韓 鹍

（國網(wǎng)渭南供電公司，陜西渭南 714000）

隨著全球氣候變化和環(huán)境保護(hù)意識的日益增強(qiáng)，新能源作為清潔、可再生的能源形式，正逐漸成為未來能源發(fā)展的重要方向。然而，當(dāng)新能源大規(guī)模接入傳統(tǒng)電網(wǎng)時(shí)，由于其天氣依賴性、間歇性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，為變電站的運(yùn)維帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為滿足社會對穩(wěn)定電力供應(yīng)的需求，電網(wǎng)系統(tǒng)須能夠適應(yīng)這種變化，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，探討新能源接入下的變電運(yùn)維挑戰(zhàn)及其解決方案，對于確保新能源與傳統(tǒng)電網(wǎng)的和諧共存、提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

1 新能源接入的主要形式與技術(shù)特點(diǎn)

在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，新能源技術(shù)逐漸成為未來能源發(fā)展的重要趨勢，該技術(shù)不僅對環(huán)境影響較小，且其再生性有助于解決當(dāng)下對傳統(tǒng)化石燃料的依賴問題。從太陽能到風(fēng)能，再到各種儲能技術(shù)，新能源技術(shù)日趨多樣化和成熟，其接入形式如圖1所示。

圖1 新能源接入電網(wǎng)形式示意

1.1 太陽能光伏

太陽能光伏技術(shù)是利用半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。當(dāng)太陽光照射到光伏電池上，光子與半導(dǎo)體中的硅材料產(chǎn)生相互作用，激發(fā)出游離的電子和空穴。這些電子和空穴在內(nèi)部電場的驅(qū)動下移動，形成電流并輸出電能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏材料從單晶硅、多晶硅發(fā)展到薄膜材料和高效率的異質(zhì)結(jié)材料。為提高整體系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)代光伏系統(tǒng)不僅關(guān)注電池本身的性能，還對最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)、逆變器技術(shù)和系統(tǒng)集成進(jìn)行了大量的研究與優(yōu)化。盡管光伏技術(shù)能夠提供一種清潔、可再生的能源解決方案，但其間歇性和天氣依賴性也為電網(wǎng)的調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 風(fēng)能

風(fēng)能技術(shù)是通過風(fēng)力驅(qū)動風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能，進(jìn)一步通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。風(fēng)能的最大特點(diǎn)是其可再生、清潔且在適合的地理位置下資源豐富。風(fēng)機(jī)主要分為水平軸和垂直軸兩大類，而現(xiàn)代大型風(fēng)電場主要使用的是三葉片水平軸風(fēng)機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音和最小化影響環(huán)境。為提高風(fēng)電的輸出穩(wěn)定性，現(xiàn)代風(fēng)電系統(tǒng)還配備了先進(jìn)的葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風(fēng)速和風(fēng)向預(yù)測技術(shù)、以及與電網(wǎng)的無縫集成技術(shù)。盡管風(fēng)能可提供巨大的電力來源，但其強(qiáng)烈的間歇性和不可預(yù)測性對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，特別是在風(fēng)能占電網(wǎng)總供電比例高的情況下。

1.3 儲能技術(shù)

儲能技術(shù)是近年來新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其解決了太陽能和風(fēng)能等新能源間歇性和不可預(yù)測性所帶來的挑戰(zhàn)。儲能技術(shù)使得能量可在產(chǎn)生時(shí)被捕獲，并在需要時(shí)被釋放，從而提供電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行和調(diào)度靈活性。主流的儲能技術(shù)包括化學(xué)儲能，如鋰離子電池、固態(tài)電池等；物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣蓄能等；熱能儲存，如相變材料和熱鹽儲存。其中，鋰離子電池因其高能量密度、長壽命、快速響應(yīng)特性在短時(shí)調(diào)峰和頻率調(diào)節(jié)中展現(xiàn)了巨大潛力[1]。而抽水蓄能則在大規(guī)模、長時(shí)的儲存和放電中具有較大優(yōu)勢。

1.4 其他新能源形式

除太陽能、風(fēng)能和儲能技術(shù)，新能源領(lǐng)域還擁有多種其他創(chuàng)新形式，具體如下：①生物能源。例如，生物質(zhì)和生物燃料，利用有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)能量，不僅可減少溫室氣體排放，還可提供可再生的替代能源來源。②潮汐和波浪能源。利用海洋的動態(tài)能量，通過特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)捕獲和轉(zhuǎn)化為電力。③地?zé)崮茉?。另一種可持續(xù)能源形式，直接利用地球內(nèi)部的熱能來產(chǎn)生電力或供暖。④氫能。其作為一種清潔能源，通過電解或化學(xué)方法從水或其他化合物中提取，被認(rèn)為是未來的重要能源載體。這些新能源形式不僅豐富了能源結(jié)構(gòu)，還為減少溫室氣體排放、提高能源效率及確保能源安全提供了創(chuàng)新的解決方案。

