中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，新能源在我國(guó)的裝機(jī)并網(wǎng)容量也在不斷增加。但在新能源發(fā)電并網(wǎng)的過(guò)程中，由于多數(shù)能源的波動(dòng)性較強(qiáng)，輸出功率穩(wěn)定性差，以及新能源并網(wǎng)中所需電力電子裝置產(chǎn)生的附加諧波，這些都會(huì)引起新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。
本文綜述了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題，簡(jiǎn)述了這些問(wèn)題帶來(lái)的危害，并分析了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量的原因。
前言
隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，一些新能源在我國(guó)的裝機(jī)并網(wǎng)容量也在不斷增加。以風(fēng)電為例，2016年，中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量為2337萬(wàn)千瓦，累積裝機(jī)容量達(dá)到16873萬(wàn)千瓦，居于世界首位。風(fēng)電上網(wǎng)電量在2016年達(dá)到 2410 億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng) 29.4%，這一增幅位居同期的第三高位。但在新能源發(fā)電并網(wǎng)的過(guò)程中，由于多數(shù)能源的波動(dòng)性較強(qiáng)，輸出功率穩(wěn)定性差，同時(shí)，由于多數(shù)新能源及其接入過(guò)程需要電力電子裝置來(lái)整流逆變等，這也在一定程度上產(chǎn)生附加諧波，這些都會(huì)引起新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。
新能源并網(wǎng)帶來(lái)的常見(jiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題包括：電壓波動(dòng)、電壓偏差、電力諧波等。本文綜述了新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題，簡(jiǎn)述了這些問(wèn)題帶來(lái)的危害，并分析了新能源并網(wǎng)引起這些電能質(zhì)量問(wèn)題的原因。
1、新能源并網(wǎng)與電網(wǎng)電壓波動(dòng)
1.1 電壓波動(dòng)的含義和表述
電壓波動(dòng)定義為電壓均方根值的一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動(dòng)取值為一系列電壓均方根值變化中的相鄰兩個(gè)極值之差與標(biāo)稱(chēng)電壓的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，其波動(dòng)大小可由式（1）計(jì)算得到。
這里以d的大小作為電壓波動(dòng)的量度。為了區(qū)分電壓波動(dòng)和電壓偏差，在國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中特別對(duì)電壓的波動(dòng)性給出了定義，即均方根值電壓的變化速率不低于每秒0.2％。
電壓變動(dòng)發(fā)生的次數(shù)是分析電壓均方根值變化特性的另一個(gè)重要指標(biāo)。我們把單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為電壓變動(dòng)頻度 ，一般以時(shí)間的倒數(shù)作為頻度的單位。
相關(guān)規(guī)定對(duì)新能源并網(wǎng)引起的電壓波動(dòng)制訂了標(biāo)準(zhǔn)：例如對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，國(guó)家標(biāo)淮 GB/T 19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和GB /T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》中給出了不同電壓等級(jí)公用電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)限值。
1.2 電壓波動(dòng)的危害
電壓波動(dòng)會(huì)工業(yè)生產(chǎn)以及人們生活帶來(lái)多種影響，甚至造成嚴(yán)重危害。至少包括以下幾個(gè)方面：
電壓波動(dòng)會(huì)造成直接與交流電源相連的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。
導(dǎo)致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電子換流器換相失敗等。
電壓快速變動(dòng)引起照明光源的閃爍，會(huì)使人眼感到疲勞甚至難以忍受而產(chǎn)生煩躁情緒，以致降低人們的生活質(zhì)量或者工作效率等。
對(duì)某些對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的工藝過(guò)程或試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不良影響。
導(dǎo)致電子儀器和設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)控制生產(chǎn)線以及辦公自動(dòng)化設(shè)備等工作不正常，或受到損壞。
使得電視機(jī)畫(huà)面亮度頻繁變化以及垂直和水平幅度搖動(dòng)。
1.3 新能源并網(wǎng)對(duì)電壓波動(dòng)的影響
電網(wǎng)的電壓分布情況由電網(wǎng)的潮流決定，一旦電網(wǎng)中電源注入的功率或負(fù)荷消耗的功率發(fā)生變化，將引起電網(wǎng)各母線節(jié)點(diǎn)的電壓發(fā)生變化。新能源并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)的根本原因是新能源電源輸出功率的波動(dòng)。
