新能源接入下的变电运维挑战与解决方案探讨

韩 鹍

（国网渭南供电公司，陕西渭南 714000）

随着全球气候变化和环境保护意识的日益增强，新能源作为清洁、可再生的能源形式，正逐渐成为未来能源发展的重要方向。然而，当新能源大规模接入传统电网时，由于其天气依赖性、间歇性和不稳定性等特点，为变电站的运维带来了前所未有的挑战。为满足社会对稳定电力供应的需求，电网系统须能够适应这种变化，确保电力供应的稳定性和可靠性。因此，探讨新能源接入下的变电运维挑战及其解决方案，对于确保新能源与传统电网的和谐共存、提高电网的稳定性和可靠性至关重要。

1 新能源接入的主要形式与技术特点

在全球能源转型的大背景下，新能源技术逐渐成为未来能源发展的重要趋势，该技术不仅对环境影响较小，且其再生性有助于解决当下对传统化石燃料的依赖问题。从太阳能到风能，再到各种储能技术，新能源技术日趋多样化和成熟，其接入形式如图1所示。

图1 新能源接入电网形式示意

1.1 太阳能光伏

太阳能光伏技术是利用半导体界面的光伏效应，将太阳能转换为电能的技术。当太阳光照射到光伏电池上，光子与半导体中的硅材料产生相互作用，激发出游离的电子和空穴。这些电子和空穴在内部电场的驱动下移动，形成电流并输出电能。随着技术的进步，光伏材料从单晶硅、多晶硅发展到薄膜材料和高效率的异质结材料。为提高整体系统的能量转换效率，现代光伏系统不仅关注电池本身的性能，还对最大功率点跟踪（MPPT）技术、逆变器技术和系统集成进行了大量的研究与优化。尽管光伏技术能够提供一种清洁、可再生的能源解决方案，但其间歇性和天气依赖性也为电网的调度和稳定运行带来了挑战。

1.2 风能

风能技术是通过风力驱动风机叶片旋转，从而将风的动能转化为机械动能，进一步通过风力发电机转换为电能的技术。风能的最大特点是其可再生、清洁且在适合的地理位置下资源丰富。风机主要分为水平轴和垂直轴两大类，而现代大型风电场主要使用的是三叶片水平轴风机。随着技术的发展，风机的设计已实现了高效率、低噪音和最小化影响环境。为提高风电的输出稳定性，现代风电系统还配备了先进的叶片调节系统、风速和风向预测技术、以及与电网的无缝集成技术。尽管风能可提供巨大的电力来源，但其强烈的间歇性和不可预测性对电网的稳定运行提出了挑战，特别是在风能占电网总供电比例高的情况下。

1.3 储能技术

储能技术是近年来新能源领域的关键技术之一，其解决了太阳能和风能等新能源间歇性和不可预测性所带来的挑战。储能技术使得能量可在产生时被捕获，并在需要时被释放，从而提供电网的平稳运行和调度灵活性。主流的储能技术包括化学储能，如锂离子电池、固态电池等；物理储能，如抽水蓄能、压缩空气蓄能等；热能储存，如相变材料和热盐储存。其中，锂离子电池因其高能量密度、长寿命、快速响应特性在短时调峰和频率调节中展现了巨大潜力[1]。而抽水蓄能则在大规模、长时的储存和放电中具有较大优势。

1.4 其他新能源形式

除太阳能、风能和储能技术，新能源领域还拥有多种其他创新形式，具体如下：①生物能源。例如，生物质和生物燃料，利用有机物质生产能量，不仅可减少温室气体排放，还可提供可再生的替代能源来源。②潮汐和波浪能源。利用海洋的动态能量，通过特定的机械结构捕获和转化为电力。③地热能源。另一种可持续能源形式，直接利用地球内部的热能来产生电力或供暖。④氢能。其作为一种清洁能源，通过电解或化学方法从水或其他化合物中提取，被认为是未来的重要能源载体。这些新能源形式不仅丰富了能源结构，还为减少温室气体排放、提高能源效率及确保能源安全提供了创新的解决方案。

2 变电运维面临的挑战

2.1 接入容量与变电站容量的匹配问题

在新能源大规模并网的背景下，接入容量与变电站容量的匹配问题日益凸显。某地区在过去的3a 中，接入的风能容量逐年增长，而相应的变电站的实际容量却未能同步增长（如图2所示），导致了超载比例逐年上升，从2020年的12.5%增至2022年的38.9%。

图2 某地区风能接入容量与变电站实际容量对比

风能作为一种间歇性强、波动性大的新能源，其接入的稳定性对电网稳定性至关重要。但当风能并网容量超过变电站的设计容量时，不仅可能导致设备过热、损坏，还可能因超载引发电网保护装置的误动作，甚至可能导致局部或整个电网的失稳。因此，针对风能这一特定的新能源，确保其接入容量与变电站容量的精确匹配，不仅是保障电网安全和稳定运行的前提，更是提高风电并网效率，降低维护成本的关键环节。

2.2 新能源的间歇性与不稳定性

风能和太阳能产能受自然条件的强烈影响，表现出明显的间歇性和不稳定性。以太阳能光伏发电为例，其间歇性和不稳定性是电力系统运维面临的主要挑战之一。太阳能光伏发电的输出与太阳辐射强度直接相关，但太阳辐射受云层覆盖、季节变化和日夜循环的影响，会导致光伏发电系统的输出具有明显的时间和空间变异性。例如，当太阳被厚重的云层遮挡时，光伏板的发电量会急剧减少，而当云层散去时，发电量又会迅速恢复。这种快速变化对电网稳定性带来了挑战，可能引发电压和频率的波动[2]。此外，光伏发电的日夜循环特性意味着在夜间无法产生电能，而在日照充足的午后，其产生的电能可能超过电网的需求。因此，这种间歇性和不稳定性要求电力系统具有良好的调度能力和足够的备用容量，以确保电网的稳定供电。同时，这也加大了储能技术和先进电网管理策略在整个系统中的重要性。

