新能源接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題
——專訪中國電力科學(xué)院電能質(zhì)量專家于坤山（摘選）

【專家簡介】于坤山，男，1963.1生，碩士，湖南臨澧人，教授級高工。1994年被批準享受國務(wù)院政府特殊津貼的專家，1999年獲得人事部有突出貢獻的中青年專家稱號和首屆中國電機工程青年科技獎。電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準化技術(shù)委員會副主任委員。現(xiàn)任輸配電及節(jié)電技術(shù)國家工程研究中心總工程師、中國電力科學(xué)研究院電力電子研究所所長。

記者：于總，您好！非常感謝您在百忙之中就電能質(zhì)量的有關(guān)問題接受我們的采訪。新能源是目前比較熱點的話題，能否請您談?wù)勥@方面的情況？

于坤山：新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。一般地說，常規(guī)能源是指技術(shù)上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規(guī)模利用、正在積極研究開發(fā)的能源。因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作常規(guī)能源，而把太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能以及核能、氫能等作為新能源，其中太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽苡址Q為可再生能源。隨著技術(shù)進步、節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的建立，過去一直被視作垃圾的工業(yè)與生活有機廢棄物被重新認識，作為一種能源資源化利用的物質(zhì)而得到深入研究和開發(fā)利用，因此，廢棄物的資源化利用也可看作是新能源技術(shù)的一種形式。

相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當(dāng)今世界嚴重的環(huán)境污染和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。面對石油、煤礦等資源將加速減少的趨勢，核能、風(fēng)能、太陽能等新能源將成為主要能源。

記者：在所有新能源中，目前已進入工業(yè)應(yīng)用并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響電能質(zhì)量的新能源發(fā)電型式主要是什么？

于坤山：在所有新能源中，目前已進入工業(yè)應(yīng)用并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響電能質(zhì)量的新能源發(fā)電型式主要為：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電。

一、風(fēng)電接入對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)風(fēng)況對并網(wǎng)風(fēng)電機組引起的電壓波動和閃變影響很大，尤其是平均風(fēng)速和湍流強度的變化。

(2)隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)電機組產(chǎn)生的電壓波動和閃變也不斷增大。當(dāng)風(fēng)速達到額定風(fēng)速并持續(xù)增大時，恒速風(fēng)電機組產(chǎn)生的電壓波動和閃變繼續(xù)增大，而變速風(fēng)電機組因為能夠平滑輸出功率的波動，產(chǎn)生的電壓波動和閃變則減小 。

(3)湍流強度對電壓波動和閃變的影響較大，兩者幾乎成正比例增長關(guān)系。

(4)在塔影、風(fēng)剪切和有限的槳距調(diào)節(jié)范圍的聯(lián)合作用下，恒速變槳距風(fēng)電機組持續(xù)運行過程中的功率波動幅值非常大，從而產(chǎn)生較大的電壓波動和閃變。恒速變槳距風(fēng)電機組可以控制葉輪轉(zhuǎn)矩，啟動時產(chǎn)生的電壓波動和閃變比較小。

(5)恒速定槳距風(fēng)電機組,由于啟動時無法控制葉輪轉(zhuǎn)矩，而持續(xù)運行過程中的功率波動較小，所以在切換操作過程中產(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。

(6)變速恒頻風(fēng)電機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，變流器始終處于工作狀態(tài)，其產(chǎn)生的諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，即與風(fēng)速大小、變流器裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)及其配套安裝的濾波裝置、電網(wǎng)的短路容量等有關(guān)。

二、太陽能發(fā)電站接入對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)太陽輻射變化引起的發(fā)電功率的波動，引起接入點電壓的變化。

(2)采用逆變器接入電網(wǎng)方式，其逆變器運行中會產(chǎn)生一定量的高次諧波。應(yīng)關(guān)注諧波對補償電容器和用電設(shè)備的影響。

(3)對于并網(wǎng)運行的太陽能電站，當(dāng)發(fā)電容量超過負荷需要的功率時，會出現(xiàn)逆向潮流，此時應(yīng)關(guān)注逆向潮流的影響，并采取相應(yīng)的控制和保護措施。

