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新能源并网到底有何难?—廖宇 范征

 
作者:德国华人新能源协会 廖宇 范征
可再生能源的发展,离不开“并网”的支持。提到并网,社会及很多媒体上出现的几乎是一边倒的评论:要么是一味批评电网企业的不作为,要么就是埋怨电网调度管理部门以专业壁垒刻意刁难。
但是经过很多社会化的跨行业合作我们就会发现,与其直接地埋怨指责他人,不如理性地讨论新能源并网中的技术与管理难题,风电、太阳能等可再生能源发电并网给电网带来的影响或隐患,如何去实现新能源与电网的共同长远发展。
很多从事新能源行业投资和运维的人士有个最基本的错误认识就是:认为电网就像水池一样,接个水龙头就可任意出水或者进水。但事实上并非如此,电网里面有个最基本的高中物理概念就是无功功率,新能源并网最大的问题也正在于此,普通民众因为不了解这个实际上中学已经学过的概念而产生的对电网公司的误解也是情理之中的了。 

事实上,各国的分布式电源,尤其是德国70%以上的风电和光伏都是通过35kV以下配电网并网,例如屋顶光伏已经增长到10GW以上的安装量。在相对薄弱的配电网层面,即使是在新能源法EEG已经出台近14年的德国,分布式光伏并网还是在给电网公司们带来不小的困难和“额外工作”,900家配电网运营商中只有10%号称可以让光伏大规模的分布式接入,并稳定运行其网络。在这一过程中开发商、设备商和电网运营商之间的并网技术博弈可见一斑。结合中德两国电网经验,新能源并网有四大难点需要特别做出要求:
1. 对功率因数和无功配置的要求。
配电网接入的光伏发电单元的功率因数应具备符合电网要求范围内可调的能力,并且按照标准要求配置一定的无功功率。否则将给电网的建设带来巨大的投资和电网损耗,比如配置短期使用但是数量级巨大的电网无功将是一项投资巨大的工程。由于逆变器的静态无功能力是与控制策略,如是否无功优先控制和过载能力的设计相关,光伏逆变器静态无功能力的充分应用,对于设备投资和电网安全起着重要作用。我国许多大型光伏和风电场都基本都要求功率因数要求在0.95(超前-滞后),不过对于逆变器本身的无功调节能力和过载能力未充分利用,从而造成加装静态无功补偿装置,增加不必要的动态响应故障和重复投资的问题。这里不排除有些电站加装无功补偿装置是为了优化电压指标,谐波和减小损耗方面的考虑。然而,由于光伏发电系统多数采用无功电压控制,并使无功与有功控制解耦,配电网可等效为加入电容进行无功电压补偿。但随着电容的加装,可能会同配电网的电感系统形成自然谐振。
根据中国配电网的运行经验,大型购物中心和写字楼小区的功率因素亟需优化调节,而如果在接下来几年大批量的按照屋顶光伏,或者引入电动汽车充电设施以后,对整个局部区域的电能特性会有许多新的要求。在这个层面上来讲,屋顶分布式光伏的逆变设备对电能特性的调节作用是至关重要的,否则将必须有大量的SVC和STATCOM等无功补偿装置来完成。
2. 对配网局部电压稳定的影响
中国早期建设的10kV配电线路多数是单辐射状分布供电,系统安全性较低。在城区配电网络建设与改造中逐渐考虑建立环网供电、开环运行的模式。在各种配网结构中,静态和动态电压的变化都会对线路保护、系统运行安全造成影响。稳态运行状态下,电压理论上沿传输线潮流方向逐渐降低。分布式光伏接入后,由于传输功率的波动和分布式负荷的特性,使传输线各负荷节点处的电压偏高或偏低,导致电压偏差超过安全运行的技术指标。在大规模分布式光伏接入后,配电网局部节点存在静态电压偏移的问题。配网中尤其是低压网络对电压变化比较敏感,若想抑制这种影响,需要在中低压变化器选型中使用可控型变压器或者添加柔性无功调节设备。
在中国电网研究学界有一种普遍的观点,认为分布式电源的大规模一般会导致电网电压上升。这一观点在分布式比例上升但没有很高的时候是正确的,但是随着比例进一步上升,电压究竟是上升还是下降就要依靠配电网整体负载水平和设备调节能力来整体判断,不能一概而论电压一定是升高的。

