03.徐永海.新能源发展与电能质量问题

新能源发展与电能质量问题徐永海华北电力大学电气与电子工程学院2011年4月123

风力发电与电能质量问题光伏发电与电能质量问题电能质量智能信息监测系统主要内容风力发电与电能质量问题风能是最具规模化开发的可再生能源之一过去10年间，世界风电装机容量呈10倍增长4中国——风能资源和负荷中心呈逆向分布京津唐珠三角长三角负荷中心风能资源西北华北东北大规模集中式我国风电发展模式我国各省风电累计装机情况（单位：MW）风能经过多年的发展，已经在全球能源供应的结构中占据一席之地，发展前景也十分看好。我国内陆风能资源为253GW海上风能资源为750GW居世界第三位，有广阔的开发前景。风力发电与电能质量问题近年来我国风力发电累计装机容量装机容量（MW）到2020年我国风电累计装机预计可达2.3亿千瓦将占我国电力供应量的3%~5%相当于13个三峡电站—到2010年底，我国风电累计装机达4182万千瓦，超过美国，跃居世界第一。

2009年，我国风电累计装机达2580万千瓦，超过德国，成为世界第二。

有理由相信，风力发电将在中国未来的能源结构中占有越来越重要的地位。风能利用涉及从风场风轮风电机组风电场电网（或用户）的风电主要环节公共电网机械能风能电能风电机组风电场风场并网离网电力用户风力发电与电能质量问题恒速恒频风力发电技术（ConstantSpeedConstantFrequency：CSCF）

变速恒频风电机恒速恒频风电机（1）更高的风能转换效率不能实现最大风能捕获，效率低（2）机电系统间采用柔性连接齿轮箱等部件易产生疲劳和损坏（3）有功功率和无功功率独立调节吸收无功较多（4）电力电子装置容量相对较小，降低了系统设备成本成本高按发电机运行特征变速恒频风力发电技术（VariableSpeedConstantFrequency：VSCF）优势风力发电与电能质量问题变速恒频风力发电系统主要包括双馈型风力发电系统和直驱型风力发电系统两种。其中，双馈型风力发电系统中与转子绕组相连接的变换器仅需处理双馈电机的转差功率，使得变换器的容量仅为发电机容量的一部分，大大降低了变换器的体积和成本。因此，双馈风力发电系统已成为了目前兆瓦级风力发电的主流机型之一，对其的相关研究也成为了热点。风力发电与电能质量问题异步双馈风力发电系统风力发电与电能质量问题风力发电与电能质量问题双馈发电机的定子绕组直接接入电网，而转子绕组通过双变换器并入到电网。由于变换器采用的是全控型器件，因而可对通过转子绕组的励磁电流的频率、相位和幅值进行调节。根据风速的变化，通过微处理器控制馈入转子绕组的励磁电流参数，不仅可以保持双馈发电机的定子输出电压和频率不变，还可以调节电网的功率因数，从而提高系统的稳定性。风力发电与电能质量问题双馈型风电机组在实际应用中存在齿轮箱造价昂贵、双馈电机中的滑环和电刷必须定期检修，后期维护工作量大等问题。因此，无齿轮箱的直驱型风电机组显示出了较大的发展潜力。和双馈型机组相比，直驱发电机组具有以下优势：第一，直驱型机组中常采用多极永磁同步发电机，由于同步转速低，电机转子可与风力机直接相连，无需齿轮箱进行转速匹配，机组噪声降低，能量转换效率提高；其次，永磁同步发电机运行效率高，且不存在滑环和电刷，能显著提高机组的可靠性；第三，电机定子绕组通过全功率变流装置接入电网，对电网波动的适应性好，网侧功率控制更加灵活。永磁直驱风力发电系统永磁发电机永磁发电机变频调速系统风力发电与电能质量问题风力发电与电能质量问题交-直-交永磁直驱风力发电系统控制结构风力发电与电能质量问题风电大规模接入电网的特点风电的间歇性、不稳定性风电场远离负荷中心，电网相对薄弱风电大规模接入电网的主要问题风电场系统的有效接入风电接入电网的稳定性风电场最大接入容量风力发电与电能质量问题风力发电与电能质量问题随着风电场容量的不断增大，其接入电网后的影响越来越显著，主要体现在对系统电压影响、频率影响、谐波影响、负序电流、系统稳定性、负荷平衡、暂态电能质量问题等。风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响将导致电网电压出现偏差并产生波动。波动的幅度不但与风电功率大小有关，而且与风电场分布和变化特性等有关。

对于异步发电机组，机组启动时，从电网大量吸收无功，并网瞬间产生的冲击电流为额定电流的2～3倍，造成电网电压水平降低。随着风电机组无功补偿电容器组的相继投入，电网电压将逐渐得到恢复，但脱网时又将引起电网电压升高，严重时电压升高超过10%，特别是在突发事故时，情况更为严重。风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响风电场公共连接点的短路比与电网线路的电抗与电阻比也是引起电压波动与闪变的重要因素。相关研究表明，公共连接点的短路比越大，风电场引起的电压波动与闪变越小；当线路阻抗角为60

