光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)管理挑戰(zhàn)與對策

光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)管理挑戰(zhàn)與對策

摘要：隨著全球能源結(jié)構(gòu)的不斷轉(zhuǎn)型，清潔能源逐漸成為能源發(fā)展的主流趨勢。在這一背景下，光伏發(fā)電與風力發(fā)電作為清潔能源的代表，其并網(wǎng)技術研究顯得尤為重要，不僅有助于確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，還能有效提高能源的利用效率，從而為我國乃至全球的能源可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。本文對光伏發(fā)電和風力發(fā)電的并網(wǎng)技術進行了深入的研究與探討，分析了加強光伏發(fā)電和風力發(fā)電并網(wǎng)技術應用的具體措施，旨在為有效提升并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。

關鍵詞：光伏發(fā)電；風力發(fā)電；并網(wǎng)引言光伏與風力發(fā)電作為技術成熟、資源豐富的清潔能源，近年來發(fā)展迅速，裝機規(guī)模不斷擴大。然而，由于其發(fā)電特性具有間歇性、波動性和不可控性，大規(guī)模光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)。本文深入分析光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)管理面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應的對策建議，以期為推動可再生能源的高效并網(wǎng)和電力系統(tǒng)的綠色轉(zhuǎn)型提供理論依據(jù)和實踐指導。

一、風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)概述

1、風力發(fā)電并網(wǎng)

以市政電網(wǎng)為背景，在不改變原有市政電網(wǎng)的基礎上，將風力發(fā)電機接入到市政電網(wǎng)中來，并能夠正常運行，使風電場輸出功率和負荷之間達到平衡，這種做法就是風力發(fā)電并網(wǎng)[1]。采用風力發(fā)電并網(wǎng)的方式有利于保護環(huán)境、促進新能源開發(fā)利用；節(jié)省化石燃料、提高能源利用率以及降低不可再生資源的使用壓力等優(yōu)點，但其缺點是受到風能可變性的影響大，若發(fā)生突然變化而沒有及時采取相應措施時，則會對人們的生活生產(chǎn)帶來較大的不便；此外由于風力發(fā)電并網(wǎng)的技術還不夠完善等原因無法做到有效儲存風能等問題也會影響了風力發(fā)電效果。

2、光伏發(fā)電并網(wǎng)

光伏電站并入的目的就是向供電網(wǎng)絡輸出無功及有功功率，把太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸送給用戶使用；通過變壓器使光伏陣列側(cè)電壓與公共網(wǎng)絡側(cè)電壓相等、同步，并保持一定的幅值或頻率，以保證所帶負荷端的電壓質(zhì)量。分布式發(fā)電方式不需配置蓄能裝置，在很大程度上減少了對環(huán)境的影響。另外，接入到公用配電網(wǎng)中的分布式電源可提高輸配電設備的利用率，同時還可以減少傳輸過程中的損耗以及改善電網(wǎng)的性能（如電壓波動）。此外，采用分布式發(fā)電的方式無需大容量儲能設施，因而大大降低了成本。

二、光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)管理挑戰(zhàn)

1、并網(wǎng)運行狀態(tài)的控制不合理

目前光伏、風電等新能源發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時無法有效利用現(xiàn)有技術進行調(diào)控，很難做到對發(fā)電系統(tǒng)的實時監(jiān)控及優(yōu)化管理，在一定程度上造成電能損耗以及電力安全事故的發(fā)生。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，光伏陣列作為整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，它的工作原理是將光轉(zhuǎn)化為直流電的過程，并且具有典型的非線性特性，它的工作電壓隨著太陽輻射的變化而改變，所以要通過控制器和逆變器來進行并網(wǎng)操作；而對于風力發(fā)電機來說則需要通過對葉片角度（即所謂的變槳）的不斷調(diào)節(jié)使得轉(zhuǎn)速處于額定值附近并且同時保證風輪吸收的能量為最大才能獲得最大的輸出有功功率和無功功率，但是這又會受到氣流影響，其控制仍然存在一定的挑戰(zhàn)[2]。

2、并網(wǎng)配電體系不完善

光伏、風電等分布式電源并網(wǎng)配電網(wǎng)缺少規(guī)范化的設計方法及實現(xiàn)方式，造成并網(wǎng)后的穩(wěn)定性差且可靠性低；光伏發(fā)電系統(tǒng)因受太陽輻射的影響而產(chǎn)生的不規(guī)則脈動，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的電能質(zhì)量不能滿足常規(guī)負荷的要求，并且由于光伏發(fā)電系統(tǒng)為非線性負載，在實際應用過程中會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染[10]；另外光伏發(fā)電系統(tǒng)是靠蓄電池儲存能量來進行充放電循環(huán)利用的儲能裝置，如果發(fā)生過流或短路現(xiàn)象時會造成嚴重的后果；并且當光伏發(fā)電系統(tǒng)向公共電網(wǎng)注入無功功率時，會使公用電網(wǎng)出現(xiàn)無功過剩的現(xiàn)象從而引起線路損耗增加甚至燒毀變壓器的問題。而風力發(fā)電機則需隨著風速的變化來調(diào)節(jié)變槳距控制機構(gòu)和調(diào)壓/調(diào)頻設備的工作狀態(tài)，其并網(wǎng)體系存在著較大的改造難度。

