新能源发电并网对电网电能质量的影响研究

  本文关键词：新能源发电并网对电网电能质量的影响研究，由笔耕文化传播整理发布。

第40卷第2期2012年2

月Vol．40No．2Feb．2012

新能源发电并网对电网电能质量的影响研究

12333

吕志盛，闫立伟，罗艾青，王强钢，周念成

（1．重庆电力科学试验研究院，重庆401123；2．浙江省电力公司余杭供电局，杭州311100；

3．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044）

摘

要：阐述了由于新能源并网发电系统出力的间歇性和不确定性等特点，接入电网后将对电网电能质量造

成不利影响。利用风电场和光伏发电站的实测电能质量数据，从馈线稳态电压偏差、电压波动和闪变、频率质量以及谐波等方面，系统地分析了新能源发电站对电网电能质量可能产生的影响；结合仿真实例分析了不同以及电网不对称故障使新能源发电机组产生的附加穿透比例时新能源发电功率波动引起的电网频率波动，

谐波电流。指出亟需建立新能源并网发电系统量测平台和综合评价体系。关键词：新能源并网发电；电能质量；频率波动；不对称故障

），作者简介：吕志盛（1982-男，硕士，工程师，主要从事电力系统运行与控制、电能质量等方面的研究。中图分类号：TM619；TM71

文献标志码：A

9529（2012）02-0251-06文章编号：1001-基金项目：重庆市自然科学基金项目（CSTC2009BB6190）；输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目（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）

风力发电和光伏发电等分布式发电技术已成为最具开发潜力的可再生能源发电技术。为保证可再生能源的最大利用率，并网新能源发电系统都采用适当控制策略尽可能保证有功功率的最大输出，由于风电场风速（或光伏电站光照强度）动态波动变化，新能源并网发电站的输出功率存在较大随机波动，间歇性的功率波动将对大电网的电能质量造成不利影响。

通常新能源发电系统大部分采用电力电子装置实并网，电力电子装置产生的电压电流谐波也

甚至电网不对称故障产生的负序是不可避免的，

与新能源发电站电压以及电网自身的电压谐波，

变流器相互作用，将导致变流器产生附加谐波电流

［1］

。当大电网具有足够的备用容量和调节能

一般不必考虑新能源发电站功率波动引起的力，

频率偏差，而主要考虑功率波动引起的电压波动和闪变。一旦新能源发电站所接入电网的有功调节能力不足，则决定新能源发电站穿透功率极限的主要因素是电网频率波动和稳定性

［2］

。

新能源发电站的接入对于电网电能质量将产

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生较大影响，有必要研究新能源发电站引起的电

能质量问题，以保证并网新能源发电系统的可靠和稳定运行。本文将利用国内某风电场和光伏发电站的实际案例，从馈线稳态电压偏差、电压波动频率质量以及谐波等方面分析新能源发和闪变、

电站对电网电能质量产生的影响，系统地评估新能源发电并网运行的安全性和可靠性，为大规模新能源发电站接入电网的调控和管理提供依据。

从而使得最小游输送的功率减小甚至出现逆流，

运行方式下新能源发电站不同位置并网的馈线电

压分布，与最大运行方式相比馈线电压有着较大的上升。曲线5～曲线7为虚线代表新能源发电

可见接入位置分站多点接入时的稳态电压曲线，

散时的电压曲线比电源集中时电压曲线要平滑，布置越分散则馈线末端节点的电压也被抬得越

高

。

1

1．1

新能源发电对电网电压的影响

新能源发电对馈线稳态电压的影响

电力系统中一般通过投切电容器和改变有载调压变压器（LTC）的分接头调压调节电压，此外很少配置其他的动态无功调节设备。若新能源发电接入电网所占比例较大，新能源发电站的功率波动性将使线路的负荷潮流也极易波动且变化较大，加大电网正常运行时的电压调整难度，从而使得原有的调压方案不一定能满足新能源发电站接入后的电网电压要求。图1中新能源发电站未接入时配电馈线1～13节点电压均在限制范围内，此时变电站有载调压变压器分接头位于+4档；当新能源发电站接入变电站低压侧时，由于流过主变压器功率减少，若分接头没有降档位仍位于+5档，则此时馈线后端节点的电压将越限。可见按原有的调压策略将可能使用户侧电压水平降低，因此针对新能源发电站接入电网改进传统的调压方案十分必要

。

图2

新能源发电接入不同位置时馈线电压

新能源发电站与电网的公共连接点电压稳态

变化由新能源发电穿透功率、接入电网短路容量和输电线路阻抗共同决定，图3为某地50MW风电场公共连接点电压随风电场输出功率波动的实测曲线，可见风电场功率输出对电网电压有一定支撑作用，风电场的有功输出越大则电压支撑程度越强。风电场无功出力也将影响电网稳态电压，由图4可知风电场输出无功基本维持在0．5－1．0Mvar，且当风电场当风速较低时风电场功

图1新能源发电接入前后馈线电压

图2为馈线最大和最小运行方式下新能源发电站接入配电馈线不同位置时馈线电压分布曲

线。曲线1的接入位置为主变电站母线，曲线2～曲线4的接入位置则逐渐向线路末端靠近，可知当新能源发电站距离主变电站母线越远，则馈线电压升得越高。由于在最小运行方式下，新能源发电站容量相对于负荷的比例大，使得电站上

