0  引言

    清潔能源開(kāi)發(fā)根據(jù)發(fā)電量大小分為兩種形式：分布式清潔能源發(fā)電和大規(guī)模清潔能源發(fā)電,。分布式清潔能源發(fā)電一般是指小作坊型的太陽(yáng)能發(fā)電,，供個(gè)人或集體用戶自產(chǎn)自銷，并不需要并入核心電網(wǎng),，通過(guò)逆變器連接計(jì)量電表直接與用戶相連,，對(duì)計(jì)量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一些諧波或直流影響，但在可控范圍內(nèi),。在東北或者南方偏遠(yuǎn)山區(qū)集中采集風(fēng)能和太陽(yáng)能,，利用超級(jí)電容緩存電能，通過(guò)電纜直接并入35 kV高壓線路,，輸送到鄰近城區(qū),。大規(guī)模能源并網(wǎng)由于需電網(wǎng)線路輸電，因此要求發(fā)電質(zhì)量,、規(guī)格,、規(guī)模都符合電網(wǎng)輸電標(biāo)準(zhǔn)，才能在輸電線路上正常傳輸,。大規(guī)模能源并網(wǎng)電源裝機(jī)容量較大,，以“向外送電”為主，在夜間或無(wú)風(fēng)等不滿足發(fā)電條件下,，也需要從電網(wǎng)獲取電能滿足電站自身的運(yùn)轉(zhuǎn),，因此計(jì)量的雙向性測(cè)量需保證精準(zhǔn)才能保持能量來(lái)回輸送的平衡,。

    為了保證計(jì)量過(guò)程的精準(zhǔn)性以及計(jì)量設(shè)備部署的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)考慮大規(guī)模能源的接入點(diǎn)位置以及接入電壓等級(jí)等,，針對(duì)不同的電壓接入點(diǎn)應(yīng)有不同高壓計(jì)量方式,，相應(yīng)的設(shè)備性能也要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)確定。本文探討更優(yōu)化的方式來(lái)解決大規(guī)模能源的計(jì)量問(wèn)題,。

1  大規(guī)模新能源并網(wǎng)特點(diǎn)

    建設(shè)大規(guī)模新能源主要目的是把偏遠(yuǎn)區(qū)域的寶貴能源充分開(kāi)發(fā)利用起來(lái),，由于當(dāng)?shù)厝鄙倬用褡簦荒軐⒛茉催h(yuǎn)距離送點(diǎn)到鄰近地區(qū)或缺電城市消納,。新能源開(kāi)發(fā)的模式以及不同能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的差異性是存在的,，即使進(jìn)行了能量逆變統(tǒng)一，但是在電流,、電壓參數(shù)方面還是有略微的偏差,，一般偏遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)網(wǎng)架也較薄弱，一點(diǎn)偏差會(huì)有較大影響,；而電網(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)是以參數(shù)精準(zhǔn)性為前提,，能源并網(wǎng)運(yùn)行中面臨的各種問(wèn)題都會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。下面綜合分析下并網(wǎng)過(guò)程中的特點(diǎn)和缺陷,。

    （1）雙向性和間歇性：大規(guī)模新能源作為電網(wǎng)的能源補(bǔ)充方式,，和傳統(tǒng)的發(fā)電廠形式不一樣，電廠發(fā)電作為獨(dú)立的系統(tǒng)不需從輸電線路中取電充電,，新能源發(fā)電時(shí)潮流方向只是指向用戶一段,，但在無(wú)法發(fā)電時(shí)段，就需電網(wǎng)補(bǔ)給供電,，常規(guī)電網(wǎng)單向計(jì)量模式無(wú)法適應(yīng)雙向計(jì)量,，在計(jì)量上需改造成上下行同時(shí)可發(fā)送控制信息。一般新能源發(fā)電都會(huì)受季節(jié)和時(shí)間的影響,，例如在風(fēng)力充足的冬季夜間和陽(yáng)光充足的夏季白天,，風(fēng)電機(jī)組和太陽(yáng)能電池基本是滿負(fù)荷工作，而之外的時(shí)間發(fā)電能力較弱或者基本電量為零,。

    （2）無(wú)功電壓不穩(wěn)定：在大功率能源集中供電時(shí),，會(huì)給輸電網(wǎng)造成很大的沖擊，功率波動(dòng)突然變大,，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)性增加,，從而失去穩(wěn)定性。尤其是風(fēng)能這種能源介質(zhì)具有隨機(jī)性和波動(dòng)性,，很容易無(wú)法預(yù)測(cè)其電網(wǎng)潮流，無(wú)功電壓的波形出現(xiàn)驟升或驟降的可能,，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近電廠的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過(guò)電壓或欠電壓動(dòng)作而導(dǎo)致連鎖脫網(wǎng)故障,，影響范圍無(wú)法估計(jì),。因此需通過(guò)設(shè)置合理的計(jì)量方式預(yù)估電壓變化幅度，調(diào)和局部電壓變化壓力,。

