【新能源并网对电网安全运行的影响研究9500字（论文）】

东北大学继续教育学院毕业设计（论文）新能源并网对电网安全运行的影响研究目录TOC\o"1-3"\h\u4464摘要 II6636引言 4173751新能源并网对电网运行的典型影响分析 6124761.1新能源并网对电网电能质量的影响 6192501.1.1新能源并网对短时电压波动的影响 6135951.1.2新能源并网对电力系统谐波的影响 6302561.2新能源并网对电网运行经济性的影响 7110941.3各类新能源对电网可靠性的影响 9110392新能源并网对电网安全运行的对策研究 11210142.1新能源并网对电网电能质量影响的对策 1195162.1.1谐波治理 11253882.1.2抑制电压波动与闪变 1155892.2新能源并网对配网运行经济性影响的对策 13165232.2.1网络损耗优化策略 1377522.2.2差异化电价补贴策略 15147582.2.3电网负载率优化策略 1579932.3新能源并网对电网可靠性的影响的对策 1618363总结与展望 1816013.1总结 1885533.2展望 193881参考文献 20引言随着社会工商业的迅猛发展，能源需求越来越大，由此引起的环境污染问题也渐渐凸显，所以亟待解决的问题是既保证能源可靠供应，又不增加环境负担。在全世界能源大量开采的情况下，石油、煤炭等资源不可再生能源势必会逐渐枯竭，供不应求，所以发展可持续的清洁能源势在必行。电能是一种较为清洁、经济、可靠的能源，由于产生电能的途径多种多样，而且其用途广泛，能较为方便、快捷地转换成社会生产过程中必需的动能、势能、热能等，所以电能为发展可持续清洁能源提供了一种很好的选择。为了更有效的提高电能利用效率，减少输电带来的损耗，充分地利用风能、太阳能等可持续清洁能源，减少对环境的影响，给分布在偏远地区的用户提供稳定可靠的电能供给，新能源引起了国内外研究学者的广泛关注。由新能源的以上特征可知，新能源靠近负荷，无需建设配电站，所以其输配电损耗较小，可降低支撑输配电所必须的电力设备的运输、安装成本；分布式发电系统相对独立，用户可以根据用电自身需求独立控制，少数新能源发生故障不会造成电力系统大面积停电，所以其安全性、可靠性较高；新能源在一定程度上弥补了大电网安全性不足的问题，当大电网短时停电时，新能源可以从电网中退出，独自形成微电网，为用户提供短时电力供应；由于其启停速度快、自动化程度高，其调峰性能好。随着全世界对节能减排理念的逐渐深入贯彻，发展可持续清洁能源的将势在必行，也将逐渐成为未来能源的趋势和主流，而新能源集节能、清洁和便利于一体，发展新能源具有增强电网可靠性、提高智能化等重要意义，它是发展可持续清洁能源的必然选择。然而，任何事物都具有两面性，分布式发电虽然具有上述多种优点，但其缺点也是与优点并存的，在新能源并网时会造成网损电压，系统规划、运行、调控带来了更多的不确定性，尤其是电网电能质量、经济性、可靠性等产生了较大的影响。所以本课题研究新能源并网对电网的影响及对策，既保留了新能源并网对电力系统的优点，又为减少新能源并网产生的弊端提供了一种优化策略。1新能源并网对电网运行的典型影响分析1.1新能源并网对电网电能质量的影响顾名思义，电能质量为电网中供电能量的品质和质量，评价电能质量最基本的指标为电压、频率和波形，最优状态下，电力系统中交流电的应该是正弦形式的波形，但是实际运行的系统一般会收到一些因素的影响，导致交流电并不是完完全全的正弦波，从而导致其电压、频率和波形会偏离正常状态，影响系统安全稳定性，危害系统中设备的正常工作，所以研究电能质量问题至关重要。