~70

时，其引起的电压波动与闪变最小。通常情况下，恒速风电机组引起的闪变问题相对较严重，变速恒频风电机组引起的闪变强度只相当于恒速风电机组的1/4。风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响“十二五”期间福建各分区风电规划开发规模如下表

所示。

表2008—2015年福建各分区风电规划开发规模(MW)风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响（电压变动）考虑了2种较为极端的风力变化情况：风力突增和风力突降。计算发现，在同等变化幅度的情况下风力突增引起的电压波动幅度大于风力突降，其直接原因是风力突增过程中风机有可能向系统吸收无功，导致电压进一步下降。

风力发电与电能质量问题

风电出力由零突增至满发后各地区接入点110kV母线电压变化情况如图2所示。由图2可见：如果不采取控制措施，各地的接入点电压变动最大值均超出1.5%，福州、莆田等地接入点电压变动最大达到8%～9%，而且部分母线电压偏低，不能控制在额定电压的-3%～+7%。就地区而言，泉州、漳州电网的电压水平明显好于福州、莆田地区，其原因主要是泉州、漳州地区的风电接入相对较为分散，且接入片区用电负荷较重。风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响

某35kV接入风电场，由700多个实测数据所绘制的有功功率（P）与电压偏差（△U）之间的关系曲线风力发电与电能质量问题1、系统电压的影响

某35kV接入风电场，由近3000个实测数据所绘制的有功功率（P）与电压偏差（△U）之间的关系曲线风力发电与电能质量问题2、系统频率的影响风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例，也称风电穿透功率。根据欧美的统计数据，这一比例达到10%是可行的。2015年福建已建及规划风电总容量约2400MW，考虑一定同时率后，占福建电网低谷方式下电源总出力（21000MW）的比例不超过10％。在福建与华东联网解开的极端条件下，计算发现：当风电规模达到约2500MW后，全部切机后福建电网最低频率降低0.48Hz，接近49.5Hz。因此，从维持频率合格的角度看，当福建电网孤网运行时，2015年福建风电装机不宜超过2500MW。风力发电与电能质量问题2、系统频率的影响根据电网规划，“十二五”期间福建电网不仅将加强与华东的500kV联络，而且还将通过特高压与全国联网。在此情况下，电网的备用容量和抗干扰能力大为增强，在调速系统作用的情况下，2400MW风电出力变化对系统频率的影响完全可以限制在合理范围内。风力发电与电能质量问题2、系统频率的影响目前华东电网最高用电负荷为140GW,按年均增长8%测算,到2020年华东电网最高用电负荷将达330GW。

如果2020年某个瞬间,全网风电突然从满出力16700MW到0,那么引起全网的频率跌落为0.5Hz。如果考虑到风电的分散性,其出力下降不可能如此高度同时,再加上系统快速响应机组的调节,将该情况下的频率跌落限制在0.2Hz以下是完全可以实现的。

然而,值得指出的是,在非极端情况下的日常运行中,风电的不确定性将使系统频率的波幅增大、波动周期减小,可能导致频率合格率指标下降,需要进一步研究应对措施。风力发电与电能质量问题2、系统频率的影响设置海南电网统调负荷为1000MW的水平下,文昌风电场分别带30、40MW和满负荷跳机后系统频率的变化。经仿真分析,系统频率变化曲线如下图所示。风力发电与电能质量问题2、系统频率的影响图风力发电机组带不同负荷时跳机后海南电网频率变化曲线

当文昌风电场带30MW负荷跳机后电网频率最低降到49.3Hz,低频减载装置未动作;带40MW负荷跳机后,系统频率最低降到49Hz;而当风力发电机组满发时(49.5MW)跳机,系统频率低于49Hz,此时系统低频减载(49Hz,0.2s)将动作,切除电网约45.6MW负荷。风力发电与电能质量问题3、谐波污染风电接入系统产生谐波的原因主要有2个。一个原因是风机本身配备的电力电子装置。对于恒速机组来说，由于其直接与电网相连，只是在软启动阶段通过电力电子装置与电网相连，一般启动时间较短，产生的谐波较小。变速风电机组采用了电力电子设备。其中，双馈式异步式风电机组的发电机定子直接馈入电网，而发电机转子通过经直流环节连接的两个变流器馈入电网。永磁直驱同步风力发电机组所发电力则通过背靠背全功率变频器直接馈入电网，该背靠背全功率变频器由发电机侧变流器、直流环节和电网变流器组成。不论是哪种类型的变速风电机组，机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态。因此变速风电机组的并网运行会引起较大的谐波。风力发电与电能质量问题3、谐波污染变速机组由于其转子通过双脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)换流器与电网相连，在机组的整个运行过程中，电力电子都处于工作状态，因而会一直产生谐波，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。

