0  引言

    清潔能源開發(fā)根據(jù)發(fā)電量大小分為兩種形式：分布式清潔能源發(fā)電和大規(guī)模清潔能源發(fā)電。分布式清潔能源發(fā)電一般是指小作坊型的太陽能發(fā)電，供個人或集體用戶自產(chǎn)自銷，并不需要并入核心電網(wǎng)，通過逆變器連接計量電表直接與用戶相連，對計量系統(tǒng)會產(chǎn)生一些諧波或直流影響，但在可控范圍內(nèi)。在東北或者南方偏遠山區(qū)集中采集風能和太陽能，利用超級電容緩存電能，通過電纜直接并入35 kV高壓線路，輸送到鄰近城區(qū)。大規(guī)模能源并網(wǎng)由于需電網(wǎng)線路輸電，因此要求發(fā)電質(zhì)量、規(guī)格、規(guī)模都符合電網(wǎng)輸電標準，才能在輸電線路上正常傳輸。大規(guī)模能源并網(wǎng)電源裝機容量較大，以“向外送電”為主，在夜間或無風等不滿足發(fā)電條件下，也需要從電網(wǎng)獲取電能滿足電站自身的運轉(zhuǎn)，因此計量的雙向性測量需保證精準才能保持能量來回輸送的平衡。

    為了保證計量過程的精準性以及計量設備部署的經(jīng)濟性，同時考慮大規(guī)模能源的接入點位置以及接入電壓等級等，針對不同的電壓接入點應有不同高壓計量方式，相應的設備性能也要根據(jù)實際運行工況來確定。本文探討更優(yōu)化的方式來解決大規(guī)模能源的計量問題。

1  大規(guī)模新能源并網(wǎng)特點

    建設大規(guī)模新能源主要目的是把偏遠區(qū)域的寶貴能源充分開發(fā)利用起來，由于當?shù)厝鄙倬用褡?，只能將能源遠距離送點到鄰近地區(qū)或缺電城市消納。新能源開發(fā)的模式以及不同能源轉(zhuǎn)換過程中的差異性是存在的，即使進行了能量逆變統(tǒng)一，但是在電流、電壓參數(shù)方面還是有略微的偏差，一般偏遠地區(qū)的電網(wǎng)網(wǎng)架也較薄弱，一點偏差會有較大影響；而電網(wǎng)計量系統(tǒng)是以參數(shù)精準性為前提，能源并網(wǎng)運行中面臨的各種問題都會影響計量的準確性。下面綜合分析下并網(wǎng)過程中的特點和缺陷。

    （1）雙向性和間歇性：大規(guī)模新能源作為電網(wǎng)的能源補充方式，和傳統(tǒng)的發(fā)電廠形式不一樣，電廠發(fā)電作為獨立的系統(tǒng)不需從輸電線路中取電充電，新能源發(fā)電時潮流方向只是指向用戶一段，但在無法發(fā)電時段，就需電網(wǎng)補給供電，常規(guī)電網(wǎng)單向計量模式無法適應雙向計量，在計量上需改造成上下行同時可發(fā)送控制信息。一般新能源發(fā)電都會受季節(jié)和時間的影響，例如在風力充足的冬季夜間和陽光充足的夏季白天，風電機組和太陽能電池基本是滿負荷工作，而之外的時間發(fā)電能力較弱或者基本電量為零。

    （2）無功電壓不穩(wěn)定：在大功率能源集中供電時，會給輸電網(wǎng)造成很大的沖擊，功率波動突然變大，可能導致電網(wǎng)電壓波動性增加，從而失去穩(wěn)定性。尤其是風能這種能源介質(zhì)具有隨機性和波動性，很容易無法預測其電網(wǎng)潮流，無功電壓的波形出現(xiàn)驟升或驟降的可能，進而導致鄰近電廠的網(wǎng)絡出現(xiàn)過電壓或欠電壓動作而導致連鎖脫網(wǎng)故障，影響范圍無法估計。因此需通過設置合理的計量方式預估電壓變化幅度，調(diào)和局部電壓變化壓力。