輸入能量變化及其他外界干擾是造成新能源電源輸出功率的波動(dòng)的原因之一。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組、光伏電池板等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，外界自然能源輸入的變動(dòng)是造成分布式電源輸出功率變化的主要原因。為了提高分布式電源的發(fā)電效率，很多機(jī)組采用了最大功率追蹤控制，而不是恒功率控制，當(dāng)外界資源條件發(fā)生變化時(shí)其輸出功率必然隨之變動(dòng)。此外，新能源的啟動(dòng)和停運(yùn)不受電網(wǎng)的控制也導(dǎo)致了新能源電源輸出功率的波動(dòng)。新能源電源的起動(dòng)和停運(yùn)與自然條件、用戶需求、政策法規(guī)、電力市場(chǎng)等諸多因素有關(guān)。新能源電源的調(diào)度和運(yùn)行，往往由電源的產(chǎn)權(quán)所有者來(lái)控制，而新能源電源的產(chǎn)權(quán)所有者往往不是電網(wǎng)公司。這樣就可能出現(xiàn)新能源電源隨機(jī)啟停甚至頻繁起停的情況。這種情況下，由于功率快速變化而且變動(dòng)幅度大，引起的電壓波動(dòng)也最為明顯。
2、新能源并網(wǎng)與電網(wǎng)電壓偏差
2.1 電壓偏差的含義和表述
供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)額定電壓之差相對(duì)于系統(tǒng)額定電壓的比值稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差
電壓偏差的計(jì)算式為
式中 δU —— 電壓偏差
Ure —— 實(shí)際電壓，kV
UN —— 系統(tǒng)額定電壓，kV。
電壓偏差僅僅針對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)而言。電壓偏差強(qiáng)調(diào)的是實(shí)際電壓偏離系統(tǒng)額定電壓的數(shù)值，與偏差持續(xù)的時(shí)間無(wú)關(guān)。通常，電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率往往小于額定電壓的1％。
中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12325—1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》對(duì)電壓偏差做出了詳盡規(guī)定。GB/T 12325-2003是GB 12325-1990的修訂版。
2.2 電壓波動(dòng)的危害
電壓偏差過(guò)大對(duì)眾多用電設(shè)備以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生極大的危害。
對(duì)用電設(shè)備的危害。當(dāng)電壓偏離額定電壓較大時(shí)，用電設(shè)備的運(yùn)行性能降低，很可能會(huì)因過(guò)電壓或過(guò)電流而損壞。
對(duì)電網(wǎng)的危害。，輸電線路的輸電能力將大幅度降低，可能會(huì)因?yàn)楣β史植嫉牟痪猱a(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率崩潰，造成系統(tǒng)解列。系統(tǒng)運(yùn)行電壓過(guò)高可能使系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備的絕緣受損，使帶鐵芯的設(shè)備發(fā)生磁飽和，產(chǎn)生大量諧波，并可能引發(fā)鐵磁諧振，同樣威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。
2.3 新能源電壓偏差問(wèn)題的特殊性
下面以最簡(jiǎn)單的輸電線路為例，來(lái)說(shuō)明無(wú)功功率與電壓損失的關(guān)系。圖2-1（a）是不計(jì)線路分布電容影響的一條輸電線路的等值電路，圖2-1（b）是對(duì)應(yīng)的相量圖。
圖2-1 簡(jiǎn)單輸電線路及其相量圖
其中，電壓降的縱分量和橫分量分別記作和
一般，線路兩端電壓的相角差δ較小，電壓降橫分量對(duì)電壓損失的影響可以忽略不計(jì)，可把電壓降的縱分量近似看作電壓損失，即
可見(jiàn)，形成電壓偏差的電壓損失是由線路輸送功率（包括有功功率P和無(wú)功功率Q）和線路阻抗參數(shù)（電阻R和電抗X）共同決定的。對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)的輸電線，由于X>> R，無(wú)功功率Q對(duì)ΔU的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率P的影響。當(dāng)線路的阻抗參數(shù)不滿足X>> R時(shí)，含有新能源的分布式電源的低壓配電網(wǎng)中，有功功率P對(duì)電壓損失ΔU的影響已經(jīng)不能忽略，有功功率P和無(wú)功功率Q的傳輸共同造成的線路上的電壓損失，形成電壓偏差。
3、新能源并網(wǎng)與電力諧波
3.1 電壓波動(dòng)的危害
國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)”。即諧波的次數(shù)h必須為基波頻率的整數(shù)倍。在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)非工頻頻率整數(shù)倍的周期性電流的波動(dòng)，為延續(xù)諧波概念，又不失其一般性，根據(jù)該電流周期分解出的傅里葉級(jí)數(shù)得出的不是基波整數(shù)倍頻率的分量，稱(chēng)為分?jǐn)?shù)諧波（fractional-harmonics），或稱(chēng)為間諧波（inter-harmonics）。頻率低于工頻的間諧波又稱(chēng)為次諧波（sub-harmonics）。
3.2 諧波的危害
諧波的危害主要表現(xiàn)在對(duì)電力的影響和對(duì)信號(hào)的干擾。其中幾個(gè)比較主要的方面包括：
對(duì)變壓器的影響。變壓器在基波頻率時(shí)的損耗最小，但其附加發(fā)熱受電壓畸變影響較大，尤其還受電流畸變的較大影響。
對(duì)電機(jī)的影響。電機(jī)受諧波電壓畸變的影響較大。在電機(jī)末端的諧波電壓畸變，在電機(jī)里表現(xiàn)為諧波磁鏈。諧波磁鏈對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有太大影響，但是它以與轉(zhuǎn)子同步頻率不同的頻率旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出高頻電流，其影響類(lèi)似于基波負(fù)序電流的影響。諧波電壓畸變將引起電機(jī)的效率下降、發(fā)熱、振動(dòng)和高頻噪聲。
諧波對(duì)電能計(jì)量的影響。電網(wǎng)中廣泛采用的模擬式儀表，如電壓表、電流表、功率表、無(wú)功功率表、電能表和儀用互感器等，在諧波的影響下將出現(xiàn)測(cè)量誤差。