2 變電運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

2.1 接入容量與變電站容量的匹配問題

在新能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，接入容量與變電站容量的匹配問題日益凸顯。某地區(qū)在過去的3a 中，接入的風(fēng)能容量逐年增長，而相應(yīng)的變電站的實(shí)際容量卻未能同步增長（如圖2所示），導(dǎo)致了超載比例逐年上升，從2020年的12.5%增至2022年的38.9%。

圖2 某地區(qū)風(fēng)能接入容量與變電站實(shí)際容量對比

風(fēng)能作為一種間歇性強(qiáng)、波動性大的新能源，其接入的穩(wěn)定性對電網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。但當(dāng)風(fēng)能并網(wǎng)容量超過變電站的設(shè)計(jì)容量時(shí)，不僅可能導(dǎo)致設(shè)備過熱、損壞，還可能因超載引發(fā)電網(wǎng)保護(hù)裝置的誤動作，甚至可能導(dǎo)致局部或整個(gè)電網(wǎng)的失穩(wěn)。因此，針對風(fēng)能這一特定的新能源，確保其接入容量與變電站容量的精確匹配，不僅是保障電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的前提，更是提高風(fēng)電并網(wǎng)效率，降低維護(hù)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 新能源的間歇性與不穩(wěn)定性

風(fēng)能和太陽能產(chǎn)能受自然條件的強(qiáng)烈影響，表現(xiàn)出明顯的間歇性和不穩(wěn)定性。以太陽能光伏發(fā)電為例，其間歇性和不穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)運(yùn)維面臨的主要挑戰(zhàn)之一。太陽能光伏發(fā)電的輸出與太陽輻射強(qiáng)度直接相關(guān)，但太陽輻射受云層覆蓋、季節(jié)變化和日夜循環(huán)的影響，會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出具有明顯的時(shí)間和空間變異性。例如，當(dāng)太陽被厚重的云層遮擋時(shí)，光伏板的發(fā)電量會急劇減少，而當(dāng)云層散去時(shí)，發(fā)電量又會迅速恢復(fù)。這種快速變化對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)，可能引發(fā)電壓和頻率的波動[2]。此外，光伏發(fā)電的日夜循環(huán)特性意味著在夜間無法產(chǎn)生電能，而在日照充足的午后，其產(chǎn)生的電能可能超過電網(wǎng)的需求。因此，這種間歇性和不穩(wěn)定性要求電力系統(tǒng)具有良好的調(diào)度能力和足夠的備用容量，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。同時(shí)，這也加大了儲能技術(shù)和先進(jìn)電網(wǎng)管理策略在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性。

2.3 保護(hù)與控制系統(tǒng)的復(fù)雜性增加

隨著新能源大規(guī)模并入電網(wǎng)，變電站的保護(hù)與控制系統(tǒng)面臨著日益增長的復(fù)雜性，具體如下：①與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，新能源的功率輸出特性、短路電流特性及其對電網(wǎng)故障的響應(yīng)機(jī)制都存在差異，要求保護(hù)與控制系統(tǒng)須進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)和調(diào)整；②多源并入意味著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，故障點(diǎn)可能性增加，導(dǎo)致保護(hù)策略需要更高的靈敏度和選擇性；③為最大化新能源的利用，電網(wǎng)經(jīng)常需要運(yùn)行在非傳統(tǒng)或非最優(yōu)狀態(tài)，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的控制復(fù)雜性。與此同時(shí)，為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全，保護(hù)和控制策略須能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)并處理新能源的快速變化和可能的故障。因此，現(xiàn)代變電站的保護(hù)與控制系統(tǒng)不僅需要具備高度的智能化和自適應(yīng)能力，還要能夠與其他系統(tǒng)（如能源管理系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)等）進(jìn)行有效的信息交互和協(xié)同工作。

2.4 電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行問題

隨新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行面臨前所未有的考驗(yàn)。新能源的間歇性和隨機(jī)性導(dǎo)致電網(wǎng)供需平衡難度增大，易引發(fā)頻率和電壓波動。此外，多數(shù)新能源電站采用電力電子接口，其短路容量低，不易為系統(tǒng)提供足夠的慣性，使得電網(wǎng)對外部擾動的抗干擾能力減弱。同時(shí)，電力電子設(shè)備可能引入次諧波和諧波，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。還需考慮大規(guī)模新能源接入可能導(dǎo)致傳統(tǒng)保護(hù)裝置誤動作或失靈，從而加大故障隔離和服務(wù)恢復(fù)難度的情況。因此，為維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、保護(hù)和控制策略都須進(jìn)行全面的創(chuàng)新和優(yōu)化，確保在高比例新能源接入的情況下，電力系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對各種異常情況，確保供電的穩(wěn)定性和安全性。