本章从短时电压波形、网络谐波方面研究新能源并网对电网电能质量的影响。1.1.1新能源并网对短时电压波动的影响根据电压等级和用户性质的不同，电能质量对电压波动范围的允许范围也有所不同，一般对于35kV及以下对电能质量有明确特殊要求的系统，电压波动范围为额定电压5%，10kV及以下电力系统电压波动范围为额定电压的7%，低压照明系统为额定电压的+5%～-10%。节点注入功率的变化导致短时电压波动，而且短时电压波动受节点短路容量大小的影响，节点短路容量与短时电压波动呈现负相关的关系。虽然新能源并网会使系统短路容量增大，但是由于分布式发电的随机性，使得注入电网节点的功率波动增大，从而导致节点电压波动变大，最终致使电能质量降低。1.1.2新能源并网对电力系统谐波的影响评价电力系统谐波的一个重要指标就是谐波畸变率，它表示周期性交流量中谐波分量方均根值与基波分量方均根值之比，根据波形性质不同，可分为电压谐波畸变率和电流谐波畸变率，分别用和表示。经逆变器等电力电子器件并网的新能源，在其投退时，由于电力电子器件大多是非线性的，所以产生大量谐波，影响系统电能质量。下文从新能源的并网容量、接入位置和接入类型三个方面讨论新能源并网对电力系统谐波的影响。为了更有效的反映出新能源对电力系统谐波的影响程度，本节选择新能源并网产生谐波最多的情况进行研究，即在新能源投切时观察电网谐波畸变率。1.2新能源并网对电网运行经济性的影响新能源并网对配网最直接的影响是改变了潮流和电压分布，这两者的最终结果将会改变网络损耗。由于分布式发电大多是清洁、可持续、环境友好型能源，所以它降低了传统发电场对石油、煤炭等资源的消耗，改善了环境效益。下面从新能源并网的环境效益方面分析新能源并网对对电网运行经济性的影响。本节以新能源中的风电为例，对比分析风力发电与燃煤发电对环境的影响，对比项目如下表2.1所示。表2.1风力发电与燃煤发电对环境影响对比分析对比项目环境影响分析燃煤发电风力发电需求情况每kW·h需约为355克煤（标准煤）风能取自大自然开采情况占用土地、影响环境，消耗的是不可再生资源无需开采运输情况需要运输无需运输建设污染情况占用土地、影响生态环境、导致水土流失，产生粉尘、噪声、水污染占用土地、影响生态环境、导致水土流失，产生粉尘、噪声、水污染运营工艺污染大气污染物：二氧化硫、氮氧化物等水污染物：COD、硫化物、高温水等固体废物：粉煤灰、炉渣、脱硫废物等电机噪声：＞100dB电机噪声：＜100dB；光影工艺污染防治防治污染设施建设和运营需投入防治和治理噪声污染输送电力设施建设占用土地、影响环境、导致水土流失，产生粉尘、噪声、弃渣、水污染等占用土地、影响环境、导致水土流失，产生粉尘、噪声、水污染等在能源利用方面，风力发电属于可再生清洁能源，而煤炭资源属于不可再生资源，随着各行各业对煤炭的大量的开采，煤炭资源的存有量将会越来越少，开采、使用价格也会越来越昂贵；风能通过风机可以就地、直接低转换成电能，而煤炭发电需要的工序较多，过程较复杂，一般需要从煤矿开采出原煤，然后经过加工，运输到火力发电厂才能转换成电能，并且煤炭运输过程会产生粉尘，燃烧后的废气会污染大气环境，所以风力发电相对于煤炭发电来说更加清洁环保。在发电设施建设方面，风机和火电厂建设均需要用占用土地，影响安置发电设施周边的生态环境，最终导致水土流失，假设过程中均会产生粉尘、噪声、弃渣、水污染等。在发电期间产生的污染，风力发电从大自然获取风能，带动风机转动发电，整个发电过程中不会造成大气、土壤、水域的污染，仅仅风机发电期间产生的噪声会对周边居民生活产生一定的影响，但风机产生的噪声分贝数要低于火电厂。