3、存在孤島效應

孤島現(xiàn)象是在風電場或光伏電站接入電網(wǎng)時產(chǎn)生的。由于電網(wǎng)發(fā)生事故而引起線路斷開后，用戶的供電部分從市電網(wǎng)絡脫離出來形成的獨立供電狀態(tài)就稱為孤島現(xiàn)象。產(chǎn)生孤島現(xiàn)象的原因主要是：當電網(wǎng)因某種原因（如接地故障）停電造成輸電線路上某一局部地區(qū)的電源中斷，致使該地區(qū)用戶側(cè)配變臺區(qū)及與其相連的其他負荷被切離主電網(wǎng)；同時，該地區(qū)內(nèi)由發(fā)電機發(fā)出的功率不能及時調(diào)整到額定值以下以滿足用電需求，從而形成了一個孤立于大電網(wǎng)之外的小型發(fā)供配電系統(tǒng)。在這種情況下若投入過多的風電機組或太陽能電池板陣列，則有可能使小電網(wǎng)中的電壓過高以及短時間內(nèi)的較大沖擊電流對電氣設備造成危害。此外還會嚴重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，嚴重時甚至可能導致整個電網(wǎng)崩潰[3]。

三、光伏與風力發(fā)電項目并網(wǎng)管理對策

1、并網(wǎng)過程檢測與監(jiān)控技術強化措施

首先，要構(gòu)建一個完整的并網(wǎng)過程檢測與監(jiān)控體系，對光伏陣列和風電場所有設備及重要參量（如：發(fā)電量、輸出有功/無功功率、電流幅值、電壓、頻率）進行實時測量，并對周圍自然條件（如：風速、輻照度、氣溫）進行連續(xù)觀測；其次，在高速率、高可靠性的通信網(wǎng)絡的支持下，把采集到的各種信息及時地傳送到中央控制室，利用高性能計算機系統(tǒng)完成各種必要的計算工作，比如應用新型傳感技術和提高信道利用率的方法來加快數(shù)據(jù)傳遞的速度和準確性；改進現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理方法，使用更先進有效的數(shù)據(jù)運算模型等等；最后還要設置相應的緊急預案以備不時之需，當出現(xiàn)任何異常信號后能立即啟用預先設計好的應急程序，盡量消除故障的影響或者減小其危害程度。

2、優(yōu)化風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計首先，依據(jù)風電場及光伏電站自身的特點，分別建立起它們的動態(tài)模型和靜態(tài)模型；然后在此基礎上，對風力發(fā)電機組及光伏逆變器進行了改進和完善，使風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地輸出電能。同時利用電力仿真軟件對所設計的風力發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)進行供電能力的精確評估以及相應的功率預測，在此基礎上對以后風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的測試實驗等工作提供更為詳盡的數(shù)據(jù)支持。其次，在風力發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究過程中加入仿真實驗環(huán)節(jié)，通過對傳統(tǒng)的風力發(fā)電或者光伏發(fā)電案例進行對照比較，將設計好的發(fā)電系統(tǒng)輸入到計算機中進行不同運行工況下的運行方式及故障場景的模擬仿真實驗來找出設計中的不足加以完善從而達到一個更好的發(fā)電目的。并且在仿真實驗的過程中要建立好完備的數(shù)據(jù)庫以便于日后的工作積累更多的并網(wǎng)經(jīng)驗，同時也要求詳細地做好研究數(shù)據(jù)、方案選擇、控制策略的選擇等相關內(nèi)容的記錄作為今后工作的參考資料。最后是要不斷優(yōu)化風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計[4]。當把風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)時由于其容量較大且分散性較強，因此會對配電網(wǎng)造成較大的沖擊進而嚴重影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，所以必須充分考慮整個電網(wǎng)的情況來進行合理的并網(wǎng)設計，才能提高并網(wǎng)設計的水平。