3. 对电网频率稳定性的影响。
德国大规模发展分布式光伏的经验教训告诉我们,小出力照样会引起电力系统频率稳定性问题。当德国分布式,尤其是屋顶光伏安装容量达到3GW的水平后,德国具备的备用电源即所谓的一次调频将不能满足分布式光伏电源同时切出的出力损失。原因在于,德国中压并网导则生效之前,旧的小型光伏逆变器设计参数中,当电网频率超过50.2Hz即会直接脱网而不参与电网系统服务,即不对电力系统故障情况下做出贡献。在其他光伏安装量较多的国家,强调并网电源的频率安全运行范围和发生频率过限后的脱网时间也逐渐在并网导则中体现。
50.2赫兹问题在德国电力工业界影响深远,因为这是一次典型的新能源安装商们因为缺乏对电网运行特性的了解,同时又与电网公司专业部门沟通不够所产生的典型问题。这也侧面说明电力生产作为一个专业性要求非常高的行业,需要个相关从业者高度的专业理解。
4. 对故障中短路电流的要求。
这一难点几乎是所有主要难点中最难理解也是最难解决的。传统的同步机具有提供短路电流的能力,在与电网提供的短路电流叠加后可以确保线路保护在1~2个周波时间断开。然而,光伏逆变器由于能量密度有限,其中电力电子元件过流能力限制,并不能提供较高的短路电流。通过实验和动态仿真,一般认为光伏逆变器的短路电流只比额定电流大25%以内。即使在国际相关标准中,也只要求逆变器提供1倍额定的短路电流。这导致在大规模接入分布式光伏的情况下,传输线发生短路故障时,由于光伏逆变器短路电流能力不足,线路上的故障无法被检测并且使保护响应。尤其是在传统的三段式保护中,瞬时电流速断保护可能会不能被识别。根据光伏电站并网分析经验,并网点的短路电流主要由接入的主网提供,并网点连接的网络是否“坚强”整体决定了分布式的短路能力。光伏发电站贡献短路电流造成中低压设备的改造问题,如对电流保护、中压开关和电流互感器等元器件的重新选型。因此,光伏发电系统的短路电流贡献应当在配电系统规划、分布式系统设计中被充分考虑。而这一点必须在城市电网设计和规划阶段就引起重视,而继电保护层面的分布式光伏对电网的影响还远未获得技术部门和重视,这在比例尚不大的时候是可以容忍的,但在比例到达一定阶段会有爆发式的体现。

上面四个方面的难点只是典型的介绍,实际上随着分布式新能源的不断接入,电网承受的压力和需要解决的问题会越来越多。很多课题即使是现在的专业人员也无法解答,比如随着分布式电源的比例大幅上升,自发电超过负荷本身的系统节点越来越多,因此电网由下而上出现倒灌将成为常态。这种逆潮流的出现对电气设备的影响还需要进一步研究和观察,尤其是在此情况下需要对传统火力发电机进行特殊的调节,这对电气设备本身的特性和寿命也会有不可知的影响。
所以综上所述,能源转型也好,新能源发展也罢,这些都是需要全社会共同参与共同完成的超大型社会进步项目。因为就需要更多的人愿意付出更多的诚意去努力学习专业知识,解决更多的实际问题。在缺乏对等背景知识下单纯地对电网管理部门进行指责和批评,实际上也是对自身责任和义务的一种逃避。
因为懂得,所以喜欢,新能源需要更多的人来全方位的关注。
能源转型,你我同行,我们需要更多的理解来完成观念转变!



廖宇,德国华人新能源协会主席,德国柏林电网公司新能源项目主管,曾工作于苏州供电局、西门子智能电网部项目管理中心,2005年毕业于德国卡尔斯鲁厄大学能源工程硕士。主要工作领域为新能源数据分析与可视化及电力交易监管、智能电网及自动化控制系统。“南方能源观察”“南度度”能源专栏作者。
范征,男,1984年出生,现居住于德国汉堡。本科毕业于上海同济大学电气工程专业,硕士就读于德国亚琛工业大学,学习方向为电力工程。期间分别在德国经济与能源研究所、国家电网中国电力科学研究院进行世界第一台风电机组低压穿越仿真设备开发和新能源并网分析工作。2011年以来,工作于世界最知名的的新能源第三方认证咨询服务公司挪威德国船级社(DNV GL),从事新能源并网分析、各国电网发展情况调研、项目管理和中国、韩国市场开发等工作。
 
 
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