    （3）穩(wěn)定性差和發(fā)電效率不高：清潔能源之所以前期沒(méi)有被大量開(kāi)發(fā),，主要原因在于電能轉(zhuǎn)換效率低，以效率換取能源的開(kāi)發(fā)是不合理的,，但目前考慮環(huán)境問(wèn)題,，所以將清潔能源作為主要補(bǔ)充手段，盡力增大能源轉(zhuǎn)化效率,。風(fēng)輪的理論最大效率為 59.3%,，而實(shí)際的效率則更低，水平軸的風(fēng)輪機(jī)實(shí)際效率通常在 20%~50%,，垂直軸風(fēng)輪機(jī)的最大效率在30%~40%,。因此通過(guò)計(jì)算能源轉(zhuǎn)化效率來(lái)預(yù)測(cè)可開(kāi)發(fā)能源量，數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)潮流平衡計(jì)算的重要依據(jù),。大容量能源并網(wǎng)后會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響,，尤其在發(fā)生并網(wǎng)故障時(shí)，同步機(jī)組功率極限值的變化對(duì)同步機(jī)組功角值的恢復(fù)產(chǎn)生影響,。

    （4）調(diào)頻控制能力差：國(guó)家電網(wǎng)公司印發(fā)了關(guān)于風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)接入的技術(shù)規(guī)定,，對(duì)電源的總?cè)萘俊㈦妷旱燃?jí)及時(shí)頻范圍進(jìn)行了規(guī)范,。并網(wǎng)過(guò)程中也會(huì)影響電能頻率的變化,，出現(xiàn)頻率控制的問(wèn)題。需通過(guò)參與電網(wǎng)的電源容量同步調(diào)頻,，利用功率預(yù)測(cè)手段,，實(shí)現(xiàn)有功功率自動(dòng)控制，預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性還需計(jì)量裝置的配合,。

    （5）送電量受網(wǎng)架質(zhì)量限制：清潔能源發(fā)電站附近的網(wǎng)架一般比較薄弱,，有時(shí)對(duì)于大規(guī)模送電無(wú)法支撐，往往出現(xiàn)送出的能力低于額定送出功率,，對(duì)發(fā)電端設(shè)備是一種勞損,。可通過(guò)靈活設(shè)計(jì)周邊網(wǎng)架輸電路由及策略,，提升發(fā)電效率,。

2  針對(duì)新能源并網(wǎng)計(jì)量應(yīng)對(duì)措施

    通過(guò)對(duì)新能源并網(wǎng)特征進(jìn)行全面分析，發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題都需要計(jì)量手段去配合和控制才能提升并網(wǎng)的性能,。電能計(jì)量是在發(fā)電過(guò)程中,，通過(guò)一定的設(shè)備記錄下流過(guò)設(shè)備的電量，送端作為送電的可行性的依據(jù)，收端作為電費(fèi)消納的依據(jù),。計(jì)量裝置針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景配置也不會(huì)相同,，共有5類計(jì)量裝置，分別為有功電能表,、無(wú)功電能表,、電壓互感器和電流互感器，其準(zhǔn)確度等級(jí)各不相同,，其中,，0.2 級(jí)的電流互感器僅是指發(fā)電機(jī)出口處所配備的電能計(jì)量裝置，S是特殊用途的電能表的精度標(biāo)準(zhǔn),。在小負(fù)荷的情況下,，S 級(jí)電能表與非 S 級(jí)電能表的主要區(qū)別在于對(duì)輕負(fù)載計(jì)量準(zhǔn)確度的要求不同，S 級(jí)要比非 S級(jí)具有更高的測(cè)量精度,。因此大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電選擇電流互感器計(jì)量裝置,，并網(wǎng)時(shí)會(huì)帶來(lái)一些不確定因素造成計(jì)量不準(zhǔn)確，需采取相應(yīng)的措施,。

