中国储能网讯：随着风力发电和光伏发电等新能源发电技术的迅猛发展，新能源在我国的装机并网容量也在不断增加。但在新能源发电并网的过程中，由于多数能源的波动性较强，输出功率稳定性差，以及新能源并网中所需电力电子装置产生的附加谐波，这些都会引起新能源并网的电能质量问题。
本文综述了新能源并网引起的电能质量问题，简述了这些问题带来的危害，并分析了新能源并网引起的电能质量的原因。
前言
随着风力发电和光伏发电等新能源发电技术的逐渐成熟，一些新能源在我国的装机并网容量也在不断增加。以风电为例，2016年，中国风电新增装机容量为2337万千瓦，累积装机容量达到16873万千瓦，居于世界首位。风电上网电量在2016年达到 2410 亿千瓦时，同比增长 29.4%，这一增幅位居同期的第三高位。但在新能源发电并网的过程中，由于多数能源的波动性较强，输出功率稳定性差，同时，由于多数新能源及其接入过程需要电力电子装置来整流逆变等，这也在一定程度上产生附加谐波，这些都会引起新能源并网的电能质量问题。
新能源并网带来的常见电能质量问题包括：电压波动、电压偏差、电力谐波等。本文综述了新能源并网引起的电能质量问题，简述了这些问题带来的危害，并分析了新能源并网引起这些电能质量问题的原因。
1、新能源并网与电网电压波动
1.1 电压波动的含义和表述
电压波动定义为电压均方根值的一系列相对快速变动或连续改变的现象。电压波动取值为一系列电压均方根值变化中的相邻两个极值之差与标称电压的相对百分数，其波动大小可由式（1）计算得到。
这里以d的大小作为电压波动的量度。为了区分电压波动和电压偏差，在国家电能质量标准中特别对电压的波动性给出了定义，即均方根值电压的变化速率不低于每秒0.2％。
电压变动发生的次数是分析电压均方根值变化特性的另一个重要指标。我们把单位时间内电压变动的次数称为电压变动频度 ，一般以时间的倒数作为频度的单位。
相关规定对新能源并网引起的电压波动制订了标准：例如对于风力发电，国家标淮 GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》和GB /T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》中给出了不同电压等级公用电网的电压波动和闪变指标限值。
1.2 电压波动的危害
电压波动会工业生产以及人们生活带来多种影响，甚至造成严重危害。至少包括以下几个方面：
电压波动会造成直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定。
导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流器换相失败等。
电压快速变动引起照明光源的闪烁，会使人眼感到疲劳甚至难以忍受而产生烦躁情绪，以致降低人们的生活质量或者工作效率等。
对某些对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。
导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常，或受到损坏。
使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。
1.3 新能源并网对电压波动的影响
电网的电压分布情况由电网的潮流决定，一旦电网中电源注入的功率或负荷消耗的功率发生变化，将引起电网各母线节点的电压发生变化。新能源并网引起电压波动的根本原因是新能源电源输出功率的波动。
输入能量变化及其他外界干扰是造成新能源电源输出功率的波动的原因之一。对于风电机组、光伏电池板等可再生能源发电系统，外界自然能源输入的变动是造成分布式电源输出功率变化的主要原因。为了提高分布式电源的发电效率，很多机组采用了最大功率追踪控制，而不是恒功率控制，当外界资源条件发生变化时其输出功率必然随之变动。此外，新能源的启动和停运不受电网的控制也导致了新能源电源输出功率的波动。新能源电源的起动和停运与自然条件、用户需求、政策法规、电力市场等诸多因素有关。新能源电源的调度和运行，往往由电源的产权所有者来控制，而新能源电源的产权所有者往往不是电网公司。这样就可能出现新能源电源随机启停甚至频繁起停的情况。这种情况下，由于功率快速变化而且变动幅度大，引起的电压波动也最为明显。
2、新能源并网与电网电压偏差
2.1 电压偏差的含义和表述
供电系统在正常运行条件下，某一节点的实际电压与系统额定电压之差相对于系统额定电压的比值称为该节点的电压偏差
电压偏差的计算式为
式中 δU —— 电压偏差
Ure —— 实际电压，kV
UN —— 系统额定电压，kV。
电压偏差仅仅针对电力系统正常运行状态而言。电压偏差强调的是实际电压偏离系统额定电压的数值，与偏差持续的时间无关。通常，电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率往往小于额定电压的1％。
中国的国家标准GB 12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》对电压偏差做出了详尽规定。GB/T 12325-2003是GB 12325-1990的修订版。
2.2 电压波动的危害
电压偏差过大对众多用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害。
对用电设备的危害。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能降低，很可能会因过电压或过电流而损坏。
对电网的危害。，输电线路的输电能力将大幅度降低，可能会因为功率分布的不均衡产生系统频率不稳定的现象，甚至导致电力系统频率崩溃，造成系统解列。系统运行电压过高可能使系统中各种电气设备的绝缘受损，使带铁芯的设备发生磁饱和，产生大量谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行。