另一个原因是风力发电机组的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，进而产生谐波放大。随着电力电子装置的不断改进以及安装补偿装置前各种优化设计的完善，与系统电压问题相比，谐波污染问题并不是很严重。风力发电与电能质量问题3、谐波污染某高排风电场的规划容量为48MW，拟采用24台单机容量为2MW的双馈变速机组。风电场配套建设一座110kV升压站，站内建50MVA升压变一台，110kV侧采用单元接线，33kV采用独立单母线接线。经升压站升压后，再以一回110kV线路接入海南电网罗带—板桥线，该送出线路由长4.5km、导线型号为LGJ-150的线路和长2km、导线型号为LGJ-240的线路构成。风电场内部接线示意图和接入方式示意图分别如下图所示。。风力发电与电能质量问题3、谐波污染图

风电场内部接线示意图图

风电场接入电网示意图风力发电与电能质量问题3、谐波污染高排风电场拟采用的某2MW双馈变速风电机组谐波电流相关实测数据如下表

所示。表

某变速风电机组的谐波电流（690V侧）风力发电与电能质量问题3、谐波污染根据上表中所给出的谐波电流实测数据以及高排风电场的并网方式，可以计算出风电机组在运行过程中产生的各次谐波的最大注入电流，计算结果如下表所示。表

风电场运行产生的最大谐波电流风力发电与电能质量问题3、谐波污染国标GB/T14549－1993《电能质量公用电网谐波》规定了不同电压等级下的谐波注入限值，根据实际风电场接入点的短路容量可以计算出该短路容量下的限值，见下表，其中基准电压为风电场主变压器低压侧电压。表

风电场谐波电流允许值由表中计算结果可以看出，高排风电场风电机组所产生的谐波电流注入满足国标的相关规定。风力发电与电能质量问题3、谐波污染谐波污染是风电大规模集中接入带来的特有问题。风电机组产生的谐波可能引起设备过热和故障,保护设备误动,敏感负荷的干扰性跳闸,干扰通信线路等。当风电接入电网薄弱节点时,风电场集电系统的不良设计可能引发谐波谐振,谐波谐振会引起严重的电压畸变，危害电网正常运行。风电谐波污染需要认真研究解决。风力发电与电能质量问题4、负序电流问题从并网双馈风力发电机的实际运行状况以及客观自然条件变化出发，可进行并网双馈风力发电机在PCC处电压不平度很小的情况下，产生很大负序电流分量的原因分析：在自然风速变化的情况下，并网双馈风力发电机的转差率s将会时刻随风速改变，并由此造成了异步机的正序等效电路和负序等效电路相应的参数时刻随转差率s发生变化，相应的正序、负序电流及其在气隙中产生的磁场同样也时刻变化。风力发电与电能质量问题5、系统稳定性的影响采用不同发电机技术的风电机组对系统暂态电压稳定性的影响会有所不同，在系统故障暂态过程中，恒速风电机组机端电压过低，会导致电磁转矩降低，风电机组产生不平衡转矩，进而使发电机加速。当风电机组容量较大时，可能会导致机端电压无法恢复，而风电机组一直加速，直至机端电压崩溃、机组超速时，需要对风电机组进行低电压保护或切出。若保护拒动，则整个风电场可能发生电压崩溃，进而影响系统安全运行。风力发电与电能质量问题5、系统稳定性的影响变速风电机组由于通过变流器控制系统实现有功和无功功率的解耦控制，可以改善风电场功率因数及电压稳定性，因此其静态及暂态电压稳定性都好于恒速风电机组。但目前市场上多数的变速风电机组不具有故障情况下的动态无功支持能力，在正常控制策略下双馈风电机组在电网侧发生三相短路等大扰动时，无法提供动态电压支持，进而也会产生不平衡转矩，危及电网和风电场的安全稳定运行。风力发电与电能质量问题5、系统稳定性的影响大规模风电场接入电力系统时,风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因