3、加大孤島效應檢測力度

并網(wǎng)點的操作過程中，光伏發(fā)電及風電系統(tǒng)的孤島效應不可忽視，在電網(wǎng)失壓或者停電狀態(tài)下，分散式發(fā)電系統(tǒng)能夠在某一區(qū)域內(nèi)進行獨立供電運行，并形成一個孤立于主電網(wǎng)之外的小型微電網(wǎng)，即所謂的電力孤島。一旦電網(wǎng)恢復正常送電，則會造成不同步問題的發(fā)生而危及電氣設備的安全性。為了更好地抑制這種危害，需要加強孤島效應快速檢測的過程，提高孤島效應檢測的強度。對于先進的孤島效應檢測方法應盡快推廣應用到各個領域之中，目前該類方法所涉及的主要技術類型有兩類：一類是積極監(jiān)視；另一類則是消極監(jiān)視。其中積極監(jiān)視主要包括了頻率偏差法、主動反饋控制法等等，這類方法都是利用向發(fā)電機施加干擾的方式來進行判斷孤島效應是否存在的一種方式；而在消極監(jiān)視方面主要是通過對電壓值以及電流值發(fā)生改變的現(xiàn)象來進行判斷的方法主要有電壓變化率、電壓幅值波動、電壓相位角突變、功率因數(shù)異常、三相不平衡度增大以及諧波含量增高等等。要防止孤島效應的發(fā)生，必須采取相應的措施，完善安全防護措施，及時地隔絕電源點與電網(wǎng)間的連接關系。隨著技術的發(fā)展，新型斷路器具備快速切除的能力，能有效減少孤島效應的危害程度。集成與優(yōu)化儲能系統(tǒng)近年來，在全球范圍內(nèi)廣泛使用的光伏發(fā)電和風力發(fā)電也離不開儲能系統(tǒng)的支持，并且其作為并網(wǎng)技術的重要部分起著舉足輕重的作用。一方面，儲能系統(tǒng)可以有效地解決發(fā)電量和用電需求之間的時間差異；另一方面，儲能系統(tǒng)還可以平抑由于風電、光電間歇性和隨機性的影響而引起的輸出功率變化，保證了電網(wǎng)的安全可靠運行。目前，各種儲能方式被應用于光伏發(fā)電及風力發(fā)電領域之中，常用的儲能技術有：電池儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、超導電磁儲能（EDS）、超級電容器儲能（SCs），以及基于磁存儲能量原理的飛輪儲能（FES）等。其中，電池儲能因具有快速響應能力、良好的調(diào)峰性能而在現(xiàn)階段的光伏發(fā)電及風力發(fā)電并網(wǎng)項目中得到了廣泛的應用。按照儲能介質(zhì)的不同可分為化學類電池儲能（CBE），物理類電池儲能（PBE）以及機械類電池儲能（MBE）。

5、提高光伏與風電并網(wǎng)系統(tǒng)整體效益

提升光伏－風電并網(wǎng)系統(tǒng)綜合效益：一方面，在保證光伏－風電裝機規(guī)模的基礎上，運用新技術新方法，發(fā)揮光伏－風電各自優(yōu)勢特點，使兩者之間相互補充形成一個協(xié)調(diào)發(fā)展的有機整體；另一方面是針對目前我國新能源大規(guī)模發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來的沖擊問題（即由于其隨機性導致出力波動大）所開展的一系列研究工作[5]。主要包括：（1）基于先進控制理論及智能算法建立具有自學習功能的智能化并網(wǎng)控制體系，根據(jù)實時監(jiān)測到的氣象信息及歷史數(shù)據(jù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡等模型建立功率預報模塊，并以經(jīng)濟目標函數(shù)為約束條件對光伏發(fā)電量和風能發(fā)電量做出最優(yōu)組合方案，同時考慮各種影響因素，當外界環(huán)境發(fā)生改變引起兩者的輸出產(chǎn)生偏差后，控制器會自動修正相關參數(shù)值，重新計算新的配比結(jié)果，最終達到一種自我調(diào)節(jié)的效果。（2）合理地規(guī)劃設計和優(yōu)化配置。主要是指要科學地選擇光伏電站和風電場的最佳位置以及接入點的位置，盡量避免長距離輸電線路使用而造成不必要的線損浪費現(xiàn)象的發(fā)生；（3）大力發(fā)展新型儲能裝置。將儲能在光伏一風電系統(tǒng)中得到廣泛應用，可以通過靈活的充放電方式確保設備處于最佳運行狀態(tài)。

結(jié)束語光伏與風力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著至關重要的角色。然而，其大規(guī)模并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。未來，隨著技術進步和政策支持的不斷完善，光伏與風力發(fā)電并網(wǎng)管理的挑戰(zhàn)將逐步得到緩解。然而，能源轉(zhuǎn)型是一個長期而復雜的過程，需要政府、企業(yè)、科研機構(gòu)及社會各界的共同努力。通過持續(xù)創(chuàng)新與協(xié)同合作，光伏與風力發(fā)電項目將為實現(xiàn)全球能源的清潔化、低碳化和可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻。

參考文獻

[1]司惠中，侍相然.光伏發(fā)電與風力發(fā)電的并網(wǎng)技術分析[J].中國設備工程，2023，（03）：224-226