郝 偉，蔣 勃，張 宇

（1.西安電力高等?？茖W(xué)校，西安 710032；2.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，西安 710032）

1 我國清潔能源發(fā)電的利用

1.1 水電

現(xiàn)階段，我國電力發(fā)電的主要類型之一仍然是水力發(fā)電。但是我國水資源分布不均勻，且質(zhì)量不高，水力發(fā)電會(huì)受到季節(jié)性豐水期、枯水期的影響，穩(wěn)定性不高，調(diào)節(jié)能力較差，因此我國利用水力發(fā)電的程度不高。在我國，三峽水電站有效地緩解了我國電力供應(yīng)緊張的問題。從水力發(fā)電來看，水力發(fā)電無污染、無能源消耗，且具有可循環(huán)利用的特點(diǎn)，因此值得進(jìn)一步開發(fā)利用。

1.2 太陽能發(fā)電

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國太陽能資源十分豐富，我國能接收到的太陽能輻射總量約為 930～2330（KW·h）／（m2·a）。 現(xiàn)階段，我國太陽能發(fā)電技術(shù)取得了相當(dāng)大的成就，而且光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，我國許多城市已經(jīng)建立起太陽能電池的專業(yè)生產(chǎn)廠家，其中在西藏7個(gè)沒有水、沒有電的縣域內(nèi)已經(jīng)全部建立起光伏電站。

l.3 風(fēng)能發(fā)電

從1996年開始，我國建立的風(fēng)電場出現(xiàn)跨越式發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國風(fēng)能資源可開發(fā)利用量為253GW，其中在內(nèi)蒙古、新疆以及東南沿海一些地區(qū)，有效的風(fēng)能密度通常大于200W／m2，有效的風(fēng)力時(shí)間均超過了70%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2004年底，我國14個(gè)省、市、自治區(qū)已經(jīng)建立起43座風(fēng)電場，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1291臺(tái)。而江蘇如東100MW風(fēng)電場、如東150MW第二風(fēng)電場、東臺(tái)1000MW風(fēng)電場在2015年將全部投入運(yùn)行。

1.4 海洋能發(fā)電

我國海洋能資源豐富，其中大陸的海岸線長達(dá)1.8萬千米。根據(jù)全國沿海普查資料，全國可開發(fā)的潮汐能裝機(jī)容量為21.73GW，年發(fā)電量為 61.9TW·h；浙閩兩省為高潮差區(qū)，可開發(fā)裝機(jī)容量19.24GW，年發(fā)電量55TW·h；全國沿海波浪能資源理論平均功率為12.85GW，潮流能14GW。此外，我國還有豐富的溫差能和鹽差能資源，理論發(fā)電裝機(jī)量近1.5TW。目前，我國在運(yùn)行發(fā)電的潮汐電站有7座，總裝機(jī)容量5930kW，年發(fā)電量10210MW·h。最早的沙山潮汐電站于1961年建成發(fā)電，裝機(jī)量40kW，最大的浙江江廈潮汐電站于1980年開始發(fā)電，裝機(jī)量3200kW，年發(fā)電量約60GW·h。

1.5 生物質(zhì)能發(fā)電

農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)是生物質(zhì)能資源的基礎(chǔ)，而我國恰恰是農(nóng)林業(yè)大國，因此生物質(zhì)能資源豐富，薪材、稻殼、秸稈以及城市有機(jī)廢物能源等都是大量可用于發(fā)電的生物質(zhì)能資源，除此之外，還有大量的工業(yè)廢水、垃圾以及城市生活污水。但是在現(xiàn)階段，我國的生物質(zhì)能發(fā)電開發(fā)利用的規(guī)模還很小。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)70年代我國開始試驗(yàn)稻殼等作物發(fā)電以來，總的發(fā)電量大約為5MW，其中發(fā)展出140個(gè)左右的小型發(fā)電裝置，容量約為2MW?，F(xiàn)階段，國外的城市垃圾發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，我國與國際接軌，也引進(jìn)了先進(jìn)發(fā)電設(shè)備，建設(shè)出發(fā)電裝機(jī)容量為4MW的垃圾發(fā)電站。