    （3）穩(wěn)定性差和發(fā)電效率不高：清潔能源之所以前期沒有被大量開發(fā)，主要原因在于電能轉(zhuǎn)換效率低，以效率換取能源的開發(fā)是不合理的，但目前考慮環(huán)境問題，所以將清潔能源作為主要補充手段，盡力增大能源轉(zhuǎn)化效率。風輪的理論最大效率為 59.3%，而實際的效率則更低，水平軸的風輪機實際效率通常在 20%~50%，垂直軸風輪機的最大效率在30%~40%。因此通過計算能源轉(zhuǎn)化效率來預測可開發(fā)能源量，數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)潮流平衡計算的重要依據(jù)。大容量能源并網(wǎng)后會給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來一定影響，尤其在發(fā)生并網(wǎng)故障時，同步機組功率極限值的變化對同步機組功角值的恢復產(chǎn)生影響。

    （4）調(diào)頻控制能力差：國家電網(wǎng)公司印發(fā)了關(guān)于風能和太陽能并網(wǎng)接入的技術(shù)規(guī)定，對電源的總?cè)萘?、電壓等級及時頻范圍進行了規(guī)范。并網(wǎng)過程中也會影響電能頻率的變化，出現(xiàn)頻率控制的問題。需通過參與電網(wǎng)的電源容量同步調(diào)頻，利用功率預測手段，實現(xiàn)有功功率自動控制，預測的精準性還需計量裝置的配合。

    （5）送電量受網(wǎng)架質(zhì)量限制：清潔能源發(fā)電站附近的網(wǎng)架一般比較薄弱，有時對于大規(guī)模送電無法支撐，往往出現(xiàn)送出的能力低于額定送出功率，對發(fā)電端設備是一種勞損。可通過靈活設計周邊網(wǎng)架輸電路由及策略，提升發(fā)電效率。

2  針對新能源并網(wǎng)計量應對措施

    通過對新能源并網(wǎng)特征進行全面分析，發(fā)現(xiàn)很多問題都需要計量手段去配合和控制才能提升并網(wǎng)的性能。電能計量是在發(fā)電過程中，通過一定的設備記錄下流過設備的電量，送端作為送電的可行性的依據(jù)，收端作為電費消納的依據(jù)。計量裝置針對不同的應用場景配置也不會相同，共有5類計量裝置，分別為有功電能表、無功電能表、電壓互感器和電流互感器，其準確度等級各不相同，其中，0.2 級的電流互感器僅是指發(fā)電機出口處所配備的電能計量裝置，S是特殊用途的電能表的精度標準。在小負荷的情況下，S 級電能表與非 S 級電能表的主要區(qū)別在于對輕負載計量準確度的要求不同，S 級要比非 S級具有更高的測量精度。因此大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電選擇電流互感器計量裝置，并網(wǎng)時會帶來一些不確定因素造成計量不準確，需采取相應的措施。

    （1）應對諧波：新能源并網(wǎng)時需要輔助大量的電力電子元件參與控制和運行，發(fā)電機組都會引起電流和電壓的畸變，所謂的諧波產(chǎn)生。諧波的產(chǎn)生會造成設備壽命的損耗而且會導致設備的誤動，危害性很大。拿風力發(fā)電產(chǎn)生諧波的過程來描述：風電產(chǎn)生諧波的設備有電源、逆變器、整流器等，當風機運轉(zhuǎn)時，這些電力電子元器件一直處于交直交變頻狀態(tài)，在轉(zhuǎn)變過程中，會出現(xiàn)諧波的干擾，導致直流轉(zhuǎn)交流時并非為正弦電壓波形，而是含有頻率寬帶不一致的含有諧波的交流電流。從硬件設計上可選擇提高逆變器切換速度來減少諧波的含量；從計量手段上來分析，可采用頻段較寬的電流互感器作為計量設備，或者通過功率預測，測量出基波和諧波所占比例，當諧波值超出一定閾值時則對電能進行抑制，不影響整體電能質(zhì)量。