燃烧煤炭产生的粉尘会污染整个大气环境，燃烧后的煤渣埋入土地中会占用土地资源，破坏原有生态环境，废弃物流入水中也会污染水资源，处理废弃物的设施产生的废物会导致二次污染，若污染不及时防治，可能会扩散到整个周边环境。由以上对比分析可知，在能源利用、发电设施建设以及对环境影响等方面，燃煤发电明显要劣于风力发电，在火电厂建成后需要保证煤炭资源的开采、运输以及燃烧处理等各个方面的有序进行，但是风力发电在风机建成后，对环境不会造成污染，且基本实现全自动化发电，只需人员进行运行和定期维修检查，所以若考虑环境效益，风力发电相对于燃煤发电具有明显的优势。1.3各类新能源对电网可靠性的影响国内外常见的新能源主要有：燃料电池、微型燃气轮机、内燃机、光伏电池、风力发电机等。由于电源种类的多种多样，在研究新能源对可靠性影响时因根据不同类型的电源采用合适的可靠性模型。在配网发生故障时，若未安装新能源，则发生故障后，故障点需要与电网隔离，所以故障点之后的所有负荷均停电，供电可靠性低。在安装新能源后，由之前的分析可知，在发生故障并切除线路后，含新能源的系统可以组成一个孤岛继续运行，通过孤岛中的新能源可以继续为相应负荷供电，因而新能源对孤岛中的供电线路故障产生了积极作用，减少负荷点停电时间。新能源作为配电站。将新能源作为配电站考虑，假设其输出有功功率没有限制。将其作为配电站考虑的一个好处在于，可以用解析法去评估配电站可靠性模型。在电网发生故障时，孤岛可以与故障点断开，而孤岛内的设备可以通过新能源继续供电，在故障被隔离后，孤岛中新能源又可以重新接入电网，由于在故障后新能源可以继续为部分非故障负荷供电，所以极大提高了供电可靠性，当然将新能源作为配电站是一种理想化模型。新能源作为有额定容量的电源。将新能源等效成有额定容量的发电机，则可以保证发生故障形成孤岛后，在额定负荷下，新能源能可靠、持续的为相应负荷供电，保证孤岛内设备的正常运行，为了满足以上条件，需要对新能源的容量进行统计，并对各个孤岛进行划分，使孤岛内的发电容量够所有负荷使用。新能源作为随机电源。主要是考虑风电、光伏等新能源受天气、地域等的影响较大，其出力不够稳定，输出功率存在很大的随机性，所以在发生故障后，如果仅由这类新能源为孤岛供电，可能会受外界因素影响，导致电源供给能力不足，在这种情况下，需要考虑其保证孤岛可靠供电的概率。2新能源并网对电网安全运行的对策研究2.1新能源并网对电网电能质量影响的对策针对新能源并网对电网短时电压波动、电力系统谐波和电压偏差供电质量等电能质量问题带来的影响，阐述了电网电能质量优化策略，包括谐波治理、抑制电压波动与闪变等。2.1.1谐波治理新能源投退及出力波动时，会向电网注入大量谐波，为了保证电网和用电设备的安全稳定运行，需考虑将系统电流、电压的波形畸变度控制在允许范围内，为实现这一目的而采取的措施称为谐波治理。谐波治理的常用手段主要有受端治理、主动治理及被动治理三种：受端治理的主要目的是提高用电设备的抗谐波干扰能力；主动治理即是从源头上降低或者抑制谐波的产生；被动治理则采用无源或有源滤波器等滤波装置抑制谐波源产生谐波。由于大部分地区新能源并网容量和数量都较小，对电网谐波水平影响较小，只有在新能源大容量投切时才会产生严重的谐波污染，所以针对新能源产生的谐波污染问题，一般首先评估并网后的电能质量水平，而且安装谐波监测设备，超过设定阈值则报警，只有在新能源大量接入，导致严重谐波的区域才安装谐波抑制设备。2.1.2抑制电压波动与闪变新能源并网可能引起电网的电压波动和闪变，为抑制电压波动，防止电压闪变，需为电网配置无功补偿装置。