2 清潔能源接入對城市電網(wǎng)的影響

2.1 清潔能源對饋線穩(wěn)態(tài)電壓的影響

在電力系統(tǒng)中，電壓的調(diào)節(jié)通常是將通過電容器投切或者將有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)壓改變來實(shí)現(xiàn)的，而其他的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)設(shè)備就很少配置。如果在城市電網(wǎng)中接入清潔能源的比例較大，那么電網(wǎng)電路的負(fù)荷潮流容易受到清潔能源發(fā)電站功率波動(dòng)的影響產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這樣就加大了調(diào)正電網(wǎng)正常運(yùn)行電壓的難度。如此一來，在原有調(diào)壓方案不變的情況下，新能源發(fā)電站接入以后的城市電網(wǎng)的電壓要求就難以得到滿足。當(dāng)城市電網(wǎng)中沒有接入清潔能源的時(shí)候，配電饋線的節(jié)點(diǎn)電壓都在正常限制的范圍內(nèi)，而當(dāng)清潔能源接入城市電網(wǎng)低壓側(cè)時(shí)，因?yàn)樽儔浩鞴β蕼p少，饋線后端節(jié)點(diǎn)的電壓就會(huì)越限。如果按照城市電網(wǎng)原有的調(diào)壓方案就可能降低使用戶側(cè)電壓水平，因此在清潔能源接入城市電網(wǎng)之后的調(diào)壓方案必須要進(jìn)行改革。

當(dāng)清潔能源發(fā)電站與主變電站距離較遠(yuǎn)的時(shí)候，饋線電壓會(huì)上升很高。由于在最小運(yùn)行方式下，新能源發(fā)電站容量相對于負(fù)荷的比例大，使得電站上游輸送的功率減小甚至出現(xiàn)逆流，從而使得最小運(yùn)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(yùn)行方式相比饋線電壓有著較大的上升?？梢娊尤胛恢梅稚r(shí)的電壓曲線比電源集中時(shí)電壓曲線要平滑，布置越分散則饋線末端節(jié)點(diǎn)的電壓也被抬得越高。

清潔能源的輸電線路阻抗、發(fā)電穿透功率以及接入電網(wǎng)短路容量等3方面因素，共同決定了清潔能源發(fā)電站與城市電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電壓穩(wěn)態(tài)變化。以某地區(qū)50MW風(fēng)電場公共連接點(diǎn)電壓為研究對象，可以從其輸出功率波動(dòng)的實(shí)測曲線中看出來，城市電網(wǎng)在一定程度上受到風(fēng)電場功率輸出的支撐，且城市電網(wǎng)的電壓支撐強(qiáng)度會(huì)隨著風(fēng)電場的有功輸出變大而變大。據(jù)調(diào)查，該風(fēng)電場的無功輸出基本上是在0.5～1.0Mvar范圍內(nèi)，城市電網(wǎng)電壓的穩(wěn)態(tài)也會(huì)受此影響。

2.2 清潔能源對電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變的影響

清潔能源接入城市電網(wǎng)之后，其機(jī)組的開機(jī)停機(jī)、補(bǔ)償電容器投切以及能源波動(dòng)變化，都會(huì)造成城市電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及閃變。由此可以看出來，城市電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及閃變主要是由于受到清潔能源發(fā)電站輸出功率波動(dòng)而引起的。在風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)速的變化是造成風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)的主要原因，換句話說，城市電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及閃變與風(fēng)速的變化呈正比的關(guān)系。

將風(fēng)電機(jī)組中的恒速定槳距與變槳距在切換過程中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)以及閃變進(jìn)行分析，并研究了電壓波動(dòng)以及閃變在持續(xù)運(yùn)行過程中的狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電壓波動(dòng)以及閃變在切換過程中比持續(xù)運(yùn)行過程中要大，而在恒速變槳距的風(fēng)電機(jī)組之間得出的結(jié)論卻是與此相反的。