    （2）應對頻偏：一般當新能源并網(wǎng)時，系統(tǒng)頻率會突然增加，在接入電網(wǎng)或離網(wǎng)的拉/合閘過程中會產(chǎn)生較大的沖擊電壓，會對電能計量設備造成不良影響?？赏ㄟ^截頻濾波方式或頻率檢測方式，在不滿足電能質(zhì)量標準時禁止并網(wǎng)。

    （3）應對無功電壓控制安全問題：針對大規(guī)模新能源基地無功電壓控制問題，已研究出了各種控制手段，如通過設計類似AVC的控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)控制場內(nèi)無功設備，保障電廠出口電壓安全；結(jié)合功率預測的無功電壓控制技術(shù)，將預測結(jié)果引入控制策略，利用動靜態(tài)調(diào)節(jié)手段對電壓進行大小幅度補償?shù)?。以上采用的技術(shù)都要基于電網(wǎng)計量設備的測試值，因此計量的準確性是要解決的關(guān)鍵問題，在計量側(cè)增加各類測試參數(shù)，為電網(wǎng)控制提供更多參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3  新能源并網(wǎng)要求及計量方式

3.1  并網(wǎng)技術(shù)要求

    大規(guī)模能源并網(wǎng)時，由于轉(zhuǎn)化電能量級較大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊和潮流方向架構(gòu)的變化。電網(wǎng)為保障自身運行的可靠性和經(jīng)濟性，會對地方性大型能源并網(wǎng)提出補充要求，如針對容量、電能電壓質(zhì)量、諧波含量等都有相應標準規(guī)范。具體要求說明如下。

    （1）并網(wǎng)電壓要求：大規(guī)模能源并網(wǎng)時，應充分選擇合適的配變電系統(tǒng)對接，電壓等級應保持一致，不需進行降壓處理，在進入輸電線路時應考慮架構(gòu)落后等原因選擇輸送容量的大小，會有限流的可能，一定不能超過輸送容量限制量。

    （2）接入比例：新能源開發(fā)技術(shù)還不夠成熟，就目前情況依然以常規(guī)發(fā)電為主。電網(wǎng)規(guī)劃會在前期做好潮流計算，每個城市有各自用能飽和度，新能源接入容量會有一定比例要求，開發(fā)過多會導致能源無法消納而造成浪費。參考國外常規(guī)能源和新能源應用比例來看，容量應不大于30%。

    （3）電能質(zhì)量：電能質(zhì)量是電能入網(wǎng)的最基本要求，電網(wǎng)也根據(jù)輸電設備及電纜特性研究制定了多項相關(guān)規(guī)范和標準，衡量電能質(zhì)量是否達標可以將電能的電壓、電流、功率是否在標準范圍內(nèi)，諧波產(chǎn)生方式及量級大小是否在可控范圍內(nèi)等作為依據(jù)。相應的標準主要包括：GB12325-90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》，GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》，GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》，GB/T15945-1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)允許頻率偏差》，GB/T18481-2001《電能質(zhì)量電能暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》等。

    （4）繼電保護配置：大規(guī)模新能源其實等同于一個小型變電站，電網(wǎng)對安全保障要求很高，站內(nèi)都配置了繼電保護設備，主要是對線路、母線等一次設備進行跳閘保護，在并網(wǎng)線路上需裝設同方向過流過壓保護裝置，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機容量、電壓等級、接口類型等不符合初始配置要求，則立即發(fā)生保護動作，以此提高供電的可靠性。