。研究表明:一方面,风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大,增强了静态电压稳定性;另一方面,风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少,降低了静态电压稳定性。目前,风力发电多采用异步发电机,需要外部系统提供无功支持。变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率,风电场的无功仍可看作是一个正的无功负荷,因此,当风电场的容量较大且无功控制能力不足时,易影响电压的稳定性,严重时会造成电压崩溃。风力发电与电能质量问题5、系统稳定性的影响风电场的并网改变了配电网的功率流向和潮流分布,这是既有的电网在规划和设计时未曾考虑的。因此,随着风电注入功率的增加,风电场附近局部电网的电压和联络线功率将超出安全运行范围,影响系统的稳定性。随着各地风力发电的蓬勃发展,风电场的规模不断扩大,风电装机容量在系统中所占的比例不断增加,风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大,对系统稳定性的影响就更加明显。情况严重时,将会使系统失去动态稳定性,导致整个系统瓦解。风力发电与电能质量问题6、负荷平衡的影响一般而言，风能资源丰富地区经济不甚发达，无法就地消纳大规模的风电电力，且在大多数时段，地区负荷特性与风电场风电功率特性相反，即风电具有反调峰特性。因此，风电接入电网后常使电网的等效负荷峰谷差增大。若风电装机容量过大，在最低负荷时可能需调停部分机组，以消纳风电机组的出力，减轻对电网的不利影响。风力发电与电能质量问题6、负荷平衡的影响风电的注入导致等效负荷的峰谷差变大，因此需要常规电源有更大的有功功率调节能力。另外，由于风电的随机及间歇特性，风电接入后往往会增加电网调度的难度，需要电网留有更多的备用电源和调峰容量，这必将给电网带来附加的经济投入，增加电网运行的费用。因此，为了降低风电接入对电网调度的影响及对备用容量的要求，迫切需要进行风电功率预测。风力发电与电能质量问题7、风电接入系统暂态电能质量问题主要有短时电压变动(分为电压暂升、电压暂降和电压间断)和电磁暂态(分为脉冲暂态和振荡暂态)。风电并网带来的短时电压变动通常是由风电机组的突然启动引起的电压暂降。风电并网形成的冲击和风电场遭受的雷电波会产生冲击电磁暂态,风电环节的快速变化的谐波和短路故障等因素会产生振荡暂态。风能的波动性、间歇性和随机性也影响到短时电压变动和电磁暂态的幅度和持续时间。风力发电与电能质量问题7、风电接入系统暂态电能质量问题1)短时电压变动风电中最严重的暂态电能质量问题是短时电压变动。在风电机组运行过程中,当风速变化较大时,风电快速变化的功率注入电网将会造成电网内功率的短时失衡,引起短时电压变动。电力系统配电网中发生短路故障、大型变压器或电容器切投时,也会导致短时电压变动。短时电压变动主要包括电压暂升、电压暂降和电压间断。风电并网带来的电压暂降通常是由风电机组的突然启动引起的,以感应电机作发电机的固定转速风电机组投入运行时引起的电压暂降较为严重。另外,与传统电力系统一样,风电系统发生短路故障也会产生会导致短时电压变动。风力发电与电能质量问题7、风电接入系统暂态电能质量问题2)电磁暂态风电并入电网还会产生电磁暂态问题,电力系统开关操作、雷电波入侵和发生故障、风电的电压脉动均会产生电磁暂态过程。电磁暂态指电力系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时的电压或电流数值的暂时性变化。电磁暂态可分为脉冲暂态和振荡暂态两类,其频率较高,振荡暂态的最高频率可达5MHz,纳秒级的脉冲暂态等效频率可高达20MHz。光伏发电系统以其安装简单、维护廉价、适应性强而获得广泛青睐。世界光伏发电正从补充能源向替代能源过渡。为促进光伏发电产业技术进步和规模化发展，我国将实施光伏屋顶计划和金太阳工程。我国近期将建设多座10-100MW并网光伏电站，预计2020年光伏系统容量可达到20GW。2008年以来，日照较充足的甘肃、青海、内蒙古、云南、海南等地纷纷运作10MW级以上的大型光伏电站建设计划。光伏发电规模化利用形式主要有大型及超大型并网光伏电站、用户侧并网的与建筑结合光伏系统、光伏微网发电系统等，与这些系统相关的问题是光伏系统领域的研究热点。光伏发电与电能质量问题市场高速增长:08年总装机18.4GW,比07年增长45%,近10年年均增长率超过30%成本下降趋势:09年电池售价$1.8/Wp,比08年价格($3.5/Wp)下降了50%商业进程加快:15年光伏发电成本降到$0.1～0.15/kWh(据美国和德意志银行预测)各国提高目标:20年欧洲400GW(12%),美国350GW(10%),日本28GW,印度20GW世界光伏发电已呈现规模化应用趋势

节能减排压力巨大:20年非化石能源将达15%,GDP碳排放比05年下降40%--45%实现20年装机目标:20年光伏装机20GW;水,核,风,生物质受资源,地域或电网限制适应市场发展提速:09年总装机300MW,比08年增长114%(140MW),在建600MW迈向光伏技术强国:自主技术仍落后于世界先进水平、落后于市场发展中国大规模发展光伏发电势在必行光伏发电与电能质量问题(1)国外技术现状大型并网光伏电站:建成10MW以上电站100余座，正在研究示范百兆瓦级光伏电站，及做GW级电站前期研究测试技术及公共平台:已形成完整体系，并与光伏技术同步发展(2)技术发展趋势电站容量越来越大向百MW甚至GW级发展并网逆变器大型化:500kW—MW级—更大容量电网适应性要求提高参与电网调度实证性研究示范基地光伏发电与电能质量问题(技术发展趋势)比较项目国内差距大型并网光伏电站缺乏20MW以上并网光伏电站系统设计集成技术；对大规模接入电网系列技术缺乏深入研究；MW级光伏并网核心设备不成熟。光伏测试技术国内初步建立测试体系，测试范围较窄、测试能力较弱，室外测试能力空白，远远滞后于光伏系统技术发展支撑百兆瓦并网光伏电站建设:100兆瓦级并网电站系统及设备技术支撑光伏科技的可持续发展:

