风电与光伏发电并网系统的稳定性与优化研究

摘要：

随着我国碳中和碳达峰目标的提出，也意味着在能源供给侧国家将进一步加大风电、太阳能、水电等可再生能源的投资力度，使我国的供电体系呈现多元化的发展趋势。本文围绕风电与光伏发电并网系统的稳定性与优化进行研究，旨在通过系统分析和技术措施，提升并网系统的安全性与经济效益。通过综合考量风电和光伏发电的特性，文章不仅剖析了并网过程中的稳定性问题，还提出了相应的解决策略，以期为未来可再生能源并网提供理论与实践的参考。

关键词：风电并网；光伏发电；系统稳定性；优化措施

引言：

随着全球化石能源短缺，以风电、光伏为主的新能源发电愈发得到重视，我国风、光发电容量占比不断攀升。然而，大规模新能源发电装置并网使电力系统变得高度电力电子化，导致系统惯量不足，脆弱性大幅增加，再叠加风、光发电的间歇性和波动性因素，容易造成新能源并网节点电压波动频繁，甚至越限失稳。

一、风电与光伏发电并网的基础理论与特点

（一）风电与光伏发电的特性分析

风电发电特性展示了其显著的随机性、间歇性和不确定性。风能的可利用性受风速变化的显著影响，导致发电量波动大，这对电网的调度和稳定运行提出了较高要求。光伏发电则表现出明显的日周期性和气象依赖性，其发电效率受光照强度、温度等环境因素的直接影响。由于这些特性，风电和光伏发电的可预测性较低，给电网的能量管理和调配带来了不小的挑战。

（二）并网系统的基本组成与功能

并网系统主要由发电设备、传输设备和变换设备组成。关键设备包括逆变器和变压器，它们在调节和转换电能方面发挥着核心作用。逆变器主要用于将风电和光伏发电所产生的直流电转换为符合电网要求的交流电，而变压器则负责电压的升降转换，确保电能安全有效地传输。同时，与这些设备相关的并网标准和政策法规，如国家电网的《分布式光伏发电并网技术规范》和相关地方标准，为并网操作提供了严格的指导和标准。

（三）风电与光伏发电并网的耦合特性

风电和光伏发电的技术共性在于它们都采用逆变器进行电能的转换，并且都面临着由环境因素引起的发电波动问题。然而，它们的差异也非常显著。例如，风电的发电量受风速影响较大，而光伏发电则更多地受到日照条件的制约。这些差异导致它们在并网过程中对电网的影响也各不相同。并网过程中的功率波动可能引发电网频率和电压的不稳定，特别是在风力和日照突然变化的情况下，电网必须迅速调整来吸收或补偿这些波动，以维持电网的稳定性和可靠性。

二、风电与光伏发电并网系统的稳定性分析

（一）并网稳定性的定义与衡量标准

并网稳定性是指在风电和光伏发电系统并入主电网过程中，能够维持电网运行参数在安全范围内的能力。并网稳定性主要分为稳态稳定性和暂态稳定性两大类。稳态稳定性关注系统在小扰动后能否返回到稳定的运行状态；暂态稳定性则评估在大扰动（如短路、突然大量负荷增加）后系统恢复到稳定状态的能力。常用的衡量并网稳定性的指标包括功率因数、电压偏差、频率稳定性等，这些指标反映了电网在不同工况下的运行效率和安全性。

（二）影响并网系统稳定性的主要因素

并网稳定性受多种因素影响，可以大致分为外部因素和内部因素两大类。外部因素主要包括气候条件如风速和日照变化，这些直接影响风电和光伏发电的输出功率；负荷波动也是重要外部因素，尤其在高峰消费时段，电网需求的快速变化可能导致系统不稳定。内部因素则涉及到设备性能如逆变器的效率和可靠性，以及控制策略，如电网的自动调频和调压系统的响应速度和准确性。

（三）稳定性问题的典型表现

并网系统的稳定性问题通常表现为电压波动和频率偏差。电压波动可能由于风电或光伏发电的不稳定输出引起，特别是在气候条件变化大的日子里更为常见。频率偏差则多发生在供需失衡的情况下，如当电网突然失去大量风电或光伏输出时。电能质量问题也是并网运行中常见的稳定性挑战，包括谐波和电磁干扰等。这些问题不仅影响电网设备的寿命，还可能对终端用户的电气设备造成损害。

三、风电与光伏发电并网系统的优化研究

（一）优化目标

实现对风电与光伏发电并网系统的优化，需要围绕提高系统整体稳定性和削减并网功率波动对电网的冲击这两个核心方向展开。为使电网在突发状况下具备更高的适应度，需构建灵活的调度策略与完善的控制手段，以便在多变的风速和日照条件下能够及时对功率输出进行修正，进而保证运行安全。

（二）关键技术路径

风电和光伏发电并网可通过复合式控制实现多层次功率调控。例如，动态电压调节结合逆变器相位调节，可实现快速响应与电压限幅；无功补偿方面采用分层分区控制，在不同区域设置可调节点并通过中央模块调度，减少单点失效风险。此外，通过建立调度中心与发电端的双向数据通道，实时获取风力机组和光伏组件的运行参数，精准调整发电计划。

针对间歇性功率波动问题，可在关键并网节点部署储能单元，如电池或超级电容，并依据风光联合出力特性合理规划容量。通过动态分配机制，将气象预测和负荷监测结果纳入储能控制策略，使储能单元根据波动及时充放电，平稳输出功率。

电网扩容设计需结合风电与光伏特性，通过多回路、多路径拓扑分散波动风险。在输配网络中实行分级监测与控制：调压设计中保留适度冗余，在局部配电网试点微电网布局，实现多源互补与统一调度，为未来接入容量预留空间。

（三）数学模型与优化方法

在风电与光伏发电并网系统中，建立一个适应多能源耦合的功率流模型是至关重要的。这涉及将风力发电机组和光伏组件的输出特征整合到功率平衡方程中，并应用改进的牛顿-拉夫森迭代算法快速解算电压和电流等关键参数。模型需考虑随机波动或预测波动范围以执行动态仿真和暂态分析，并可使用单机等效模型简化对局部关键点的分析，以便在复杂系统中进行稳定性评估。

在优化并网系统运行的过程中，常用的智能优化算法如遗传算法（Genetic Algorithm， GA）和粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）扮演了重要角色。这些算法在满足多目标和多约束条件下，用于调整发电输出和储能配置。优化流程包括在给定约束下生成初始可行解，然后通过选择、交叉、变异和群体协作等策略迭代求解，寻找最优解。考虑到风电和光伏发电的波动性，算法中加入动态反馈机制，通过监控实时的功率和电压偏差数据，并将这些校正信息融入适应度函数，从而在迭代过程中实时更新解的质量和方向。

四、结论

通过引入先进控制技术、储能系统以及对电网进行适当的规划和扩容，可以显著提高风电与光伏发电并网系统的稳定性。此外，应用现代优化算法如遗传算法和粒子群算法进一步优化并网运行策略，有助于降低系统的功率波动，从而提升电网的整体运行效率和可靠性。本文对指导相关电网优化设计及运行管理具有重要的理论和实际意义。

参考文献：

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