顾名思义，无功补偿装置的作用是为系统提供无功功率的支撑，达到稳定电压提高系统电能质量的效果，常见的无功补偿装置有多种，其中应用广泛的主要有同步调相机、静电电容器、静止无功补偿器和静止无功发生器，随着电力电子技术的发展，有源电力滤波器（APF）因其响应速度快、能补偿无功和不平衡、对谐波抑制能力好等优点很快进入人们的视野。其具体功能和优缺点如下：(1)同步调相机是一种处于特殊运行状态下的同步电机，其无功功率可以连续输出，当系统电压过低时，能发出无功功率以支撑电压，当系统电压偏高时，能吸收无功功率以便于抑制电压升高，但其响应速度较慢，调节过程较复杂，所以一般大容量集中安装使用。(2)静电电容器原理简单，安装运行维护极为方便，可集中使用又可分散装设，但其只能产生容性无功，补偿感性无功，且调节不变，甚至可能产生谐振，危害系统安全。(3)静止无功补偿器（SVC）是指使用晶闸管控制的静止无功补偿装置，可实现无功功率的连续调节，具备响应速度快，价格适中的优点。(4)静止无功发生器（SVG）又称静止同步补偿器或静止调相机，它具有响应速度快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点，电压较低时可向系统注入较大的无功电流，同时具备连续平滑调节系统无功功率的性能；但其控制较复杂，且成本较高。(5)有源电力滤波器（APF）除了上述优点外，也存在着固有的缺点，因其采用电力电子器件构成，开关损耗较大，且开关器件易发生故障，需要配置元件故障诊断模块。电压偏差应对措施。由新能源并网的实际经验可知，新能源大量接入电网会造成配网电压整体下降，导致用电设备处于不正常运行状态，致使设备使用寿命缩短，所以为了解决这个问题，相关措施也被提出：评估新能源接入配网后引起的电压偏差，可根据评估结果调整运行方式，指导含新能源的电网规划；通过装设无功补偿设备，为节点电压提供无功支撑；对含新能源的电网装设电能质量监测仪器，时刻监测系统电能质量，以便迅速采取措施。电压波动和闪变应对措施。虽然新能源并网对电网的电压波动和闪变等会产生影响，特别风力发电、光伏发电等输出功率随机性较大的新能源，但是由于新能源的并网容量和数量较小，所以，在电网足够坚强的情况下，新能源投切导致的电网电压波动和闪变并不严重。针对这个问题，也有一些应对措施被提出：对新能源并网可能造成的电压波动和闪变进行评估，根据评估的严重程度，采取相应的措施；装设电网电压波动和闪变的监测设备，当电网电压波动和闪变超出阈值时，提醒工作人员采取措施；含新能源的配网应装设一定容量的有功功率和无功功率调节设备，配置一定无功补偿容量。2.2新能源并网对配网运行经济性影响的对策针对第二章所述的新能源并网对配网运行经济性的影响，本节从电网运行经济性优化策略包括网络损耗优化策略、差异化电价补贴及电网运行负载率优化策略三个方面。2.2.1网络损耗优化策略由第二章可知，新能源并网后会使节点电压升高，有功功率流向改变，在并网容量较大时，还有可能使潮流反向，最终会导致网络损耗改变，所以在新能源并网后需要优化网络损耗，本节阐述了利用无功优化和配网重构的方法降低网络损耗。2.2.1.1无功优化系统无功缺乏不仅会导致线路末端电压过低而损坏用电设备，还会使线路损耗大幅增加，从而导致电压质量不合格同时降低线路负载率。新能源大多通过逆变器并入电网，而逆变器正常运行时常常需要从电力系统吸收无功功率，从而可能导致系统无功缺乏，增加网络损耗，影响电能质量。无功优化是指在系统的结构、参数等确定的情况下，通过控制某些变量使系统无功功率达到最优的方法，优化系统无功不仅可以提高电力系统电压稳定性，还能减低网络损耗。