光伏與風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)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(fēng)力發(fā)電作為清潔能源的代表，其并網(wǎng)技術(shù)研究顯得尤為重要，不僅有助于確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)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(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究與探討，分析了加強(qiáng)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的具體措施，旨在為有效提升并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)引言光伏與風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)成熟、資源豐富的清潔能源，近年來發(fā)展迅速，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)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(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。本文深入分析光伏與風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)管理面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)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(shí)踐指導(dǎo)。

一、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)概述

1、風(fēng)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(chǔ)上，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入到市政電網(wǎng)中來，并能夠正常運(yùn)行，使風(fēng)電場輸出功率和負(fù)荷之間達(dá)到平衡，這種做法就是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)[1]。采用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的方式有利于保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)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(diǎn)，但其缺點(diǎn)是受到風(fēng)能可變性的影響大，若發(fā)生突然變化而沒有及時(shí)采取相應(yīng)措施時(shí)，則會對人們的生活生產(chǎn)帶來較大的不便；此外由于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)還不夠完善等原因無法做到有效儲存風(fēng)能等問題也會影響了風(fēng)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(luò)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(luò)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(fù)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(shè)備的利用率，同時(shí)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(shè)施，因而大大降低了成本。

二、光伏與風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)管理挑戰(zhàn)

1、并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的控制不合理

目前光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)無法有效利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行調(diào)控，很難做到對發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jìn)行并網(wǎng)操作；而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)保證風(fēng)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(fēng)電等分布式電源并網(wǎng)配電網(wǎng)缺少規(guī)范化的設(shè)計(jì)方法及實(shí)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(fù)荷的要求，并且由于光伏發(fā)電系統(tǒng)為非線性負(fù)載，在實(shí)際應(yīng)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(jìn)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(shí)會造成嚴(yán)重的后果；并且當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)向公共電網(wǎng)注入無功功率時(shí)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)則需隨著風(fēng)速的變化來調(diào)節(jié)變槳距控制機(jī)構(gòu)和調(diào)壓/調(diào)頻設(shè)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(yīng)

孤島現(xiàn)象是在風(fēng)電場或光伏電站接入電網(wǎng)時(shí)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(luò)脫離出來形成的獨(dú)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(dāng)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(fù)荷被切離主電網(wǎng)；同時(shí)，該地區(qū)內(nèi)由發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不能及時(shí)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(fēng)電機(jī)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(shí)間內(nèi)的較大沖擊電流對電氣設(shè)備造成危害。此外還會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰[3]。

三、光伏與風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)管理對策

1、并網(wǎng)過程檢測與監(jiān)控技術(shù)強(qiáng)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(fēng)電場所有設(shè)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(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并對周圍自然條件（如：風(fēng)速、輻照度、氣溫）進(jìn)行連續(xù)觀測；其次，在高速率、高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，把采集到的各種信息及時(shí)地傳送到中央控制室，利用高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成各種必要的計(jì)算工作，比如應(yīng)用新型傳感技術(shù)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(zhǔn)確性；改進(jìn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理方法，使用更先進(jìn)有效的數(shù)據(jù)運(yùn)算模型等等；最后還要設(shè)置相應(yīng)的緊急預(yù)案以備不時(shí)之需，當(dāng)出現(xiàn)任何異常信號后能立即啟用預(yù)先設(shè)計(jì)好的應(yīng)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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先，依據(jù)風(fēng)電場及光伏電站自身的特點(diǎn)，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(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及光伏逆變器進(jìn)行了改進(jìn)和完善，使風(fēng)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(shí)利用電力仿真軟件對所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電能力的精確評估以及相應(yīng)的功率預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對以后風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的測試實(shí)驗(yàn)等工作提供更為詳盡的數(shù)據(jù)支持。其次，在風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究過程中加入仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過對傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電案例進(jìn)行對照比較，將設(shè)計(jì)好的發(fā)電系統(tǒng)輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行不同運(yùn)行工況下的運(yùn)行方式及故障場景的模擬仿真實(shí)驗(yàn)來找出設(shè)計(jì)中的不足加以完善從而達(dá)到一個更好的發(fā)電目的。并且在仿真實(shí)驗(yàn)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(yàn)，同時(shí)也要求詳細(xì)地做好研究數(shù)據(jù)、方案選擇、控制策略的選擇等相關(guān)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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4]。當(dāng)把風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)時(shí)由于其容量較大且分散性較強(qiáng)，因此會對配電網(wǎng)造成較大的沖擊進(jìn)而嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以必須充分考慮整個電網(wǎng)的情況來進(jìn)行合理的并網(wǎng)設(shè)計(jì)，才能提高并網(wǎng)設(shè)計(jì)的水平。

3、加大孤島效應(yīng)檢測力度

并網(wǎng)點(diǎn)的操作過程中，光伏發(fā)電及風(fēng)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)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(jìn)行獨(dú)立供電運(yùn)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(fù)正常送電，則會造成不同步問題的發(fā)生而危及電氣設(shè)備的安全性。為了更好地抑制這種危害，需要加強(qiáng)孤島效應(yīng)快速檢測的過程，提高孤島效應(yīng)檢測的強(qiáng)度。對于先進(jìn)的孤島效應(yīng)檢測方法應(yīng)盡快推廣應(yīng)用到各個領(lǐng)域之中，目前該類方法所涉及的主要技術(shù)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(jī)施加干擾的方式來進(jìn)行判斷孤島效應(yīng)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(jìn)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(yīng)的發(fā)生，必須采取相應(yīng)的措施，完善安全防護(hù)措施，及時(shí)地隔絕電源點(diǎn)與電網(wǎng)間的連接關(guān)系。隨著技術(shù)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(yīng)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(fēng)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(shù)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(shí)間差異；另一方面，儲能系統(tǒng)還可以平抑由于風(fēng)電、光電間歇性和隨機(jī)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(yùn)行。目前，各種儲能方式被應(yīng)用于光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域之中，常用的儲能技術(shù)有：電池儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、超導(dǎo)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(yīng)能力、良好的調(diào)峰性能而在現(xiàn)階段的光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。按照儲能介質(zhì)的不同可分為化學(xué)類電池儲能（CBE），物理類電池儲能（PBE）以及機(jī)械類電池儲能（MBE）。

5、提高光伏與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)整體效益

提升光伏－風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)綜合效益：一方面，在保證光伏－風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用新技術(shù)新方法，發(fā)揮光伏－風(fēng)電各自優(yōu)勢特點(diǎn)，使兩者之間相互補(bǔ)充形成一個協(xié)調(diào)發(fā)展的有機(jī)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(jī)性導(dǎo)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(jìn)控制理論及智能算法建立具有自學(xué)習(xí)功能的智能化并網(wǎng)控制體系，根據(jù)實(shí)時(shí)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(luò)等模型建立功率預(yù)報(bào)模塊，并以經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)為約束條件對光伏發(fā)電量和風(fēng)能發(fā)電量做出最優(yōu)組合方案，同時(shí)考慮各種影響因素，當(dāng)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(guān)參數(shù)值，重新計(jì)算新的配比結(jié)果，最終達(dá)到一種自我調(diào)節(jié)的效果。（2）合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化配置。主要是指要科學(xué)地選擇光伏電站和風(fēng)電場的最佳位置以及接入點(diǎn)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(fèi)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(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，可以通過靈活的充放電方式確保設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)束語光伏與風(fēng)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(guān)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(jì)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來，隨著技術(shù)進(jìn)步和政策支持的不斷完善，光伏與風(fēng)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(fù)雜的過程，需要政府、企業(yè)、科研機(jī)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(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目將為實(shí)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(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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