光伏系统及平衡部件实证性研究示范基地(1)国内技术尚存在较大差距(2)“十二五”技术发展需求光伏发电与电能质量问题(国内技术差距与需求)

太阳能光伏发电在未来特别是2030年后将会大规模应用，在所有发电形式中2050年后最可能成为份额最大的主导能源。2004年欧盟联合研究中心预测光伏发电与电能质量问题

太阳能是支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性能源之一我国太阳能资源可开发量为17000亿吨标煤，“太阳能可能是解决中国能源（包括能源环境问题）的最终有效解决方案”--麦肯锡/中国科学院2008.4但是，我国太阳能热利用起步较晚，缺乏核心关键技术迫切需要发展大型实验设施，开展基础研究，支撑关键技术开发

光伏发电与电能质量问题我国太阳资源总体较丰富，年平均太阳辐射总量约为5.9kJ/m2·a，西藏河谷地区的太阳辐射总量高达7.5-7.9kJ/m2·a，最低的地区也达3.3-4.2kJ/m2·a。但是，我国太阳能光伏发电缺乏核心关键技术自主创新能力和持续发展能力欠缺，科研投入和技术积累不足。光伏发电与电能质量问题光伏发电与电能质量问题图10MW光伏微网总体技术方案框图10MW级光伏微网发电系统的总体技术方案如上图所示，主要包括微网型光伏电站、小型水电站及其他发电单元、光伏电站自动化测控系统、无功补偿装置、电能质量控制装置、用户负荷、光伏微网能量管理系统以及输变电设施。在以光伏为主要电源的微网中，绝大部分光伏系统应具有组网控制功能，实现微网频率和电压的稳定控制、光伏系统自并联组网以及与其他发电方式并联运行；在不影响系统稳定运行条件下，允许有少量的常规并网型光伏系统接入微网。因此，微网型光伏电站的组成及配比又是光伏微网系统集成技术的核心问题。光伏发电与电能质量问题光伏微网系统设计集成重点研究微网型光伏电站、小型水电站、常规并网光伏系统、无功补偿装置及电能质量补偿装置等的接入位置及容量，其关键是在保证光伏微网系统稳定运行条件下，常规并网光伏系统与微网型光伏电站及系统旋转备用机组的容量配比，无功和电能质量补偿装置接入位置及容量配置。光伏发电与电能质量问题借鉴常规电力系统经验，10MW级光伏微网可能存在的电能质量问题有：电压偏差、频率偏差、三相不平衡、供电中断、电压瞬态跌落、闪变及谐波。在微网电能质量控制研究过程中，要应用光伏微网仿真平台，对出现的各种电能质量问题进行计算和仿真，分析各种非正常情况下对系统稳定运行的危害，并找出合理的控制方法。光伏发电与电能质量问题其技术关键主要有：1）常规无功补偿和电压质量控制技术在光伏微网中的适用性。在光伏微网中，光伏电站的发电单元由电力电子设备构成，并且光伏发电存在功率波动的随机性，其运行方式与常规电站不同，因此常规无功功率补偿和电压质量控制方式在快速性和控制精度方面不能完全适用于微网系统。2）适合于光伏微网中无功补偿及电能质量设备的配置及控制策略。根据光伏微网中发电单元的结构组成、电站位置，对已有的静止无功补偿器、无功发生器、电压瞬态跌落补偿器、电能质量补偿器等电能质量控制设备进行容量配比计算，其控制方式也要根据光伏微网的长中短期运行方式进行设计。研究稳态补偿和快速跟踪补偿相结合的综合无功补偿模型，并开发相应的智能补偿装置，达到优化光伏微网电能质量的目的。光伏发电与电能质量问题拟开展的100兆瓦级并网光伏示范电站，将开展大型并网光伏电站与电网关系关键技术研究，研究的关键技术之一为大型并网光伏电站电能质量调节技术电能质量问题主要包含稳态和动态电能质量问题。目前，实际应用的典型电能质量调节装置主要有动态电压恢复器、静止无功发生器、配电型静止同步补偿器、有源电力滤波器、动态不间断电源、不间断电源、蓄电池储能系统、超导磁能存储系统、固态断路器、晶闸管投切电容器组、避雷器等。然而，前述电能质量调节装置的功能比较单一，面对多种多样的电能质量问题不可能进行完全的补偿。光伏发电与电能质量问题并网光伏电站的逆变器属于电力电子设备，通常只输出有功功率，不输出无功功率。并且，当逆变器负载水平较低时电流谐波畸变率可能大于5%，超出光伏电站并网的电能质量要求。因此，并网光伏电站的电能质量调节方案的重点在于无功功率补偿和低出力条件下的谐波治理。针对并网光伏电站的谐波治理和无功补偿的需要，必须研究能够有效处理多种电能质量问题的解决方案。统一电能质量调节器（UPQC）可看作是串联型有源滤波器和并联型有源电力滤波器的结合，可对无功功率和谐波进行综合补偿，能够解决光伏电站的电能质量问题。光伏发电与电能质量问题电能质量调节装置的接入位置和容量也是一个关键问题。如果集中安装在光伏电站出口处的中压并网点，则可整体调节电站的电能质量。如果分散安装在光伏并网逆变器出口处的低压母线上，则可选用现有成熟设备，但为了实现光伏电站整体电能质量达标的要求，必须进行各电能质量装置的协调控制。100MW级并网光伏电站的电能质量调节的技术关键主要有：1）电能质量调节系统总体技术方案；2）分散式电能质量调节装置的布局及容量配比优化；3）电能质量调节系统的协调控制。光伏发电与电能质量问题影响电压质量及其控制光伏并网发电系统对配电网和高压输电网的电压质量及其控制均有一定的影响。光伏并网发电系统受日光照射的影响较大,发电量时常变化无常,而配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外,一般很少具有其他的动态无功调节设备,如果该类发电量所占比例较大,其具有的易变性将使配电线路上的负荷潮流也极易波动且变化较大,从而加大了电网正常运行时的电压调整难度,调节不好会使电压超标。光伏发电与电能质量问题光伏并网发电系统对电能质量的影响