它以系统有功损耗与电容器安装费用之和最小为目标，并考虑正常运行状态下系统对无功功率的实际需求，为电网的无功补偿设备的规划、建设、安装提供指导方案。因而，无功优化对含新能源并网的配网的运行经济性至关重要。2.2.1.2电网网络重构策略电网网络重构策略即为通过改变配网中联络开关、分段开关的开关状态，从而改变配电路径，以达到维持电压稳定，保证系统安全，提高电能质量，降低系统有功损耗的目的。电网络重构的目标函数可根据实际电网需要进行选择，如最小化系统有功功率损耗、平衡系统负荷、提高系统可靠性、提高电压水平、社会效益最大化等；网络重构算法也多种多样，常用的优化算法有克隆遗传算法、蚁群算法、粒子群优化算法等。与传统电网重构问题不同，大量新能源并网后的电网络重构需要考虑新能源在系统正常及故障状态下对电网产生的影响。含新能源电网络重构技术关键在于对新能源并网模型的处理及含新能源的网络潮流计算。为充分考虑不同类型新能源对电网的不同影响，可将新能源模型划分为PV、PQ、PI、Q(V)四种类型，再依次建立功率恒定、功率可调和功率随机的新能源类型，以便模拟各种类型、不同数量的新能源并网时的电网潮流情况，实现含新能源并网的电网网络重构。2.2.2差异化电价补贴策略新能源并网的运行经济性研究，关系着新能源是否能大规模、宽范围的发展，前期的高成本投入与后期的收益回报要合理接洽，才能让我们从新能源中受益，而差异化电价补贴策略可能是一个不错的选择，其主要包括以下两方面：(1)电价补贴的地区差异问题。由于我国地区发展差异较大，资源分布很不均衡，因此造成不同地区发电成本相差较大，针对以上问题，各地区可以根据当地实际情况，在全国统一电价的基础上出台差异化电价补贴策略，以便维持电力市场的平稳发展。(2)电价补贴的用户差异问题。目前，居民及事业单位电价与企业电价不同，但其光伏发电补贴电价相同，这一政策不利于居民和事业单位发展光伏分布式发电，因此可再生能源发电补贴需针对不同用户制定差异性电价补贴。2.2.3电网负载率优化策略在我国，电网运行多以牺牲经济性来保证运行的安全性，造成配电设备利用率普遍偏低，因此对电网设备利用率的优化策略集中体现在对配电设备负载率的提高方面。配电设备负载率主要包括线路负载率、主变压器负载率以及电网区域负载率，线路负载率为线路允许的最大电流值与线路安全运行的电流值之比，主变压器负载率为实际运行时的功率与额定功率之比，电网区域负载率为配网区域内系统最大供电能力与其供电容量之比。提高配电设备负载率势在必行，其不仅可以提高配网对新能源的消纳能力和利用效率，降低供电设备的建设投资，开发电力设备的潜力，还能提高配网的运行效益，促进节能减排，减少环境污染。通过优化运行方式提高电网负载率，从而提高电网运行效率的措施主要包括负荷控制、新能源调控、电动汽车、无功优化等。2.2.3.1负荷控制负荷控制是指对于普通用户负荷，可通过实时电价、分时电价或尖峰电价机制，合理引导用户用电，联系用户和供电部门，增加配电区域的平均供电能力，提高配电区域的平均负载率。对部分大用户负荷，可以通过了解其用电特性，设置个性化供用电方案，还可以通过峰谷电价优惠的方法，引导电力用户合理安排用电计划，错峰用电，以达到提高配电区域的平均负载率的目的。2.2.3.2新能源调控随着并网新能源的数量越来越多，可用于电网调度的电源也增加，新能源的正常稳定运行虽然要依赖系统惯性的支撑，但是也为新能源的调控提供了更多的选择。接入配网线路末端的新能源可以有效提高末端电压，使电网运行更容易满足安全约束条件，而且，可在配网优化调度系统中接入新能源的测量控制模块，通过处理采集和上传的数据，有效监控和分析新能源的运行状态，所以，可以在对新能源负荷预测和出力预测的基础上，根据当前配网运行的实际状态，对配网管控范围内的新能源进行合理的调度，优化配网运行。