3.2  并網(wǎng)計量新模式

    大規(guī)模并網(wǎng)相對分布式能源并網(wǎng)更加復雜，大部分開發(fā)的電能需外送到其他地區(qū)，因此在進入高壓電網(wǎng)時需設置計量點，核算遠送電量的大小。正如前面所描述新能源并網(wǎng)具備雙向性，在發(fā)電高峰期以向電網(wǎng)送電為主，需設置一個計量裝置；在發(fā)電淡期，以電網(wǎng)向站點送電為主，也需要設置一個計量裝置，因此并網(wǎng)采用雙向計量方式，需部署兩個計量裝置。根據(jù)部署關(guān)口位置的不同，有3種較典型的設置方式，如圖1所示。

    方式一僅在進入高壓電端線路兩側(cè)設置正反向計量點，正向計量新能源電站向電網(wǎng)輸送的電能量，反向計量電網(wǎng)向電站輸送的電能量。采用的計量裝置為電流互感器，電流互感器應設置兩組抽頭，并分別進行調(diào)校；光伏陣列發(fā)電產(chǎn)生的電能通過母線傳輸?shù)礁邏弘娋W(wǎng)，一般對上下行能源潮流比例會有一定控制，計量裝置則控制關(guān)口能源量數(shù)值，一般上行進電量在30%~50%之間，下行控制在小于10%。

    方式二為對稱式雙點設置，分別在鄰近接入變電站和光伏發(fā)電站部署計量點，在發(fā)電站側(cè)部署的是計量并網(wǎng)電量，在變電站側(cè)計量的是向發(fā)電站補充的電量。這樣計量，可以考慮新能源發(fā)電優(yōu)惠政策，兩個計量點電能售價不一樣，新能源電價低一些，這樣通過差級比較，能計算節(jié)省電量的比例。

    方式三可稱之為三點設置方式，綜合了方式一和方式二的優(yōu)勢，同時考慮了站內(nèi)用電的損耗及電價優(yōu)惠政策。在3點都設置了計量設備，M3可以控制總線路上的潮流方向，能及時通知M1和M2開啟計量工作。電站發(fā)電所得電費為：

式中，k₂為電網(wǎng)銷售電價，k₁為新能源發(fā)電上網(wǎng)電價，W₃為M3表計量的電能量，W₂為M2表計量的電能量，W₁為 M1表計量的電能量。

    新能源發(fā)電高壓并網(wǎng)電能計量點的3種設置方式各有特點：單點設置方式所需的計量設備數(shù)量最少，但對設備的調(diào)校要求較高；雙點設置方式所需的設備數(shù)量多于單點方式，但對設備的調(diào)校要求低于單點方式；三點設置方式所需的設備數(shù)量最多，對設備的調(diào)校要求與雙點方式相同，但該方式能區(qū)分站用電消耗的來源，可以配合國家對新能源發(fā)電的鼓勵政策。因此應平衡建設資金及應用需求，在投資充足的情況下，盡量選擇方式三，激勵用戶采用清潔能源，提升國家環(huán)保系數(shù)。

4  結(jié)論

    新能源并網(wǎng)是未來的能源提供的主流方式，將逐步替代常規(guī)能源，保障我國的能源可持續(xù)發(fā)展。新能源并網(wǎng)核心工作是確保計量方式的可靠性及安全性，計量數(shù)據(jù)的準確性是判斷新能源電能是否能進入電網(wǎng)的唯一標準。新能源的多樣性及開發(fā)設備的差異性，容易導致開發(fā)的電能中產(chǎn)生不確定因素，通過在重要的電能出口或入口關(guān)口處部署合理的計量裝置，當發(fā)現(xiàn)電能存在異常時，立即關(guān)閘切斷并網(wǎng)入口，直到測試達標后才能進入電網(wǎng)。本文提出了3種計量配置模式，可根據(jù)現(xiàn)場建設需求選擇恰當?shù)姆绞浇鉀Q大規(guī)模能源安全并網(wǎng)問題。

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作者信息:

李  翀1，李  蕊2，劉林青1，李  兵1，韓桂楠1，王錦騰1

（1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊050011；

2. 國網(wǎng)北京電力科學研究院，北京 100075）