因此，在清潔能源接入城市電網(wǎng)之后，其電壓波動(dòng)以及閃變都可以通過變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的平滑功率，來減小由于功率波動(dòng)而造成的影響。不同的控制方式適用于不同的風(fēng)速區(qū)域，在風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行過程中，由于不同的風(fēng)速具有不同的特點(diǎn)，城市電網(wǎng)電壓的閃變也可能在低風(fēng)速區(qū)域逐漸變大，因此在高風(fēng)速區(qū)與低風(fēng)速區(qū)要采取不同的控制方式。

在光伏發(fā)電站中，光照的強(qiáng)度以及溫度都會(huì)引起輸出功率的變化。通常情況下，城市配電網(wǎng)絡(luò)越堅(jiān)強(qiáng)，清潔能源發(fā)電站所能夠接入的容量就越大，而由于清潔能源發(fā)電站的功率波動(dòng)、開機(jī)停機(jī)造成的城市電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及閃變就越小。如果城市的電網(wǎng)較為薄弱，那么在接入清潔能源的時(shí)候，需要在設(shè)計(jì)時(shí)，將并網(wǎng)點(diǎn)以及電壓等級(jí)進(jìn)行合理地選擇。

為了分析新能源發(fā)電站的功率波動(dòng)所引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，需要區(qū)分新能源發(fā)電站和電網(wǎng)其他部分產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，其中可以通過對接入電網(wǎng)的風(fēng)電場進(jìn)行電流源等效，將實(shí)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(jì)算全電網(wǎng)電壓波動(dòng)的頻域分析方法。

2.3 新能源發(fā)電對電網(wǎng)頻率的影響

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，很少會(huì)出現(xiàn)頻率異常的狀況。在光伏發(fā)電并入城市電網(wǎng)之后，在光伏發(fā)電容量較小時(shí)，即便是多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行投切，也并不會(huì)出現(xiàn)城市電網(wǎng)頻率越限的情況。但是，隨著城市電網(wǎng)中并入的清潔能源發(fā)電站容量增大之后，城市電網(wǎng)的頻率會(huì)受到清潔能源機(jī)組出力時(shí)隨機(jī)性的影響而出現(xiàn)波動(dòng)，這無論是對于用戶還是城市電網(wǎng)本身都會(huì)產(chǎn)生不良影響。將城市電網(wǎng)受到風(fēng)電場功率波動(dòng)的影響轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)等效傳遞函數(shù)，也就是風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)以及火電組轉(zhuǎn)速變化的傳遞函數(shù)，以此為依據(jù)將系統(tǒng)頻率受到風(fēng)電功率波動(dòng)影響的評估模型建立起來，由此得出城市電網(wǎng)在火電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)功率為0.01～1.0Hz時(shí)所受到的影響最大。因此，在大量的清潔能源接入城市電網(wǎng)的時(shí)候，要對清潔能源發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)性以及間歇性進(jìn)行充分地考慮，并將清潔能源發(fā)電的功率預(yù)測以及電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)度相互結(jié)合起來。

3 結(jié)束語

面對不斷枯竭的傳統(tǒng)能源，人類生存發(fā)展對于能源的需求卻仍然在不斷地增長。電力資源作為現(xiàn)今能源的最大使用者，其能源消耗是十分巨大的，因此新能源革命已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始倡導(dǎo)。清潔能源包括風(fēng)能、太陽能、海洋能、生物能，這些能源不但沒有污染，而且是取之不盡、用之不竭的。人們對于電力的需求已經(jīng)導(dǎo)致能源巨大地消耗以及負(fù)荷，因此在智能電網(wǎng)中接入清潔能源是現(xiàn)如今電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。但是，當(dāng)前清潔能源接入城市電網(wǎng)過程中還存在著許多的問題，清潔能源的接入缺乏可靠性地保障，因此需要對其進(jìn)行更為深層地研究。能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，加大對清潔能源的開發(fā)利用，是人類社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。

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