【正文】 隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量的增加，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)的影響就會(huì)越來(lái)越顯著，不僅影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。 風(fēng) 力發(fā)電和光伏發(fā)電機(jī)組位置變化試驗(yàn) 通過(guò)算例可知風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入的位置對(duì)于配電網(wǎng)的電壓分布有很大的影響。這意味著一個(gè)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(píng)估方法。在實(shí)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(yùn)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(shí)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(wú)污染、安全、可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雙饋電機(jī)的控制方式有兩種：（ 1）速度控制方式：在電機(jī)輸出有功功率和無(wú)功功率可變的情況下，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的幅值和相位使電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速可變的情況下，以電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率為控制對(duì)象，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的幅值和相位使得電機(jī)的輸出有功和無(wú)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(gè)包含多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)：槳葉的制造基于 空氣動(dòng)力學(xué)；傳動(dòng)系統(tǒng)和塔架的建設(shè)涉及到機(jī)械理論和結(jié)構(gòu)學(xué)；發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換；控制和保護(hù)系統(tǒng)則廣泛涉及控制原理與電氣相關(guān)方面知識(shí)。尤其在線路的某些位置，速斷保護(hù)根本無(wú)法啟動(dòng)，形成速斷保護(hù)死區(qū)，使線路故障不 能及時(shí)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(chǎng)裝機(jī)容量與系統(tǒng)最大負(fù)荷的百分比。（ 3）特殊設(shè)計(jì)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(shí)仍能保持運(yùn)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(guó)正在繼續(xù)培育國(guó)內(nèi)的光伏市場(chǎng)，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(shí)注意人才培養(yǎng)，抓緊技術(shù)平臺(tái)和隊(duì)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(dú)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(diǎn) 光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲(chǔ)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(jī)總?cè)萘康陌l(fā)展趨勢(shì)圖，可以看出，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘吭?1999 年后上升很快，總裝機(jī)容量每年都在 20%以上的速度增長(zhǎng)， 2021 年年底 達(dá)到 。（ 4）占地面積小，對(duì)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(huì)國(guó)網(wǎng)公司建設(shè)中國(guó)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(shí)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(wàn)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(yùn)而生。電力公司也可以通過(guò)智能電表控制空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)等實(shí)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(cè)到潛在問(wèn)題。這個(gè)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(gè)基礎(chǔ)設(shè)施。 本文設(shè)計(jì)了計(jì)算準(zhǔn)入功率的優(yōu)化算法，并運(yùn)用試探法計(jì)算了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大準(zhǔn)入功率。該項(xiàng)目的啟動(dòng)標(biāo)志著 中國(guó) 開(kāi)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(wú)需在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間頻繁切換，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)綜合運(yùn)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(hù)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(guò)傳感器可以對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量并傳輸數(shù)據(jù)，獲取實(shí)時(shí)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(dòng)力，通過(guò)信息技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)應(yīng)用，并在合適的時(shí)機(jī)催生出新的應(yīng)用模式。分布式發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)和電動(dòng)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(jì) 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(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電有兩種不同的類型：獨(dú)立運(yùn)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(shí)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(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到 31127MW，其中歐洲裝機(jī) 23291MW，美國(guó) 4685MW，其它地區(qū) 3151MW。由于光伏發(fā)電的特點(diǎn)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件必不可少。 (2)安全、無(wú)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(jì)安裝太陽(yáng)電池組件容量要達(dá)到 1000GW，屆時(shí)日本所有住宅所消費(fèi)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(wèn)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(dòng)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(jī)組雖然可采用電力電子技術(shù)來(lái)控制無(wú)功功率，但其定子側(cè)無(wú)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(jī)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(cè)更加困難。 圖 24 相鄰線路故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)保護(hù)的影響 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)重合閘的影響自動(dòng)重合閘是將因故障跳開(kāi)后的斷路器按需要自動(dòng)投入的一種自動(dòng)裝置。其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是：風(fēng)能 — 機(jī)械能 — 電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)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(jī)轉(zhuǎn)子電流的大 小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制過(guò)程與頻率控制相似。