諧波對(duì)通訊的干擾。配電系統(tǒng)或終端用戶設(shè)備中的諧波電流，將對(duì)同一路徑中的通迅線路產(chǎn)生干擾。
3.3 新能源并網(wǎng)產(chǎn)生電力諧波的原因
太陽(yáng)能光伏電池等新能源電源，其輸出電壓是直流電，需要經(jīng)過(guò)逆變器等電力電子設(shè)備把交流電轉(zhuǎn)換為工頻的交流電，才能接入交流電網(wǎng)。風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓頻率與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其并網(wǎng)往往都要經(jīng)過(guò)變頻器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的連接的變頻器，其中也包括電網(wǎng)側(cè)的逆變器環(huán)節(jié)。
這些變流器是通過(guò)電力電子器件的頻繁開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變換功能的，其輸入輸出關(guān)系具有明顯的非線性特征。開(kāi)關(guān)器件頻繁的開(kāi)通和關(guān)斷容易產(chǎn)生一系列的諧波分量，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。
除了分布式電源正常運(yùn)行時(shí)逆變器必然輸出的諧波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情況也會(huì)造成諧波增加。
4、新能源并網(wǎng)引起的其他電能質(zhì)量問(wèn)題
4.1 新能源并網(wǎng)與直流偏磁
光伏發(fā)電等新能源配套的儲(chǔ)能設(shè)備，與電網(wǎng)的連接是通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、等新能源，與電網(wǎng)的連接是通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)的，其中也包括電網(wǎng)側(cè)的逆變器環(huán)節(jié)。在某些非理想情況下，逆變器輸出的交流電流中可能含有直流分量，從而使系統(tǒng)中的變壓器產(chǎn)生周期性的嚴(yán)重磁飽和，造成變壓器直流偏磁現(xiàn)象。這些非理想情況包括：逆變器基準(zhǔn)正弦參考信號(hào)含有直流分量，逆變器控制電路中的運(yùn)算放大器有零點(diǎn)漂移，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間不對(duì)稱(chēng)，PWM調(diào)制過(guò)程中脈寬不平衡，驅(qū)動(dòng)信號(hào)不匹配，等等。
直流偏磁會(huì)引起變壓器飽和程度加深，勵(lì)磁電流大幅度增加，而且波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。變壓器直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電流幅值和波形的變化會(huì)對(duì)變壓器產(chǎn)生不良影響。直流偏磁引發(fā)的諧波和無(wú)功問(wèn)題，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的性能和安全造成影響。
4.2 新能源并網(wǎng)與三相不平衡
對(duì)于三相新能源電源而言，本身存在發(fā)生非對(duì)稱(chēng)性故障的可能性，比如單相接地短路、兩相接地短路或兩相相間短路等。在正常運(yùn)行情況下，由于新能源電源本身的三相功率不平衡，或者三相并網(wǎng)變流器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不對(duì)稱(chēng)，以及檢測(cè)和控制存在誤差等原因，使原本應(yīng)該三相平衡的功率輸出也出現(xiàn)一定程度的不平衡。而且隨著小型風(fēng)電機(jī)組、光伏電池板等小型分布式新能源發(fā)電技術(shù)的普及，單相分布式電源的數(shù)量可能會(huì)越來(lái)越多。這些單相分布式電源的接入，都會(huì)在一定程度上造成電網(wǎng)的三相不平衡，或者使電網(wǎng)的三相不平衡程度更加嚴(yán)重。
系統(tǒng)處于三相不平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)序分量的存在，會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不良影響。三相不平衡系統(tǒng)中的負(fù)序分量偏大，可能導(dǎo)致作用于負(fù)序電流的保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。負(fù)序電壓產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和輸出功率下降，還可能引起電動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。三相電壓不平衡使換流器的觸發(fā)角不對(duì)稱(chēng)，換流器將產(chǎn)生較大的非特征諧波。
5、結(jié)論
隨著光伏和風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源的迅猛發(fā)展，新能源并網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題需要引起更多的重視。由于新能源相對(duì)于傳統(tǒng)能源波動(dòng)性、隨機(jī)性強(qiáng)，接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也有所不同，此外隨著新能源的并網(wǎng)，電網(wǎng)中接入電力電子裝置的比例也有所提高，因此對(duì)于產(chǎn)生同樣電能質(zhì)量問(wèn)題的原因，傳統(tǒng)電網(wǎng)和并入新能源的電網(wǎng)也有可能不同，這樣對(duì)于新能源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題需采取不同的措施來(lái)處理。本文綜述了新能源并網(wǎng)后引起的電能質(zhì)量問(wèn)題，分析了新能源并網(wǎng)對(duì)電壓波動(dòng)、電壓偏差、電力諧波、直流偏磁、三相不平衡等常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題的影響，為提高新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量提供參考。
