风力发电和光伏发电并网问题分析

谭志杰

（深圳能源集团股份有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 风力发电和光伏发电并网的特点及现状

1.1 并网型风力发电的特点及现状

目前，我国大力开发风力资源。并网型风力发电以大电网作为发电基础，实现资源的充分利用。风能是一种可再生能源，在实际应用中利用专业技术实现循环利用。作为现代化清洁能源，风力发电在使用过程中对周围的环境污染非常小。并网型风力发电虽然优势比较明显，但是此种风力资源在应用方式上存在不足。由于风力资源自身的特点，导致相关部门不能严格掌控，目前的并网型风力发电相关技术并不成熟，还处于发展阶段。此外，发电过程中不能提前将风力资源大规模储存。但是，充分利用好并实现节能环保是世界范围内的发展形势，因此未来并网型风力发电将会有很好的发展前景。当前，我国在并网型风力发电研究中投入了大量人力物力，将进一步开展此方面的研究[1]。

1.2 并网型光伏发电的特点及现状

并网型光伏发电系统和电力系统相连接组成光伏发电系统。光伏发电系统的最大作用是为整个电力系统提供有功功率和无功功率。该过程是将光热源的方式转化成电能，然后将产生的电能利用变压器变换成同电网一致等级的电压，进而传输到电网中进行输送。所以，并网型光伏发电系统不需要使用电池。电池使用会增加大量的资金消耗，而且电池本身具有污染。光伏发电可以实时对整个系统供电，这种形式比传统的火力发电更加安全可靠，且不会产生噪音，有利于环保。在日常使用过程中，它不存在高难度操作，而且可以和环境协调共处。现阶段使用光伏发电的速度非常快，而且国家也在不断投入资金和人员进行研究。

2 风力发电和光伏发电并网过程中的问题

2.1 并网过程中出现孤岛效应

两种发电方式在并网过程中由于电网系统维修或者在故障时很容易出现孤岛效应，会导致风力发电和光伏发电系统与整个电网呈脱离状态，形成一个自给供电的孤岛效应。当主电网与部分电网断开后，会导致孤岛部分的供电完全由风力发电或者光伏发电系统提供，其系统内部会出现某个区域有电流流通而实际中却没有电流通过的情况。此种情况主要是由于发电过程中总容量过大，会威胁人们的生命安全和用户用电出现不稳定状态。要想解决孤岛问题，必须人为手动或利用设备自动关合，使系统重新向孤岛区域供电。这种情况很容易出现不良反应，孤岛区域突然连通电路并流通电流会导致此部分电压短时间内快速升高，双重作用下对设备有很大的冲击，严重会损坏设备，不利于配电系统的保护装置正常作用。所以，需要在系统内部配备专门的设备来预防孤岛效应的出现。现阶段利用电力系统研制的逆变器可以有效预防孤岛效应，根据需要分为被动状态和主动状态。被动状态下实时探测电网电压、频率变化，而主动状态下的系统更加完善，拥有对电网频率的移位、相位跳跃、电流不稳的情况的实时监控。目前，我国大部分地区风力发电和光伏发电应用广泛，但是由此引发的孤岛效应危害随着增大，相关地区需要基于实际问题研究预防孤岛效应的技术[2]。

2.2 自然因素影响并网可靠性

在风力发电过程中，风速具有不可控性和随机性。由于风电机组本身的运行特性，导致风力发电频率和输出功率波动较大，且导致电压频繁波动和闪变。风力发电引起的电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的不稳定性造成的，典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。此时，风力发电接入电力系统后，将严重影响整个系统运行电压和频率的稳定性、安全性和可靠性。风电系统与电力系统并网初期容易产生电压谐波，如果在并网时风速变化过快，在风电场和风机附近的电压可能发生闪络，严重影响并网后电力系统运行的可靠性和安全性。光伏发电是利用半导体界面的光伏效应将光能转换成电能，因为光强度受季节、湿度和天气等自然因素影响较大，导致光伏发电的功率稳定性较差，使得并网后很难相互融合，而电力系统继电保护装置也不能很好地适应新能源系统，会因为电压波动较大导致保护装置误动作，影响电网总体运行的可靠性和安全性。

2.3 发电机组制作技术因素影响并网可靠性

我国积极引进国外先进的发电机组制作技术，通过技术引进实现自主生产关键元器件，并应用在实践中实现大批量生产。目前，我国掌握的风力发电和光伏发电技术还远远不够。纵观国内相关的研究理论，还没有关于风力发电和光伏发电方面系统、科学、合理的理论指导，导致实际生产过程中出现机组设计不合理、制造组装不科学的问题，一定程度上增加了发电机组制作过程中某部位的不稳定因素，不利于保障并网系统运行的安全可靠性。系统运行过程中，由于风电和光电容量不断增加带来了一定的安全风险。此外，目前关于电力可靠性运行标准和相关规程只是被电力电监会管理部门起草发布，并没有正式实行。已经在实践中应用的规范更多是关于系统无故障运行时间方面的测试，并不涉及风电和光伏发电系统运行的可靠性与安全性问题。相关制造产业考虑自身的利益和业绩，对机组制造投产后运行问题不重视，在机组制造过程中没有充分考虑相关因素，也会在一定程度上降低风电和光电可靠性和安全性，在后续投运使用过程中并网后的相关问题更为明显。我国在未来发展中应该在风电和光电技术领域不断探索，在实践中掌握核心技术，提升风电和光电机组在设计组装过程中的科学合理性，为并网电力系统的安全生产打下基础。管理部门也需要完善相关标准，加强监督管理，提升并网可靠性[3]。