率因数越过限值。

1．2新能源发电对电网电压波动和闪变的影响电网电压波动和闪变主要由新能源发电站中机组的开停机、出力随一次能源波动变化，以及发电站补偿电容器投切造成。新能源发电站输出功率波动是其引起电网电压波动和闪变的直接原

其中风速变化是风电场输出功率波动的主因，因，

风速的湍流强度与电压波动和闪变近似成正比关

吕志盛，等新能源发电并网对电网电能质量的影响研究

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图3

新能源发电公共连接点电压随有功功率变化

图4新能源发电输出无功功率随有功功率变化图5

新能源发电公共连接点电压闪变

3］系增长。文献［中分析了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换过程中产生的电压波动和闪

变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变得出恒速定桨距风电机组在切换过程作了比较，

中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大，而对于恒速变桨距风电机组结论相反。

图5为3个连续运行日内风电场公共连接电图中长时闪变基本压短时和长时闪变实测曲线，

小于限值0．8但短时闪变频繁超出1．0限值。变速恒频风电机组能够平滑功率波动有效减小功率波动产生的电压波动和闪变，由于其在低风速区域和高风速区域采用不同控制方式，连续运行过程中机组的出力在不同风速范围具有不同特点，从而导致风电场在低风速区域也可能引起较大的闪变水平上升。变速风电机组利用功率平滑控制能够有效减小功率波动产生的电压波动和闪变，而对于恒速风电机组在高风速时采用失速控制也可减小电压闪变。

光伏发电站的输出功率随光照强度和温度波动变化，图6为某地6MW光伏并网发电站接入电网时，发电站与电网公共连接点在24h时间内

图中C相电压波动大于A和的相电压波动曲线，

B相，且C相电压波动多次超出4%限制。通常

新能源发电站所接入的电网短路容量越大，

则表

图6

新能源发电公共连接点电压波动

明该配电网络越坚强，新能源发电站的功率波动以及启动和停机引起的公共接入点的电压波动和

闪变就越小。若新能源发电站接入的电网较薄弱时，则在设计时需要选择合适的并网点和电压等级。为了分析新能源发电站的功率波动所引起的电网电压波动，需要区分新能源发电站和电网其

4］通过对接他部分产生的电压波动，其中文献［入电网的风电场进行电流源等效，将实际测量的

风电场的输出电流分解为有限数量正弦波形，建立计算全电网电压波动的频域分析方法。

2新能源发电对电网频率的影响

电力系统运行中频率异常的情况很少发生，图7为并网光伏发电站的频率变化曲线，可见当光伏发电站容量较小时即使在多台机组投切时也不会引起电网频率越限。当新能源发电站的发电

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容量占电网内总发电量比例逐步增大后，由于新

能源发电机组出力具有一定的随机性，可能导致电网内的频率时常出现波动，对用户和电力系统

5］本身都会造成不良后果。文献［将风电场功率波动对电网的影响等效成一个传递函数即为火电机组转速变化与风电场的输出功率波动的传递函

数，建立了风电功率波动对系统频率的评估模型，并得出考虑火电机组的自动发电控制系统时0.01～1．0Hz的功率波动对大电网的影响最大

。

可见当新能源发电允许的频率偏差为±0．5Hz，

机组的穿透率为18%时最大频率偏差接近限值，而当穿透率为5%时频率偏差最大值为－0．116Hz，对应的频率偏差有效值为0．08Hz。为适应需充分考虑新能源大规模新能源发电接入电网，发电的出力波动性和间歇性，将电网运行调度计新能源发电的发电功率预测相结合

。

图9

图7

新能源发电穿透功率较小时电网频率变化

火电厂单机等效模型结构

图8为考虑自动发电控制时包含3台火力发电机组的电网频率变化对新能源发电站输出功率

波动的传递函数频率特性，由图8可知1．0Hz以下频段该传递函数的幅值很小，即该频段的功率波动主要是由火电机组的转动惯量所抑制。由于自动发电控制系统的测量时间和控制信号传递的时间一般延时为10s，可将频率变化对功率波动的传递函数幅值特性划分成3个区域，其中A区

B区与C区的分与B区的分界频率为0．05Hz，界频率为1．0Hz

。

图10不同穿透功率时新能源发电接入电网频率

3新能源发电对电网谐波的影响

图8电网频率对功率波动传递函数的幅值特性

新能源并网发电站主要包括并网光伏发电站

和并网风电场两种类型，由于并网光伏逆变器的绝缘栅双极型功率开关（IGBT）的物理特性，以及采用脉宽调制控制方法的逆变器自身特点，并网光伏电站运行时会产生相应的电压电流谐波，且由光照强度变化（如自然光照强度变化、浮云的物体的阴影效应等）引起光伏电站输阴影效应、

出功率的波动间歇变化以及光照不对称都会引起

为分析新能源发电站接入对小电网频率的影

响，建立图9所示的火电厂单机等效模型，利用前述风电场的实测功率数据仿真分析不同穿透功率下电网频率变化曲线如图10所示。图10（a）为单台1．5MW新能源发电机组功率，设上述电网

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