲線，

小于限值0．8但短時閃變頻繁超出1．0限值。變速恒頻風(fēng)電機組能夠平滑功率波動有效減小功率波動產(chǎn)生的電壓波動和閃變，由于其在低風(fēng)速區(qū)域和高風(fēng)速區(qū)域采用不同控制方式，連續(xù)運行過程中機組的出力在不同風(fēng)速范圍具有不同特點，從而導(dǎo)致風(fēng)電場在低風(fēng)速區(qū)域也可能引起較大的閃變水平上升。變速風(fēng)電機組利用功率平滑控制能夠有效減小功率波動產(chǎn)生的電壓波動和閃變，而對于恒速風(fēng)電機組在高風(fēng)速時采用失速控制也可減小電壓閃變。

光伏發(fā)電站的輸出功率隨光照強度和溫度波動變化，圖6為某地6MW光伏并網(wǎng)發(fā)電站接入電網(wǎng)時，發(fā)電站與電網(wǎng)公共連接點在24h時間內(nèi)

圖中C相電壓波動大于A和的相電壓波動曲線，

B相，且C相電壓波動多次超出4%限制。通常

新能源發(fā)電站所接入的電網(wǎng)短路容量越大，

則表

圖6

新能源發(fā)電公共連接點電壓波動

明該配電網(wǎng)絡(luò)越堅強，新能源發(fā)電站的功率波動以及啟動和停機引起的公共接入點的電壓波動和

閃變就越小。若新能源發(fā)電站接入的電網(wǎng)較薄弱時，則在設(shè)計時需要選擇合適的并網(wǎng)點和電壓等級。為了分析新能源發(fā)電站的功率波動所引起的電網(wǎng)電壓波動，需要區(qū)分新能源發(fā)電站和電網(wǎng)其

4］通過對接他部分產(chǎn)生的電壓波動，其中文獻［入電網(wǎng)的風(fēng)電場進行電流源等效，將實際測量的

風(fēng)電場的輸出電流分解為有限數(shù)量正弦波形，建立計算全電網(wǎng)電壓波動的頻域分析方法。

2新能源發(fā)電對電網(wǎng)頻率的影響

電力系統(tǒng)運行中頻率異常的情況很少發(fā)生，圖7為并網(wǎng)光伏發(fā)電站的頻率變化曲線，可見當(dāng)光伏發(fā)電站容量較小時即使在多臺機組投切時也不會引起電網(wǎng)頻率越限。當(dāng)新能源發(fā)電站的發(fā)電

02542012，40（2）

容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大后，由于新

能源發(fā)電機組出力具有一定的隨機性，可能導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的頻率時常出現(xiàn)波動，對用戶和電力系統(tǒng)

5］本身都會造成不良后果。文獻［將風(fēng)電場功率波動對電網(wǎng)的影響等效成一個傳遞函數(shù)即為火電機組轉(zhuǎn)速變化與風(fēng)電場的輸出功率波動的傳遞函

數(shù)，建立了風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)頻率的評估模型，并得出考慮火電機組的自動發(fā)電控制系統(tǒng)時0.01～1．0Hz的功率波動對大電網(wǎng)的影響最大

。

可見當(dāng)新能源發(fā)電允許的頻率偏差為±0．5Hz，

機組的穿透率為18%時最大頻率偏差接近限值，而當(dāng)穿透率為5%時頻率偏差最大值為－0．116Hz，對應(yīng)的頻率偏差有效值為0．08Hz。為適應(yīng)需充分考慮新能源大規(guī)模新能源發(fā)電接入電網(wǎng)，發(fā)電的出力波動性和間歇性，將電網(wǎng)運行調(diào)度計新能源發(fā)電的發(fā)電功率預(yù)測相結(jié)合

。

圖9

圖7

新能源發(fā)電穿透功率較小時電網(wǎng)頻率變化

火電廠單機等效模型結(jié)構(gòu)

圖8為考慮自動發(fā)電控制時包含3臺火力發(fā)電機組的電網(wǎng)頻率變化對新能源發(fā)電站輸出功率

波動的傳遞函數(shù)頻率特性，由圖8可知1．0Hz以下頻段該傳遞函數(shù)的幅值很小，即該頻段的功率波動主要是由火電機組的轉(zhuǎn)動慣量所抑制。由于自動發(fā)電控制系統(tǒng)的測量時間和控制信號傳遞的時間一般延時為10s，可將頻率變化對功率波動的傳遞函數(shù)幅值特性劃分成3個區(qū)域，其中A區(qū)

B區(qū)與C區(qū)的分與B區(qū)的分界頻率為0．05Hz，界頻率為1．0Hz

。

圖10不同穿透功率時新能源發(fā)電接入電網(wǎng)頻率

3新能源發(fā)電對電網(wǎng)諧波的影響

圖8電網(wǎng)頻率對功率波動傳遞函數(shù)的幅值特性

新能源并網(wǎng)發(fā)電站主要包括并網(wǎng)光伏發(fā)電站

和并網(wǎng)風(fēng)電場兩種類型，由于并網(wǎng)光伏逆變器的絕緣柵雙極型功率開關(guān)（IGBT）的物理特性，以及采用脈寬調(diào)制控制方法的逆變器自身特點，并網(wǎng)光伏電站運行時會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓電流諧波，且由光照強度變化（如自然光照強度變化、浮云的物體的陰影效應(yīng)等）引起光伏電站輸陰影效應(yīng)、

出功率的波動間歇變化以及光照不對稱都會引起

為分析新能源發(fā)電站接入對小電網(wǎng)頻率的影

響，建立圖9所示的火電廠單機等效模型，利用前述風(fēng)電場的實測功率數(shù)據(jù)仿真分析不同穿透功率下電網(wǎng)頻率變化曲線如圖10所示。圖10（a）為單臺1．5MW新能源發(fā)電機組功率，設(shè)上述電網(wǎng)

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