【正文】 隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機容量的增加，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對系統(tǒng)的影響就會越來越顯著，不僅影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，還會帶來一定的經(jīng)濟損失。 風(fēng) 力發(fā)電和光伏發(fā)電機組位置變化試驗 通過算例可知風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入的位置對于配電網(wǎng)的電壓分布有很大的影響。這意味著一個用戶的光伏發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電將影響其他的用戶的電壓水平。提出了基于蒙特卡羅仿真的風(fēng)力發(fā)電發(fā)電容量可信度的評估方法。在實際應(yīng)用中，容量概率模型有兩種表達(dá)形式：一種是可用或有效容量概率模型；另一種是停運容量概率模型。 （ 3）確切負(fù)荷模型。 EENS = ∑ Ci Pii ∈ S 式中， Pi 為系統(tǒng)處于 狀態(tài) i 的概率， Ci 為狀態(tài) i 下的負(fù)荷損失， S 為給定時間段內(nèi)造成系統(tǒng)負(fù)荷損失的狀態(tài)全集。采用光伏電池發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全、可靠、維護簡單等優(yōu)點。雙饋電機的控制方式有兩種：（ 1）速度控制方式：在電機輸出有功功率和無功功率可變的情況下，以電機轉(zhuǎn)速為控制對象調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓的幅值和相位使電機轉(zhuǎn)速 等于給定值，該方式可以最大限度的利用風(fēng)能；（ 2）功率控制方式：在電機轉(zhuǎn)速可變的情況下，以電機輸出的有功功率和無功功率為控制對象，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓的幅值和相位使得電機的輸出有功和無功功率符合一定要求，該方式以改善電網(wǎng)功率因數(shù)和穩(wěn)定電網(wǎng)電壓為目的。風(fēng)力發(fā)電是一個包含多個學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)：槳葉的制造基于 空氣動力學(xué)；傳動系統(tǒng)和塔架的建設(shè)涉及到機械理論和結(jié)構(gòu)學(xué)；發(fā)電機實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換；控制和保護系統(tǒng)則廣泛涉及控制原理與電氣相關(guān)方面知識。尤其在線路的某些位置，速斷保護根本無法啟動，形成速斷保護死區(qū)，使線路故障不 能及時切除。風(fēng)力發(fā)電穿透功率極限是指在滿足一定技術(shù)指標(biāo)的前提下接入系統(tǒng)的最大風(fēng)力發(fā)電場裝機容量與系統(tǒng)最大負(fù)荷的百分比。（ 3）特殊設(shè)計的 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可使它在大電力輸配電系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能保持運行。一般認(rèn)為，只要孤島電網(wǎng)不是為了提高供電可靠性故意配置的，都應(yīng)當(dāng)避免。目前，我國正在繼續(xù)培育國內(nèi)的光伏市場，加大城市屋頂和沙漠并網(wǎng)電站的研發(fā)和示范投入等；同時注意人才培養(yǎng)，抓緊技術(shù)平臺和隊伍的建設(shè)，積極研發(fā)新型電池生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，努力降低成本，并從稅收、信貸等方面扶植光伏產(chǎn)業(yè)。 歐洲占世界總產(chǎn)量 28%。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率要大大高于獨立系統(tǒng)，成為光伏發(fā)電的 最合理發(fā)展方向。 . 并網(wǎng)型光伏發(fā)電 并 網(wǎng)型光伏發(fā)電特點 光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與 電能變換系統(tǒng)。圖 是世界風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘康陌l(fā)展趨勢圖，可以看出，風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘吭?1999 年后上升很快，總裝機容量每年都在 20%以上的速度增長， 2021 年年底 達(dá)到 。（ 4）占地面積小，對土地質(zhì)量要求低。2021 年華北電網(wǎng)將在前期工作的基礎(chǔ)上，深度體會國網(wǎng)公司建設(shè)中國特色智能電網(wǎng)的概念、理論，結(jié)合華北特 色大力建設(shè)智能電網(wǎng)，制定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和實施方案，繼續(xù)推進(jìn)智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)。東京電力 2021 年起主要面向家庭安裝 2 千萬部。隨著各種新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用并與物理電網(wǎng)高度集成，智能電網(wǎng)應(yīng)運而生。電力公司也可以通過智能電表控制空調(diào)運轉(zhuǎn)等實現(xiàn)節(jié)能。