這些公式是基于固定的傾斜平面。此時(shí)，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(diǎn)，而不致出現(xiàn)輸電瓶頸、過(guò)負(fù)荷和電壓偏移問(wèn)題。模擬模型假設(shè)負(fù)荷每小時(shí)的變化是離散的，而且這個(gè)離散的值持續(xù)一個(gè)小時(shí)。發(fā)電機(jī)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(bǔ)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(cè)到的電流、電壓相應(yīng)地調(diào)整分接頭。 基 本試驗(yàn) 本文共進(jìn)行 3 次試驗(yàn)：（ 1）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 10MW 到節(jié)點(diǎn) 50 中 Tap=，用潮流程序計(jì)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(diǎn) 50 中， Tap=，用潮流程序計(jì)算電壓分布；（ 3）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電無(wú)功 注 入 10MVar 到節(jié)點(diǎn) 50 中， Tap=，用潮流程序計(jì)算電壓分布。從而驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電放置的位置，對(duì)于配電網(wǎng)的電壓分布產(chǎn)生的影響 。在計(jì)算準(zhǔn)入功率容量時(shí)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(jì)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(yùn)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(jì)算奠定了基礎(chǔ) 。從圖 看出，無(wú)功注入功率對(duì)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(jī)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(shí)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(cè)到實(shí)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(shí)數(shù)， X pv 為由光伏發(fā)電機(jī)組替代的容量， Yi , pv 為第 i 個(gè)小時(shí)光伏發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電容量的百分比， X wind 為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組替代的容量， Yi , wind 為第 i 個(gè)小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電容量的百分比， η 為常規(guī)能源機(jī)組的效率。（ 2）停機(jī)檢修。 圖 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型 負(fù) 荷建模 目前應(yīng)用的用以計(jì)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(jī) 統(tǒng) 圖 為風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。例如，中國(guó)西部地區(qū)氣候特點(diǎn)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(yùn)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(bǔ)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(cè)。 可靠性問(wèn)題 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)可靠性產(chǎn)生不利的影響為：（ 1）大系統(tǒng)停電時(shí)有些風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電也會(huì)同時(shí)停運(yùn)，仍無(wú)法提高供電的可靠性。其 中 ， IEC100037 評(píng) 估 了 風(fēng) 力 發(fā) 電 對(duì) 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(guò)渡，由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，由大型集中電站向分布式供電模式過(guò)渡。 (6)太陽(yáng)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(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)（ MW） 我國(guó)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(wú)污染。特高壓電網(wǎng)解決了遠(yuǎn)距離、大容量輸電問(wèn)題，在一定程度上解決了能源輸送問(wèn)題，但 “ 重電源輕電網(wǎng) ” 導(dǎo)致供電可靠性較低，同時(shí)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(qiáng)調(diào)說(shuō)， “ 現(xiàn)在是建設(shè)綠色能源高速公路的時(shí)代 ” 。 （ 1）智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 2021 年 8月，國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了智能化規(guī)劃編制、標(biāo)準(zhǔn)體系研究與制定、研究檢測(cè)中心建設(shè)、重大專項(xiàng)研究和試點(diǎn)工程等一系列工作。 2021 年 1 月 25 日 美國(guó) 白宮 最新發(fā)布的《復(fù)蘇計(jì)劃尺度報(bào)告》宣布：將鋪設(shè)或更新 3000 英里 輸電線路 ，并為 4000 萬(wàn)美國(guó)家庭安裝智能電表 —— 美國(guó)行將推動(dòng)互動(dòng)電網(wǎng)的整體革命。這樣，在不犧牲每個(gè)個(gè)體的前提下，整個(gè)大樓的節(jié)能目標(biāo)便可以實(shí)現(xiàn)。比如，一臺(tái)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn) 15 分鐘，以把室內(nèi)溫度維持在 24℃ ；而另外兩臺(tái)空調(diào)可能會(huì)在保證室內(nèi)溫度的前提下，停運(yùn) 15 分鐘。 2021 年 9 月 Google 與通用電氣聯(lián)合發(fā)表聲明對(duì)外宣布，他們正在共同開(kāi)發(fā)清潔能源業(yè)務(wù)，核心是為美國(guó)打造國(guó)家智能電網(wǎng)。 2021 年 5 月，在北京召開(kāi)的 “2021 特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議 ”上，國(guó)家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了 “ 堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng) ” 發(fā)展戰(zhàn)略。同時(shí)，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(duì)企業(yè)及地方團(tuán)體實(shí)施的 100 個(gè)項(xiàng)目給予財(cái)政援助，計(jì)劃 2021 年前在 2600 萬(wàn)個(gè)家庭安裝智能電表，相當(dāng)于 09 年 3 倍。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增強(qiáng)，而國(guó)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(jì)，全球可開(kāi)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(jī)組的輸出功率也具有隨機(jī)性的特點(diǎn)?！吨腥A人民共和國(guó)可再生能源法》 [規(guī) 定了風(fēng)力發(fā)電的三項(xiàng)原則：（ 1）對(duì)風(fēng)力發(fā)電要實(shí)行保護(hù)性固定電價(jià)，在成本上，保證有合理的利潤(rùn)；（ 2）電網(wǎng)無(wú)條件收購(gòu)風(fēng)力發(fā)電，價(jià)差由所 在電網(wǎng)分?jǐn)?；?3）國(guó)家財(cái)政設(shè)立專項(xiàng)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(wú)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(qiáng)。 表 歐洲、日本和美國(guó)制定的光伏發(fā)電發(fā)展計(jì)劃 （ GW） 國(guó)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(chǎng)的最大份額。國(guó)際電工委員會(huì)為研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)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(bào)告和標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的有源檢測(cè)方法包括有源頻率偏移、滑模頻率偏移和