对电压的影响：若大量PV接入在配网的终端或馈线末端，由于存在反向的潮流，PV电流通过馈线阻抗产生的压降将使负荷侧电压比变电站侧高，可能使得负荷侧电压越限。另外，PV输出电流的变化也会引起电压波动，而同一区域的PV发电功率受光照变化的影响具有一致性，这将加剧电压的波动，可能引起电压/无功调节装置的频繁动作。光伏发电与电能质量问题

某10kV接入光伏电站，由1000多个实测数据所绘制的有功功率（P）与电压偏差（△U）之间的关系曲线如下。光伏发电与电能质量问题谐波污染光伏并网发电系统的直流电经逆变后转换为交流电并入电网时,会产生谐波,对交流电网造成谐波污染。当电网内的光伏并网发电系统规模有限时,如果滤波器的设计良好,由直流电逆变为交流电时所产生的高次谐波对交流电网造成的谐波污染一般能控制在可控范围内。但是,随着今后光伏并网发电系统的逐步推广和发电容量占电网内总发电量比例的上升,有关的谐波管理须得到应有的重视。如果管理不当,来自多个谐波源的能量叠加,有可能达到不可接受的谐波含量;另外,当系统内含有多个谐波源时,还可能在系统内激发出高次谐波的功率谐振。光伏发电与电能质量问题逆变器输出轻载时，谐波会明显变大，在10%额定出力以下时，电流THD甚至会达到20%以上，如下图所示（某实测曲线）。光伏发电与电能质量问题图PV输出电流THD日趋势（多云天气）孤岛效应影响用户用电质量

当电力公司的供电因故障、事故或停电维修而中断时,各用户端的太阳能并网发电系统有可能和周围的负载构成一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛,即所谓的孤岛效应。当光伏并网系统越来越多时,产生孤岛效应的概率也将增加。一般来说,孤岛效应对整个配电系统及用户端造成的影响主要包括:1)重新恢复供电时,因相位不同步而对电网用户造成冲击

。2)电力孤岛区域供电电压和频率不稳定

。3)当太阳能并网发电系统切换成孤岛方式运行时,如果该供电系统内无储能元件或其容量太小,会使用户负荷发生电压闪变

。4)太阳能供电系统脱离原有的配电网后,其原来的单相供电模式可能造成其他配电网内出现三相负载不对称的情形,因而可能影响到其他用户的电压质量。光伏发电与电能质量问题光伏并网发电系统对电网安全运行的影响对电网电压及其稳定性的影响当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后,不仅可能对配电网内的电压控制产生影响,还可能影响到高压电网的电压特性,甚至引起电压稳定性问题。例如,某大区电网的重负荷区内安装了大量的光伏发电系统,考虑到这类地区的日照特性基本相同,当该地区的日照出现突变时,由于太阳能功率的大量减少,将导致该地区出现大量的功率缺额,若该缺额很大,则可能对该地区整个的电压质量甚至电压稳定性产生不利影响。从这一角度看,即使今后要大力发展光伏发电,在负荷中心处,也须对该类发电系统所占的比例进行适当控制。光伏发电与电能质量问题对电网频率的影响当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后,由于其发电具有一定的随机性,因而可能导致电网内的频率时常出现波动,如果系统内的一次调频机组大多采用火电机组,将会在一定程度上影响到汽轮机叶片的使用寿命。