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)和輸電線、各發(fā)電站以及其他的基礎(chǔ)設(shè)施一起提供相關(guān)數(shù)據(jù)，讓電廠能更有效地進(jìn)行電力分配并檢測到潛在問題。這個電子產(chǎn)品具有了一部分交互能夠，可以看作智能電網(wǎng)中的一個基礎(chǔ)設(shè)施。 本文設(shè)計了計算準(zhǔn)入功率的優(yōu)化算法，并運用試探法計算了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大準(zhǔn)入功率。該項目的啟動標(biāo)志著 中國 開始進(jìn)入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。這套系統(tǒng)首次將以往分散的 能量管理系統(tǒng) 、電網(wǎng)廣域動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預(yù)警系統(tǒng)高度集成，調(diào)度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺間頻繁切換，便可實現(xiàn)對電網(wǎng)綜合運行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。 智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要通信系統(tǒng)的支持，因此建立通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步；通過傳感器可以對整個電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測量并傳輸數(shù)據(jù)，獲取實時數(shù)據(jù)，并提供各種信息交互；信息技術(shù)的發(fā) 展是智能電網(wǎng)的直接推動力，通過信息技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高級應(yīng)用，并在合適的時機催生出新的應(yīng)用模式。分布式發(fā)電、儲能技術(shù)和電動汽車的快速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的供用電模式，促使電力流、信息流、業(yè)務(wù)流不斷融合，以滿足日益多樣化的用戶需求。為此，需要增設(shè)電壓調(diào)整裝置和變壓器，預(yù)計 2030 年前追加投資 6 千億日元。 2．并網(wǎng)型 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電發(fā)展?fàn)?況 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電 并 網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的特點 風(fēng)力發(fā)電有兩種不同的類型：獨立運行的離網(wǎng)型和接入電力系統(tǒng)的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電。 但風(fēng)力發(fā)電同時也存在一定的局限性：（ 1）不可控性。到 2021 年底，全世界并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電裝機容量達(dá)到 31127MW，其中歐洲裝機 23291MW，美國 4685MW，其它地區(qū) 3151MW。由于光伏發(fā)電的特點是白天發(fā)電，而負(fù)荷用電特性往往是全天候的，因此在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能元件必不可少。 (2)安全、無噪聲及其它公害。日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織在 2021 年 6 月發(fā)表的 “ 面向 2030 年光伏路線圖的概述 ” 中提出：到 2030 年累計安裝太陽電池組件容量要達(dá)到 1000GW，屆時日本所有住宅所消費的電力中將有 50%由光伏發(fā)電提供，大約占全部電力供應(yīng)的 10%。 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)主要問題和研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電功率輸出波動很大，不確定性程度高，難以調(diào)節(jié)。 (3)電力孤島區(qū)域發(fā)生的供電電壓和頻率的不穩(wěn)定將危害系統(tǒng)設(shè)備。（ 2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組雖然可采用電力電子技術(shù)來控制無功功率，但其定子側(cè)無功功率只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，受風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率變化情況的影響。另外還可能使配電系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測更加困難。 圖 24 相鄰線路故障時，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對保護的影響 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對重合閘的影響自動重合閘是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能 — 機械能 — 電能。