2.3 保护与控制系统的复杂性增加

随着新能源大规模并入电网，变电站的保护与控制系统面临着日益增长的复杂性，具体如下：①与传统发电方式相比，新能源的功率输出特性、短路电流特性及其对电网故障的响应机制都存在差异，要求保护与控制系统须进行相应的适应性设计和调整；②多源并入意味着电网结构更为复杂，故障点可能性增加，导致保护策略需要更高的灵敏度和选择性；③为最大化新能源的利用，电网经常需要运行在非传统或非最优状态，进一步增加了系统的控制复杂性。与此同时，为确保电网的稳定和安全，保护和控制策略须能够实时响应并处理新能源的快速变化和可能的故障。因此，现代变电站的保护与控制系统不仅需要具备高度的智能化和自适应能力，还要能够与其他系统（如能源管理系统、分布式控制系统等）进行有效的信息交互和协同工作。

2.4 电网安全与稳定运行问题

随新能源大规模并网，电网安全与稳定运行面临前所未有的考验。新能源的间歇性和随机性导致电网供需平衡难度增大，易引发频率和电压波动。此外，多数新能源电站采用电力电子接口，其短路容量低，不易为系统提供足够的惯性，使得电网对外部扰动的抗干扰能力减弱。同时，电力电子设备可能引入次谐波和谐波，对电网的电能质量产生不良影响。还需考虑大规模新能源接入可能导致传统保护装置误动作或失灵，从而加大故障隔离和服务恢复难度的情况。因此，为维护电网的安全稳定运行，电网规划、调度、保护和控制策略都须进行全面的创新和优化，确保在高比例新能源接入的情况下，电力系统能够有效应对各种异常情况，确保供电的稳定性和安全性。

3 技术性解决方案

3.1 高效的电能质量监控技术

为应对新能源接入带来的电能质量问题，高效的电能质量监控技术显得尤为关键：①采用高精度、宽带宽的采样技术，确保能准确捕捉到次谐波、瞬时电压峰值等短时异常现象；②通过先进的实时信号处理技术，如小波变换、短时傅里叶变换，对信号进行频率分解，实时检测和定位电网中的谐波、电压波动、频率偏移等问题；③智能诊断算法可自动分析数据，判断电能质量异常的原因及其可能影响，从而为操作员提供决策建议；④采用边缘计算和云计算的混合架构，可实现数据的快速处理与分析，保证监控系统的实时性。

3.2 动态调度与优化策略

针对新能源的接入导致的电网运行复杂性增加，动态调度与优化策略的引入成为电网稳定运行的关键。采用先进的深度学习技术，基于历史数据训练出电网运行的预测模型，通过此模型对新能源输出、负荷波动等进行短期和中期预测。结合实时电网运行状态，这些预测数据会被输入到优化引擎中，该引擎采用多目标优化算法，如遗传算法或粒子群优化，以确保电网的经济运行、最小化线损和维持电压稳定。得到的优化策略会直接反馈到场地的控制系统，并进行负荷侧管理、储能系统的充放电控制及对新能源的输出进行有序调度。此外，控制系统还引入了容错和故障恢复机制，当某一环节出现问题时，系统能够快速调整策略，确保电网的安全稳定运行。

3.3 新型电网保护技术及其应用

面对新能源并网所带来的复杂性，传统的电网保护技术面临新的挑战，如分布式发电导致的电流方向可逆性、电压波动等。为此，新型电网保护技术及其应用成为当前研究的热点，具体如下：①引入同步测量技术（如PMU）实时捕获电网的全局状态，确保对异常情况的快速响应；②基于宽区测量系统（WAMS）的数据分析，保护系统能够实现对大范围电网异常的识别和定位；③采用自适应保护策略，根据电网实时运行状态动态调整保护参数，提高对新能源波动的容忍性；④通过深度学习和人工智能技术，设计故障诊断和故障预测算法，实现对潜在问题的预警，降低故障风险；⑤与通信技术结合，如5G 和光纤通信，保障保护指令的实时传输和执行，确保电网的稳定运行。

3.4 电池储能技术在变电运维中的应用

电池储能技术在变电运维中的应用已成为提高电网稳定性和弹性的关键技术之一。该技术可有效缓解新能源，如太阳能和风能的输出间歇性，保证电网供电的稳定性，具体如下：①高级电池管理系统（BMS）实时监测各电池单体的健康状况、电压、电流和温度，确保储能系统的安全和高效运行；②当电网负荷减少或新能源产出过剩时，电池储能系统可吸收并存储这些多余能量，而在负荷高峰或新能源产量不足时，该系统能迅速释放储存的能量，满足电网需求；③电池储能有助于提供频率调节、无功功率支持和电压稳定，进一步增强电网的韧性。

4 结束语

随着全球对可再生能源的持续关注和追求，新能源在电网中的比重逐渐增加。这种趋势虽然为电网带来了清洁和绿色的能源选择，但同时也为变电运维提出了一系列前所未有的挑战。文章从新能源接入的多种形式和其独特的技术特点入手，深入剖析了变电运维在当前背景下所面临的问题。为应对这些复杂问题，探讨了一系列技术性解决方案。随着技术研发的不断深入和应用的广泛推广，有望更好地实现变电运维的自动化和智能化，确保电网在复杂环境下的稳定、安全和高效运行。