2.4 增加企业经济负担

虽然风力发电和光伏发电在使用过程中可靠性较差，但是两种发电方式都与目前世界范围内追求绿色环保的理念相互契合，优点非常突出。所以，在未来发展中风力发电和光伏发电的并网前景非常好。但是，新能源的发展势必会影响到传统发电模式，导致火电厂的设备被闲置。所以，可以考虑当风力发电和光伏发电并网发电应用中出现故障时，利用传统火力发电也是一项备选方案。这种概率非常小，而且要保证原有设备能够正常使用需要定期进行设备的维修养护，这需要企业投入人力、物力和资金，无形中增加了电力企业发展的成本，影响企业的发展效益。

3 风力发电和光伏发电并网的解决措施

3.1 探究更有效的新型配电系统

基于风力发电（如图1所示）和光伏发电（如图2所示）二者并网后的运行特点探究更加有效的新型配电系统，除研究配电系统理论之外，还需要考察优化的风力发电和光伏发电电源的具体方位，深入研究接入方位、二者的容量比较、并网方式以及减少对并网系统电压谐波和电压波动的影响。在未来发展规划中，要考虑影响电网合理运行的主要因素，从客观角度进行评价，保证风力发电和火力发电并网后系统的安全性，实现经济与环保的统一。

图1 风力发电系统

图2 光伏发电系统

3.2 完善光伏与风力发电系统

使用光伏发电（如图2所示）主要是通过微网进行传递，将特有的光伏发电网络融入整个电力企业，通过微网方式，有效解决电力系统在运行过程中出现的一系列故障。电力系统出现故障比较复杂，而且基于电气量故障自身多变的特点或增加电力系统检测的难度，对系统运行过程中电力系统的保护程序有一定的抑制影响，增加了相关人员的日常检修工作量，而且提出了更高的技术要求。面对此种发展现状，电力企业需立足实践，根据实际运行中的故障问题进行深入研究，分析具体的保护方式，实现技术上的创新。对于风力发电来说，要集中投产，不宜分散投产。风电项目多处于风力资源较为丰富的地区，离负荷中心较远，输电线路建设较为滞后，通道断面约束大，需要对其整个系统进行规划和设计，使风机并网过程减少产生次同步振荡的现象，进而避免损害风机和威胁电力系统稳定的情况发生。

3.3 加大并网“孤岛效应”检测力度

并网“孤岛效应”可以分为两种检测方法：一种是主动检测方式，另一种是被动检测方式。

3.3.1 主动频率偏移法检测孤岛效应

所谓的主动频率偏移法检测孤岛效应，主要是以逆变器的输出频率为基础，在并网逆变器负载的影响下，当并网时可能出现断点发生的反向输出电压的频率。此种情形下，并网后逆变器的输出频率会出现误差，如果出现时间过长，就会引发“孤岛效应”。此时，检测装置将检测到的结果发送到运行值班处，通知相关人员进行处理。

3.3.2 被动的相位偏移法检测孤岛效应

以电网正常运行为基础，在风力发电和光伏发电的并网过程中逆变器发挥有效作用，使得并网系统与公共电网输出电流的频率一致，但事实需要考虑公共电网出现故障的情况，此时会导致整个电网瘫痪。并网中逆变器电流的输出与公共电网出现较大的相位差时，需要及时对并网系统与公用电网电流输出的差距进行检测，了解其电压电流的变化，直接分析并网系统中是否存在孤岛效应。此种检测方式操作非常简便，并且可以直观了解实际情况，被广泛应用。

4 结 论

本文分析风力发电和光伏发电的现状，对二者发电存在的问题提出相关应对措施。这两种新能源与国内传统使用的能源存在相对较大的差异，所以在实际运行过程中要基于实际问题采取针对性解决措施，不断提高孤岛效应检测的力度，加强新型配电系统的研究和改进，促进我国新能源电力行业更好发展。因为光伏发电具有多重优势，所以从社会视角来说，光伏发电在全球可持续发展进程中将扮演不可替代的角色。这不仅是从环境的角度来考虑，更是从能源可持续和社会可持续的角度来思考。但是，应该对光伏发电行业的发展保持警醒，不断应用科技手段提升光伏发电的效率和性能，以更好的产业视角和商业洞察力降低产业成本，实现最终的能源结构改革，进而提升社会福祉。