新能源发电接入下的电气工程稳定性研究

引言：

随着世界范围内能源结构的改变以及人们环境保护意识的提高，新能源发电技术迅速发展起来。风能，太阳能和其他新能源的进入给电力系统带来重大改变。但是这些新能源具有间歇性、不稳定性等特点，同时对电力系统稳定性提出挑战。电力系统稳定是确保电网安全可靠运行的根本，所以对新能源发电并网条件下电气工程稳定性进行研究对促进新能源广泛应用以及电力系统可持续发展有着十分重要的意义。

1. 新能源发电接入对电力系统的重要性

随着世界风能，太阳能等可再生能源的快速发展，它们在电力系统中所占比重不断上升，这对电力系统运行方式及稳定性都有了全新要求。新能源发电以其清洁，可持续等特点有利于减少碳排放，减轻环境负荷，也可以延缓人们对于化石能源的依赖性。但是新能源发电间歇性与波动性特点使系统的频率，电压与功率质量都面临着巨大的波动风险。这种不稳定不仅会加大调度的难度，而且可能会引发装置超负荷运行或者保护动作误动作等问题，从而直接影响电力系统运行的安全性和经济性 。所以研究新能源发电并网条件下电气工程稳定性问题对保障电网的可靠运行，提高能源利用效率和促进能源结构优化有着十分重要的作用，并对今后高比例新能源电网的建设提供了理论依据与技术支撑。

2. 新能源发电接入下的电气工程稳定性提升策略

2.1 采用储能与功率调节技术，缓解输出功率波动与频率不稳定

新能源发电输出功率波动是电网频率平稳的关键因素之一。风力与光伏发电由于受到自然条件的限制，瞬时功率的变化会在数秒到数分钟之间出现显着的波动。锂离子电池，钠硫电池以及飞轮储能等储能系统能够平滑功率波动以达到峰谷削减以及频率支撑的目的。同时通过智能功率调节技术可以根据系统实时负荷以及新能源发电的情况对出力进行动态调节，从而使得新能源电源保持不同工况下功率注入的稳定性。研究发现，在引进高容量储能系统之后，系统的频率偏差能够降低大约 30% 到 50% ，同时功率的波动范围也有了明显的减少。另外，储能能提供短时功率支撑及黑启动，增强电网对突发负荷变化的响应能力，从而为接入更高比例的新能源提供了可靠技术保障。

2.2 引入动态电压调节与无功补偿装置，改善电压波动与电压骤降

新能源发电并网运行时易造成节点电压波动和电压骤降等问题，特别是光伏电站或者风电场集中地并网运行时表现得更加突出。动态电压调节器（DVR）、静止无功补偿器（SVC）以及静止同步补偿器（STATCOM）具备通过迅速调整无功功率来为电压提供有效支持的能力。当风光出力发生剧烈改变时，无功补偿装置能够以毫秒量级应对电压异常并减轻电压跌落给负荷及下游设备带来的冲击。实际项目采用 STATCOM 应用于 50～100MVA 容量新能源集群时，能够使短时电压跌落幅度保持在允许范围内，显著改善系统电压稳定性。另外，对无功补偿点及容量布局进行合理规划，并与潮流控制策略相结合，有利于形成电压稳定“屏障”, 降低电压扰动扩散，确保电网总体电能质量。

2.3 优化继电保护与控制策略，提高系统暂态稳定性

在风光接入面积较大的地区，短路电流有可能较低，常规过流保护经常发生动作延迟或者误动，而故障电流方向不稳定，幅值不稳定等问题也会加大继电保护整定复杂度。为了解决该问题，需要引入可调动作时间，广域保护和差动保护多层次策略来实现关键节点与新能源接入点之间的准确监测。同时控制策略的优化也是至关重要的。通过结合新能源的出力特性和励磁系统的调节，调速控制，能够在出现故障或者干扰的情况下迅速调整功率注入以抑制电压振荡和频率跌落从而确保系统处于同步状态。模拟分析结果表明，在风电渗透率达到 40% 的区域内，通过采用动态整定继电保护和协同控制策略，系统的暂态振幅能够减少 20 到 30% ，恢复所需的时间减少了大约 15% ，这显著增强了电网在面对突然的扰动时的抵抗能力[2]。另外结合实时监测的数据，利用算法可以对保护的动作顺序和切除策略进行优化，使得新能源和传统电网能够维持暂态过程的协调响应以避免动作误差导致连锁故障的发生。该保护和控制策略的优化不仅增强了电网短时稳定性，而且为电网的长时间安全运行提供了技术支持。

2.4 部署有源滤波器与谐波治理设备，提升功率质量

在高比例光伏或者风电接入地区，多台逆变器对谐波源的叠加作用使得系统谐波幅值变大，常规的无源滤波手段很难对其进行有效的抑制。为此，有源滤波器（APF）和谐波治理设备成为必要手段。APF 可以在特定的频率范围内实时监控谐波电流并动态补偿注入电流，以快速响应的方式调节注入电流从而达到准确控制高频谐波和间谐波目的。工程实践表明，针对容量为 100MW 的新能源电站部署APF 后，总谐波畸变率（THD）可从 12% 以上降低至 5% 以下，同时对低频闪变和功率因数改善也具有显著效果。另外在大规模新能源集群内，采用局部无功补偿和分布式滤波器相结合的方式，可以在不同的接入节点处形成谐波屏障以限制谐波沿着电网的扩散并降低下游设备的负荷。对于敏感负荷区域而言，布置谐波治理设备可以降低电机过热，通信干扰及精密仪器误动作等风险，进而保证电网功率质量及设备长期运行可靠性。通过对技术及布局等方面进行全面优化，可以在电网阻抗及容量均未增大的前提下，实现新能源高配比环境功率质量的改善。

2.5 建立智能调度与协同控制平台，实现新能源与传统电网的高效协同

智能调度平台实时获取和分析新能源发电出力，负荷波动和电网运行状态等信息，并将预测算法和优化调度模型相结合，以实现电源，储能和负荷之间的动态配合。平台可基于短期风光功率的预测及负荷需求对发电计划进行调整，平滑新能源出力，减小系统频率偏差及备用容量要求。与此同时，该智能平台还支持多节点多能量的联合调度形式，能够实现不同地区之间功率流向的优化，提高电网韧性。在真实的应用场景中，利用数据驱动的优化策略，我们可以使新能源的使用效率增加 10～15% ，显著提高系统的调节效率，并减少由新能源波动引起的频率和电压异常的风险。另外，该平台还可以与继电保护，储能系统及有源滤波器等协同运行，实现了调度和控制的一体化，增强了电网运行的可靠性及稳定性，从而为建设高比例的新能源电网提供了技术保障。

结束语：

新能源发电并网给电力系统既带来新挑战又带来优化升级机遇。通过运用储能和功率调节技术，动态电压调节和无功补偿装置，优化继电保护和控制策略，布设有源滤波器和谐波治理设备，搭建智能调度和协同控制平台的策略，能够有效促进电力系统稳定运行，使新能源和传统电网能够高效协同发展。

参考文献：

[1] 曹润广 . 数字化背景下新能源发电接入电网调度运行技术研究 [J]. 仪器仪表用户 ,2024,31(07):78-80+83.

[2] 郝 世 宇 . 电 气 自 动 化 设 备 的 稳 定 性 措 施 分 析 [J]. 集 成 电 路 应用 ,2021,38(05):68-69.