風(fēng)力發(fā)電機的無功功率通常設(shè)定為端電壓恒定的控制方式，是靠控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大 小來實現(xiàn)的，控制過程與頻率控制相似。這些公式是基于固定的傾斜平面。此時，系統(tǒng)其他部分（輸電、配電網(wǎng)絡(luò)）在分析中均假定可完全滿足將全部發(fā)電出力傳輸和分配到預(yù)定的地點，而不致出現(xiàn)輸電瓶頸、過負(fù)荷和電壓偏移問題。模擬模型假設(shè)負(fù)荷每小時的變化是離散的，而且這個離散的值持續(xù)一個小時。發(fā)電機組的概率模型由以下矢量表示： CC， PC， CPV，PPV 和 CWIND， PWIND，其中 CC 為常規(guī)發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PC 是常規(guī)發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量， CWIND 是風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PWIND 是風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量， CPV 是光伏發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PPV 是光伏發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量。 風(fēng) 力發(fā)電和光伏發(fā)電放置在配電所 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電所有載調(diào)壓變壓器和母線之間，根據(jù)線路壓降補償器 LDC 的調(diào)壓原理，有載調(diào)壓變壓器 LTC 根據(jù)從變壓器副邊檢測到的電流、電壓相應(yīng)地調(diào)整分接頭。 基 本試驗 本文共進(jìn)行 3 次試驗：（ 1）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 10MW 到節(jié)點 50 中 Tap=，用潮流程序計算電壓分布；（ 2）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 43MW 到節(jié)點 50 中， Tap=，用潮流程序計算電壓分布；（ 3）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電無功 注 入 10MVar 到節(jié)點 50 中， Tap=，用潮流程序計算電壓分布。從而驗證了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電放置的位置，對于配電網(wǎng)的電壓分布產(chǎn)生的影響 。在計算準(zhǔn)入功率容量時考慮的因素比較多，有電壓分布，線路容量和短路電流等，采用的計算方法有試探法等。該研究結(jié)果可以為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電 并網(wǎng)后的運行規(guī)劃提供一定的指導(dǎo)，并為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電準(zhǔn)入功率的計算奠定了基礎(chǔ) 。從圖 看出，無功注入功率對電壓分布的影響比相近的有功注入的影響要大得多。 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機組接入線路 調(diào) 壓器的 副端 圖 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入線路調(diào)壓器 VR 的負(fù)荷端時電壓的變化 由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電注入功率的影響，線路調(diào)壓器 VR（ Voltage Regulator）不能檢測到實際負(fù)荷的大小，所以 VR 的調(diào)壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。節(jié)約的燃煤為： 其中， Cs 為節(jié)約的燃煤， nhs 為總的小時數(shù)， X pv 為由光伏發(fā)電機組替代的容量， Yi , pv 為第 i 個小時光伏發(fā)電機組額定發(fā)電容量的百分比， X wind 為由風(fēng)力發(fā)電機組替代的容量， Yi , wind 為第 i 個小時風(fēng)力發(fā)電機組額定發(fā)電容量的百分比， η 為常規(guī)能源機組的效率。（ 2）停機檢修。 圖 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估模型 負(fù) 荷建模 目前應(yīng)用的用以計算可靠性指標(biāo)的三種負(fù)荷模型都是以日最大負(fù)荷持續(xù)一整天作為基礎(chǔ)的。本文也采用了這些指標(biāo)。不同地區(qū)有不同的平均值和形狀系 數(shù)。 圖 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電 機 統(tǒng) 圖 為風(fēng)輪機直接驅(qū)動同步發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組。例如，中國西部地區(qū)氣候特點經(jīng)常是白天風(fēng)力小、夜間風(fēng)力大，而白天只 要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運行，夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，因此發(fā)電正好構(gòu)成一定的互補關(guān)系。如圖 所示。