2.3 新能源电压偏差问题的特殊性
下面以最简单的输电线路为例，来说明无功功率与电压损失的关系。图2-1（a）是不计线路分布电容影响的一条输电线路的等值电路，图2-1（b）是对应的相量图。
图2-1 简单输电线路及其相量图
其中，电压降的纵分量和横分量分别记作和
一般，线路两端电压的相角差δ较小，电压降横分量对电压损失的影响可以忽略不计，可把电压降的纵分量近似看作电压损失，即
可见，形成电压偏差的电压损失是由线路输送功率（包括有功功率P和无功功率Q）和线路阻抗参数（电阻R和电抗X）共同决定的。对于110kV及以上电压等级的输电线，由于X>> R，无功功率Q对ΔU的影响远远大于有功功率P的影响。当线路的阻抗参数不满足X>> R时，含有新能源的分布式电源的低压配电网中，有功功率P对电压损失ΔU的影响已经不能忽略，有功功率P和无功功率Q的传输共同造成的线路上的电压损失，形成电压偏差。
3、新能源并网与电力谐波
3.1 电压波动的危害
国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数”。即谐波的次数h必须为基波频率的整数倍。在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非工频频率整数倍的周期性电流的波动，为延续谐波概念，又不失其一般性，根据该电流周期分解出的傅里叶级数得出的不是基波整数倍频率的分量，称为分数谐波（fractional-harmonics），或称为间谐波（inter-harmonics）。频率低于工频的间谐波又称为次谐波（sub-harmonics）。
3.2 谐波的危害
谐波的危害主要表现在对电力的影响和对信号的干扰。其中几个比较主要的方面包括：
对变压器的影响。变压器在基波频率时的损耗最小，但其附加发热受电压畸变影响较大，尤其还受电流畸变的较大影响。
对电机的影响。电机受谐波电压畸变的影响较大。在电机末端的谐波电压畸变，在电机里表现为谐波磁链。谐波磁链对电机转矩没有太大影响，但是它以与转子同步频率不同的频率旋转，在转子中感应出高频电流，其影响类似于基波负序电流的影响。谐波电压畸变将引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声。
谐波对电能计量的影响。电网中广泛采用的模拟式仪表，如电压表、电流表、功率表、无功功率表、电能表和仪用互感器等，在谐波的影响下将出现测量误差。
谐波对通讯的干扰。配电系统或终端用户设备中的谐波电流，将对同一路径中的通迅线路产生干扰。
3.3 新能源并网产生电力谐波的原因
太阳能光伏电池等新能源电源，其输出电压是直流电，需要经过逆变器等电力电子设备把交流电转换为工频的交流电，才能接入交流电网。风电机组的输出电压频率与风力机的转速有关，其并网往往都要经过变频器。风力发电机组与电网的连接的变频器，其中也包括电网侧的逆变器环节。
这些变流器是通过电力电子器件的频繁开通和关断来实现电力变换功能的，其输入输出关系具有明显的非线性特征。开关器件频繁的开通和关断容易产生一系列的谐波分量，对电网造成谐波污染。
除了分布式电源正常运行时逆变器必然输出的谐波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情况也会造成谐波增加。
4、新能源并网引起的其他电能质量问题
4.1 新能源并网与直流偏磁
光伏发电等新能源配套的储能设备，与电网的连接是通过逆变器实现的。风力发电机组、等新能源，与电网的连接是通过变频器实现的，其中也包括电网侧的逆变器环节。在某些非理想情况下，逆变器输出的交流电流中可能含有直流分量，从而使系统中的变压器产生周期性的严重磁饱和，造成变压器直流偏磁现象。这些非理想情况包括：逆变器基准正弦参考信号含有直流分量，逆变器控制电路中的运算放大器有零点漂移，功率开关管导通和关断时间不对称，PWM调制过程中脉宽不平衡，驱动信号不匹配，等等。
直流偏磁会引起变压器饱和程度加深，励磁电流大幅度增加，而且波形发生严重畸变。变压器直流偏磁时，励磁电流幅值和波形的变化会对变压器产生不良影响。直流偏磁引发的谐波和无功问题，还会对电网的性能和安全造成影响。
4.2 新能源并网与三相不平衡
对于三相新能源电源而言，本身存在发生非对称性故障的可能性，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。在正常运行情况下，由于新能源电源本身的三相功率不平衡，或者三相并网变流器的结构和参数不对称，以及检测和控制存在误差等原因，使原本应该三相平衡的功率输出也出现一定程度的不平衡。而且随着小型风电机组、光伏电池板等小型分布式新能源发电技术的普及，单相分布式电源的数量可能会越来越多。这些单相分布式电源的接入，都会在一定程度上造成电网的三相不平衡，或者使电网的三相不平衡程度更加严重。
系统处于三相不平衡运行状态时，由于负序分量的存在，会对电气设备产生不良影响。三相不平衡系统中的负序分量偏大，可能导致作用于负序电流的保护和自动装置误动作，威胁电网的安全运行。负序电压产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，还可能引起电动机的机械振动。三相电压不平衡使换流器的触发角不对称，换流器将产生较大的非特征谐波。
5、结论
随着光伏和风力发电为代表的新能源的迅猛发展，新能源并网带来的电能质量问题需要引起更多的重视。由于新能源相对于传统能源波动性、随机性强，接入电网的电压等级和电网结构也有所不同，此外随着新能源的并网，电网中接入电力电子装置的比例也有所提高，因此对于产生同样电能质量问题的原因，传统电网和并入新能源的电网也有可能不同，这样对于新能源并网引起的电能质量问题需采取不同的措施来处理。本文综述了新能源并网后引起的电能质量问题，分析了新能源并网对电压波动、电压偏差、电力谐波、直流偏磁、三相不平衡等常见的电能质量问题的影响，为提高新能源并网的电能质量提供参考。