(4)因各種故障，發(fā)生太陽能電站所在系統(tǒng)與接入電網(wǎng)解列時，形成孤島運行，此時應(yīng)評估系統(tǒng)的運行能力和相應(yīng)的減載、控制及保護措施，以確保系統(tǒng)可靠和再接入時的穩(wěn)定。

記者：請您具體介紹風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響？

于坤山：風(fēng)力發(fā)電機組在正常運行時給電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量影響的主要三個方面：

一：諧波

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種:一種是風(fēng)力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。 對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機,軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連,會產(chǎn)生一定的諧波。

由于補償風(fēng)力發(fā)電機功率因數(shù)的并聯(lián)補償電容器也可能和系統(tǒng)電抗發(fā)生諧振,而造成對諧波的的放大。

圖一：恒速風(fēng)電機組的電流和電壓波形

二：電壓穩(wěn)定性

大型風(fēng)電場及其周圍地區(qū),常常會有電壓波動大的情況。風(fēng)力發(fā)電機組啟動時,會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小,但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時間后 (約幾十秒)才消失。多臺風(fēng)力發(fā)電機組同時直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降,因此多臺風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)需分組進行,且要有一定的間隔時間。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時,風(fēng)力發(fā)電機會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài),風(fēng)力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突降,而機端電容補償裝置，抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運行電壓,脫網(wǎng)后引起電網(wǎng)電壓的急劇下降。

三：頻率穩(wěn)定性

大型電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力,風(fēng)電接入,一般不必考慮頻率穩(wěn)定性問題,但是對于孤立運行的小型電網(wǎng)以及風(fēng)電裝機容量達到或超過電網(wǎng)裝機容量的20%時，風(fēng)電帶來的頻率偏移和穩(wěn)定性問題不容忽視。

為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,電網(wǎng)正常應(yīng)留有2%～3%的機組旋轉(zhuǎn)備用容量。由于風(fēng)電具有隨機波動特性,其發(fā)電出力隨風(fēng)力大小變化,為保證正常供電,電網(wǎng)需根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)電容量增加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量,風(fēng)電上網(wǎng)越多,旋轉(zhuǎn)備用容量也越多。為了保證風(fēng)電機組運行的安全穩(wěn)定和提高整個電網(wǎng)的運行經(jīng)濟性,必須考慮適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，如采用風(fēng)電與水火電打捆外送、采用靈活交流輸電技術(shù)進行動態(tài)潮流和動態(tài)無功電壓控制、采用大功率儲能裝置進行波動功率的快速跟蹤調(diào)節(jié)等。

記者：請您具體介紹光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響？

于坤山：先介紹一下太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成：

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池組件，光伏系統(tǒng)控制器，蓄電池和交直流逆變器等主要部件組成。

從光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接的設(shè)備就是并網(wǎng)逆變器。逆變器是通過功率半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能。在電能的轉(zhuǎn)換過程中，逆變器會吸收無功功率、引起諧波和直流量注入問題?，F(xiàn)代逆變器技術(shù)，可以達到較高的功率因數(shù)（一般0.95以上），其無功功率可以通過采用無功補償?shù)姆绞接枰越鉀Q。逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流大小與輸出功率、電網(wǎng)電壓和運行工況等因素有關(guān)，其諧波電流的發(fā)生量和諧波的頻譜都會發(fā)生變化。

記者：新能源接入電網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題，如何進行改善？

于坤山：為適應(yīng)未來新能源快速發(fā)展的趨勢，電網(wǎng)和新能源發(fā)電企業(yè)需要共同應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，電網(wǎng)企業(yè)需要加強電網(wǎng)的建設(shè)，采用先進的技術(shù)積極構(gòu)建堅強的“智能電網(wǎng)”，以接納更多的新能源發(fā)電電源；新能源發(fā)電企業(yè)也需要采取更先進的發(fā)電技術(shù)，最大限度的消除自身對電網(wǎng)的擾動，同時采用動態(tài)無功補償、諧波治理和大容量儲能技術(shù)，將新能源發(fā)電所造成的影響限制在較小的范圍內(nèi)。