2.3新能源并网对电网可靠性的影响的对策微电网是一个集电力电子、信息通信、控制和人工智能等技术于一体，由负荷和新能源组成的小微型电网，其基本结构主要包括新能源（燃气轮机、柴油发电机、风力发电机、光伏系统、沼气发电等）、用户负载（各种用电负荷、智能电表、远程抄表系统等）、输配电系统（数字化变电站、智能继电保护系统、智能调度系统等）、能量管理系统（SCADA、AGC、EDC等），其可在配网系统发生故障时保证关键负荷的可靠供电，在孤岛、偏远地区供电中也具有相当大的优势。远距离输电会产生较大损耗，前期投入较多，因而以负荷为中心配置电源为远距离输电带来的问题，提供了一种解决办法，而且用户对供电可靠性以及电能质量的要求越来越大，单纯的分布式并网不会较大程度上提高供电可靠性，所以为提高新能源并网后供电的可靠性，可将新能源建成微电网(Micro-Grid)运行。微电网作为一个完整的微型电力系统，可以实现独立控制、保护与管理，实现自身的功率平衡、优化运行等功能，只需要采用常规的测量模块，建立其与就地控制器之间的联系，即可实现微电网的集中控制，当电网故障时，新能源仍然可以为微网内负荷供电，可极大地提高重要负荷的供电可靠性。本章首先为了降低新能源并网对电能质量的影响，介绍了通过谐波治理中的三种方法：受端治理、主动治理及被动治理，分析了电压波动和闪变的原因，并列举了多种无功补偿设备以抑制电压波动与闪变。然后，通过无功优化、电网网络重构策略减少网络损耗，通过电价补贴的地区差异问题和电价补贴的用户差异问题分析差异化电价补贴策略，以及通过优化电网负载率策略，最终达到提高新能源并网的的运行经济性。最后说明了通过建立微电网协调各新能源与配网的关系，提高新能源并网时配网的可靠性。3总结与展望 3.1总结 随着全世界环境问题的日益严重和环境保护意识的逐渐增强，以消耗不可再生能源影响环境为代价的传统能源受到了挑战，亟待寻求优化、解决的方法。近年来新能源的迅猛发展，为以上问题提供了解决途径，也为供电和用电双方提供了更多选择。但是新能源并网会产生诸多问题，影响电力系统的高效、优质、安全稳定运行，所以本文以新能源并网对电网的三个典型影响为切入点，阐述了影响的原因和解决策略，具体内容总结如下：首先，归纳整理了新能源并网的背景和意义，并就国内外对新能源的典型应用进行了简要介绍，在总结本课题研究现状的基础上，指出现有研究的不足和需要改进优化的地方，说明了研究本课题的意义，阐述了本文的主要工作。其次，从新能源并网对配网电能质量、运行经济性以及可靠性的影响三个方面进行了分析讨论。(1)在对电网电能质量的影响上，分析了新能源并网对电网短时电压波动、电力系统谐波和电压偏差等三个方面的影响；(2)在对电网运行经济性的影响上，从新能源并网对网络损耗和环境效益两个方面进行了分析；(3)在对电网可靠性的影响上，从风电、光伏等典型新能源入手，研究新能源并网对电网供电可靠性的影响，并得出在多类型的分布式能源的接入问题上，其分布式能源的类型决定了其对系统可靠性的影响。(4)通过控制变量的方法，对比各项仿真数据，印证了上述结论的可行性与适用性。最后，针对新能源并网对电网电能质量、运行经济性和可靠性问题，指出了相应的解决办法，全文主要通过以下几个方面进行说明：阐述了通过谐波治理、抑制电压波动与闪变的方法，提高新能源并网后配网电能质量的方法；阐述了通过网络损耗优化策略、差异化电价补贴策略以及电网负载率优化策略的方法，提高新能源并网后配网运行经济性；阐述了通过构建微电网的方法，提高新能源并网后配网可靠性。3.2展