此外,为今后更好地接纳大容量光伏并网发电系统发出的电能,并应对光伏并网发电系统所发电能的时变性,要求电网内必须具备足够的调峰电源,同时也要求人们对传统的电网调峰容量配置理念进行重新审视。光伏发电与电能质量问题孤岛系统内的电压和频率安全另一个值得重视的问题是,当系统内出现了孤岛效应后,在该孤岛内缺少蓄电池的前提下,如何确保该孤岛系统内用户的供电电压和频率质量,乃至电压和频率稳定性,这也是光伏并网发电系统中需要重点解决的技术问题。光伏发电与电能质量问题光伏并网发电系统对配电网的影响继电保护由于处在电能传输链的最末端,配电系统的电压等级通常较低,在光伏发电等分布式发电系统投入之前,除了局部地区存在一些零星的小水电、小煤电外,配电系统中基本无电源存在。这意味着,目前大多为放射型的配电网络中,潮流的流动通常是单一的,很少会产生转移电流。这就使得配电网中早已大量存在的继电保护装置中的很多继电器不具备方向敏感性。

光伏发电与电能质量问题随着光伏发电或其他分布式发电系统的大量投运,配电系统中线路上的潮流具有了双向流动的可能性。因为不可能为了新增的光伏发电或其他分布式发电系统而对现有的继电保护体系做大量改动，如果光伏并网发电系统不能与原有的继电保护协调配合并相适应，高比例PV的引入使得配电网从传统的单电源辐射状网络变成双端甚至多端网络，从而改变故障电流的大小、持续时间及其方向，结果可能会导致断路器保护误动、拒动及失去选择性。PV自身的故障也会对系统的运行和保护产生影响。另外，当PV系统抗孤岛保护功能时间不能与自动重合闸等装置协调配合时，就会引起非同期合闸。光伏发电与电能质量问题供电可靠性有时,光伏并网发电系统还会对电力系统尤其是处在网络最末端的配电系统的运行可靠性产生不利影响。例如,当其所处的交流系统停电,又恰逢日光照射强度降低,则本应在系统最需要的时候提供电能输出的光伏并网发电系统也将无能为力。从这一角度看,光伏并网发电系统的存在并不一定就会提高配电系统的供电可靠性。

此外,不恰当的光伏并网发电系统安装地点、配置容量和与电网的连接方式,也可能导致配电网的可靠性变坏

。例如,若其与配电网原有的继电保护配合不好,反而可能使继电保护误动作,使电网运行可靠性降低。光伏发电与电能质量问题电能计量光伏并网发电系统并入配电网前,配电网中电能的流向基本是单一方向,并入后,个别配电网区域内的潮流流向可能是双向的,因此需将原有的电能计量模式由单向改为双向计量模式

。另外,由于光伏并网发电系统的发电成本仍然较高,如何在计量系统中合理地反映电价差别,也需重新考虑。光伏发电与电能质量问题电能质量智能信息监测系统随着非线性负荷的不断增加，造成电能质量问题的各种因素也在不断增长。各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断普及，用户对电能质量及供电可靠性的要求也越来越高。电能质量问题已经成为当今电力学科领域内的重大课题。加强和规范电能质量监测工作，有利于提高整个电网电能质量各项评价指标的水平，同时也是电力公司为用户提供优质服务的最直接体现。电能质量智能信息监测系统真实而全面的电能质量监测数据是进行电网电能质量控制、监督与管理的基础。目前，国内部分省市和地区都建立了不同规模的电能质量监测系统，但发展较不平衡。在电能质量监测终端功能和性能方面，国产在线式监测终端与国外产品还存在着差距；在监测系统组网方式方面，各省级监测系统根据监测点数量、网络规模等实际情况选择数据分布式或集中式的组网方式；在监测系统后台软件方面，国产后台分析软件在统计和报表分析数据方面比较完善，但较国外产品在高级应用功能方面还略有欠缺。