3 技術(shù)性解決方案

3.1 高效的電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)

為應(yīng)對新能源接入帶來的電能質(zhì)量問題，高效的電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵：①采用高精度、寬帶寬的采樣技術(shù)，確保能準(zhǔn)確捕捉到次諧波、瞬時(shí)電壓峰值等短時(shí)異?，F(xiàn)象；②通過先進(jìn)的實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)，如小波變換、短時(shí)傅里葉變換，對信號進(jìn)行頻率分解，實(shí)時(shí)檢測和定位電網(wǎng)中的諧波、電壓波動、頻率偏移等問題；③智能診斷算法可自動分析數(shù)據(jù)，判斷電能質(zhì)量異常的原因及其可能影響，從而為操作員提供決策建議；④采用邊緣計(jì)算和云計(jì)算的混合架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與分析，保證監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.2 動態(tài)調(diào)度與優(yōu)化策略

針對新能源的接入導(dǎo)致的電網(wǎng)運(yùn)行復(fù)雜性增加，動態(tài)調(diào)度與優(yōu)化策略的引入成為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。采用先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，基于歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練出電網(wǎng)運(yùn)行的預(yù)測模型，通過此模型對新能源輸出、負(fù)荷波動等進(jìn)行短期和中期預(yù)測。結(jié)合實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，這些預(yù)測數(shù)據(jù)會被輸入到優(yōu)化引擎中，該引擎采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，如遺傳算法或粒子群優(yōu)化，以確保電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、最小化線損和維持電壓穩(wěn)定。得到的優(yōu)化策略會直接反饋到場地的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行負(fù)荷側(cè)管理、儲能系統(tǒng)的充放電控制及對新能源的輸出進(jìn)行有序調(diào)度。此外，控制系統(tǒng)還引入了容錯和故障恢復(fù)機(jī)制，當(dāng)某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)能夠快速調(diào)整策略，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 新型電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用

面對新能源并網(wǎng)所帶來的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)，如分布式發(fā)電導(dǎo)致的電流方向可逆性、電壓波動等。為此，新型電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，具體如下：①引入同步測量技術(shù)（如PMU）實(shí)時(shí)捕獲電網(wǎng)的全局狀態(tài)，確保對異常情況的快速響應(yīng)；②基于寬區(qū)測量系統(tǒng)（WAMS）的數(shù)據(jù)分析，保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大范圍電網(wǎng)異常的識別和定位；③采用自適應(yīng)保護(hù)策略，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)調(diào)整保護(hù)參數(shù)，提高對新能源波動的容忍性；④通過深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)故障診斷和故障預(yù)測算法，實(shí)現(xiàn)對潛在問題的預(yù)警，降低故障風(fēng)險(xiǎn)；⑤與通信技術(shù)結(jié)合，如5G 和光纖通信，保障保護(hù)指令的實(shí)時(shí)傳輸和執(zhí)行，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 電池儲能技術(shù)在變電運(yùn)維中的應(yīng)用

電池儲能技術(shù)在變電運(yùn)維中的應(yīng)用已成為提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和彈性的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)可有效緩解新能源，如太陽能和風(fēng)能的輸出間歇性，保證電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性，具體如下：①高級電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)時(shí)監(jiān)測各電池單體的健康狀況、電壓、電流和溫度，確保儲能系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行；②當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷減少或新能源產(chǎn)出過剩時(shí)，電池儲能系統(tǒng)可吸收并存儲這些多余能量，而在負(fù)荷高峰或新能源產(chǎn)量不足時(shí)，該系統(tǒng)能迅速釋放儲存的能量，滿足電網(wǎng)需求；③電池儲能有助于提供頻率調(diào)節(jié)、無功功率支持和電壓穩(wěn)定，進(jìn)一步增強(qiáng)電網(wǎng)的韌性。

4 結(jié)束語

隨著全球?qū)稍偕茉吹某掷m(xù)關(guān)注和追求，新能源在電網(wǎng)中的比重逐漸增加。這種趨勢雖然為電網(wǎng)帶來了清潔和綠色的能源選擇，但同時(shí)也為變電運(yùn)維提出了一系列前所未有的挑戰(zhàn)。文章從新能源接入的多種形式和其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)入手，深入剖析了變電運(yùn)維在當(dāng)前背景下所面臨的問題。為應(yīng)對這些復(fù)雜問題，探討了一系列技術(shù)性解決方案。隨著技術(shù)研發(fā)的不斷深入和應(yīng)用的廣泛推廣，有望更好地實(shí)現(xiàn)變電運(yùn)維的自動化和智能化，確保電網(wǎng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行。