進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入系統(tǒng)后電壓穩(wěn)定裕度多變且難以預(yù)測。 可靠性問題 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對可靠性產(chǎn)生不利的影響為：（ 1）大系統(tǒng)停電時有些風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電也會同時停運，仍無法提高供電的可靠性。其 中 ， IEC100037 評 估 了 風(fēng) 力 發(fā) 電 對 電 網(wǎng) 電 能 質(zhì) 量 的 影 響 。它標(biāo)志著光伏發(fā)電由邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用正在向城市過渡，由補充能源向替代能源過渡，由大型集中電站向分布式供電模式過渡。 (6)太陽能資源豐富，分布范圍廣。光伏發(fā)電所發(fā)的直流電能經(jīng)變換器變換成與電網(wǎng)相同頻率的交流電能 ，以電壓源或電流源的方式送入電力系統(tǒng)。 表 中國并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)（ MW） 我國的風(fēng)力發(fā)電興起于 20 世紀(jì) 80 年代，最初的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和技術(shù)都是依靠進(jìn)口。通 常認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電只能提供電力而不能提供有效的發(fā)電容量。（ 2）可再生，清潔無污染。特高壓電網(wǎng)解決了遠(yuǎn)距離、大容量輸電問題，在一定程度上解決了能源輸送問題，但 “ 重電源輕電網(wǎng) ” 導(dǎo)致供電可靠性較低，同時網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱則限制了新能源有效利用。 奧巴馬總統(tǒng)強調(diào)說， “ 現(xiàn)在是建設(shè)綠色能源高速公路的時代 ” 。 （ 1）智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 2021 年 8月，國家電網(wǎng)公司啟動了智能化規(guī)劃編制、標(biāo)準(zhǔn)體系研究與制定、研究檢測中心建設(shè)、重大專項研究和試點工程等一系列工作。 2021 年 1 月 25 日 美國 白宮 最新發(fā)布的《復(fù)蘇計劃尺度報告》宣布：將鋪設(shè)或更新 3000 英里 輸電線路 ，并為 4000 萬美國家庭安裝智能電表 —— 美國行將推動互動電網(wǎng)的整體革命。這樣，在不犧牲每個個體的前提下，整個大樓的節(jié)能目標(biāo)便可以實現(xiàn)。比如，一臺空調(diào)運轉(zhuǎn) 15 分鐘，以把室內(nèi)溫度維持在 24℃ ；而另外兩臺空調(diào)可能會在保證室內(nèi)溫度的前提下，停運 15 分鐘。 2021 年 9 月 Google 與通用電氣聯(lián)合發(fā)表聲明對外宣布，他們正在共同開發(fā)清潔能源業(yè)務(wù)，核心是為美國打造國家智能電網(wǎng)。 2021 年 5 月，在北京召開的 “2021 特高壓輸電技術(shù)國際會議 ”上，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了 “ 堅強智能電網(wǎng) ” 發(fā)展戰(zhàn)略。同時，電網(wǎng)也在不斷吸納工業(yè)化、信息化成果，使各種先進(jìn)技術(shù)在電網(wǎng)中得到集成應(yīng)用，極大提升了電網(wǎng)系統(tǒng)功能。為此，對企業(yè)及地方團體實施的 100 個項目給予財政援助，計劃 2021 年前在 2600 萬個家庭安裝智能電表，相當(dāng)于 09 年 3 倍。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電力的需求日益增強，而國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)不合理、能源分布不均衡嚴(yán)重制約電力行業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，全球可開發(fā)的風(fēng)能資源潛力約為目前全球用電量 5 倍。因此風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率也具有隨機性的特點?！吨腥A人民共和國可再生能源法》 [規(guī) 定了風(fēng)力發(fā)電的三項原則：（ 1）對風(fēng)力發(fā)電要實行保護性固定電價，在成本上，保證有合理的利潤；（ 2）電網(wǎng)無條件收購風(fēng)力發(fā)電，價差由所 在電網(wǎng)分?jǐn)偅唬?3）國家財政設(shè)立專項資金，支持可再生能源發(fā)展。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，像其他類型發(fā)電站一樣，可為電力系統(tǒng)提供有功和無功電能。 (5)標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，可由組件的串并聯(lián)滿足不同用電的需要，通用性強。 表 歐洲、日本和美國制定的光伏發(fā)電發(fā)展計劃 （ GW） 國際光伏應(yīng)用中并網(wǎng)發(fā)電和光伏建筑集成（ BIPV）發(fā)展迅速，已成為光 伏市場的最大份額。國際電工委員會為研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，成立了與之相關(guān)的工作組，并發(fā)表了一系列的報告和標(biāo)準(zhǔn)。常見的有源檢測方法包括有源頻率偏移、滑模頻率偏移和