电能质量智能信息监测系统由于风能的随机性和间歇性,使产生的各种电能质量问题具有很大的随机性和不可预测性。因此,对风电接入后的电力系统进行电能质量分析和长期、连续地监测,对于全面掌握电能质量状况,从而为改善风电电能质量提供依据,以保证其电能质量符合IEC和国家有关标准,是十分必要的。电能质量智能信息监测系统由于风能和光伏发电的随机性和间歇性,使产生的各种电能质量问题具有很大的随机性和不可预测性。因此,对风电和光伏发电接入后的电力系统进行电能质量分析和长期、连续地监测,对于全面掌握电能质量状况,从而为改善风电和光伏发电电能质量提供依据,以保证其电能质量符合国家和IEC有关标准,是十分必要的。电能质量监测系统的组成电能质量监测系统的建设目标电能质量监测系统现状电能质量监测系统的发展方向电能质量智能信息系统（PQIIS）介绍电能质量智能信息监测系统数据中心地图数据文件WebServerApplicationServerClient数据采集与计算PQESSQLServerPQDAPQDMPQViewMonitorMonitorPQDIF……MonitorMonitorPQDIF电能质量监测网其他应用系统SCADA系统故障录波系统……远程用户通过VPN访问本地用户局域网访问系统组成部分：数据采集与计算部件；电能质量数据库；地图数据库；应用服务器；Web服务器系统数据来源：PQView系统；电能质量监测网；其他应用系统电能质量智能信息监测系统1电能质量监测系统的组成---逻辑结构

定时地将PQDIF文件或PQView数据库中的数据转到电能质量智能信息系统(IISPQ)的数据库中，并计算相应的基础指标数据。C/S客户端界面层及服务IISPQ物理数据库层PQView物理数据库层PQDIF文件数据模型与数据库接口层IISPQPQViewPQDIF数据采集谐波计算暂态计算稳态计算综合评估计算PQView数据采集PQDif数据采集vs/sh基础数据计算基础指标计算统计指标计算数据采集与计算子系统电能质量智能信息监测系统电能质量分析子系统为基于B/S体系结构的Web查询系统，也包括少量的数据计算及统计报表功能。质量分析子系统IISPQ物理数据库层数据模型与数据库接口Web界面控制层组织机构管理暂降分析稳态评估背景谐波分析扰动类型识别系统综合评估权限管理标准管理案例管理暂降原因判断治理决策支持暂降事件查询稳态数据查询监测数据查询电能质量评估智能分析系统管理辅助管理新能源相关分析电铁相关分析监测站点管理报表报告管理监测设备管理地图导航监测---逻辑结构

电能质量智能信息监测系统2电能质量监测系统的建设目标实现数据共享，包括不同厂家的监测设备之间、不同厂家的监测系统之间、电能质量监测系统与其他系统之间。建立电能质量数据中心（集中式/分布式）。进行分区域、分电压等级的电能质量数据分析，并提供高级应用功能，包括暂降原因判断、暂降源定位、扰动源分析、谐波状态估计、电能质量报警、预警及治理决策功能，使各级管理部门及时了解电能质量的现状和发展趋势，并为电能质量问题的治理、电能质量纠纷的解决和按质定价提供依据和措施。为改善现有供电系统的供电质量，保证电网的安全、可靠运行提供支持。

电能质量智能信息监测系统3电能质量监测系统的现状目前国内很多省份建立的电能质量监测系统，包括广东电网、华北电网、山西、上海、河北、云南、江西等。由于不同厂家监测设备的数据规约和通信规约不同，造成不同厂家监测设备的数据互不兼容，给数据集成和共享造成障碍，出现了一个省内，甚至一个供电局内多个系统孤立运行的状况，难以对整个区域的数据进行分析和评估。后台分析软件功能较单一，缺少高级分析功能，如智能分析技术、治理决策支持等。

电能质量智能信息监测系统3电能质量监测系统的现状广东电科院、华北电科院、山西电科院、上海电力公司、河北电科院、云南电科院先后引入了PQView软件。由于PQView软件提供了丰富的数据接口，支持国外主流监测设备的接入，因此，在很大程度上解决了监测数据的集成和共享问题。由于国内外管理体制的差异，PQView软件不能很好地适应国内对电能质量的分区、分级管理，目前不支持多级单位使用。国内购买了PQView软件的几家企业都在PQView软件基础上进行了二次开发。

电能质量智能信息监测系统4电能质量监测系统的发展方向网络化：利用网络技术及信息技术，实现电能质量的连续在线监测。目前，国内的广东、浙江、江苏等省电力公司已经在开展覆盖全省范围的电能质量监测网的研究和建设工作，监测设备终端、中央服务器和以太网组成的电能质量监测网已经初具规模。

电能质量智能信息监测系统4电能质量监测系统的发展方向标准化:标准化是一项需要不断探索的研究工作。一方面，数据的可信度和可比性可以大幅度提高；另一方面，信息系统的各类数据可以获得优化，缩小数据库的占用空间，数据库与其他系统的开放性和共享性得以提高。目前在监测终端的数据规约、通信规约、系统交互方面都有待于标准化。

电能质量智能信息监测系统4电能质量监测系统的发展方向实用化:未来的电能质量监测系统将从主要作为科研性质的独立系统逐渐走向实用化。电能质量监测系统将不再是一个独立的系统，将逐渐融入电力生产