    （1）應(yīng)對(duì)諧波：新能源并網(wǎng)時(shí)需要輔助大量的電力電子元件參與控制和運(yùn)行,，發(fā)電機(jī)組都會(huì)引起電流和電壓的畸變，所謂的諧波產(chǎn)生,。諧波的產(chǎn)生會(huì)造成設(shè)備壽命的損耗而且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的誤動(dòng),，危害性很大。拿風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生諧波的過(guò)程來(lái)描述：風(fēng)電產(chǎn)生諧波的設(shè)備有電源,、逆變器,、整流器等，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，這些電力電子元器件一直處于交直交變頻狀態(tài),，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)諧波的干擾,，導(dǎo)致直流轉(zhuǎn)交流時(shí)并非為正弦電壓波形,，而是含有頻率寬帶不一致的含有諧波的交流電流。從硬件設(shè)計(jì)上可選擇提高逆變器切換速度來(lái)減少諧波的含量,；從計(jì)量手段上來(lái)分析,，可采用頻段較寬的電流互感器作為計(jì)量設(shè)備，或者通過(guò)功率預(yù)測(cè),，測(cè)量出基波和諧波所占比例,，當(dāng)諧波值超出一定閾值時(shí)則對(duì)電能進(jìn)行抑制，不影響整體電能質(zhì)量,。

    （2）應(yīng)對(duì)頻偏：一般當(dāng)新能源并網(wǎng)時(shí),，系統(tǒng)頻率會(huì)突然增加,，在接入電網(wǎng)或離網(wǎng)的拉/合閘過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電壓，會(huì)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備造成不良影響,?？赏ㄟ^(guò)截頻濾波方式或頻率檢測(cè)方式，在不滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)禁止并網(wǎng),。

    （3）應(yīng)對(duì)無(wú)功電壓控制安全問(wèn)題：針對(duì)大規(guī)模新能源基地?zé)o功電壓控制問(wèn)題，已研究出了各種控制手段,，如通過(guò)設(shè)計(jì)類似AVC的控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)控制場(chǎng)內(nèi)無(wú)功設(shè)備,，保障電廠出口電壓安全；結(jié)合功率預(yù)測(cè)的無(wú)功電壓控制技術(shù),，將預(yù)測(cè)結(jié)果引入控制策略,，利用動(dòng)靜態(tài)調(diào)節(jié)手段對(duì)電壓進(jìn)行大小幅度補(bǔ)償?shù)取Ｒ陨喜捎玫募夹g(shù)都要基于電網(wǎng)計(jì)量設(shè)備的測(cè)試值,，因此計(jì)量的準(zhǔn)確性是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題,，在計(jì)量側(cè)增加各類測(cè)試參數(shù)，為電網(wǎng)控制提供更多參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù),。

3  新能源并網(wǎng)要求及計(jì)量方式

3.1  并網(wǎng)技術(shù)要求

    大規(guī)模能源并網(wǎng)時(shí),，由于轉(zhuǎn)化電能量級(jí)較大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊和潮流方向架構(gòu)的變化,。電網(wǎng)為保障自身運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,，會(huì)對(duì)地方性大型能源并網(wǎng)提出補(bǔ)充要求,，如針對(duì)容量,、電能電壓質(zhì)量,、諧波含量等都有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,。具體要求說(shuō)明如下,。

    （1）并網(wǎng)電壓要求：大規(guī)模能源并網(wǎng)時(shí),，應(yīng)充分選擇合適的配變電系統(tǒng)對(duì)接,，電壓等級(jí)應(yīng)保持一致,，不需進(jìn)行降壓處理,，在進(jìn)入輸電線路時(shí)應(yīng)考慮架構(gòu)落后等原因選擇輸送容量的大小,，會(huì)有限流的可能，一定不能超過(guò)輸送容量限制量,。

    （2）接入比例：新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)還不夠成熟,，就目前情況依然以常規(guī)發(fā)電為主。電網(wǎng)規(guī)劃會(huì)在前期做好潮流計(jì)算,，每個(gè)城市有各自用能飽和度,，新能源接入容量會(huì)有一定比例要求，開(kāi)發(fā)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致能源無(wú)法消納而造成浪費(fèi),。參考國(guó)外常規(guī)能源和新能源應(yīng)用比例來(lái)看,，容量應(yīng)不大于30%。

    （3）電能質(zhì)量：電能質(zhì)量是電能入網(wǎng)的最基本要求，電網(wǎng)也根據(jù)輸電設(shè)備及電纜特性研究制定了多項(xiàng)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),，衡量電能質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)可以將電能的電壓,、電流、功率是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),，諧波產(chǎn)生方式及量級(jí)大小是否在可控范圍內(nèi)等作為依據(jù),。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括：GB12325-90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》，GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》,，GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,，GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》，GB/T15945-1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)允許頻率偏差》,，GB/T18481-2001《電能質(zhì)量電能暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》等,。

    （4）繼電保護(hù)配置：大規(guī)模新能源其實(shí)等同于一個(gè)小型變電站，電網(wǎng)對(duì)安全保障要求很高,，站內(nèi)都配置了繼電保護(hù)設(shè)備,，主要是對(duì)線路、母線等一次設(shè)備進(jìn)行跳閘保護(hù),，在并網(wǎng)線路上需裝設(shè)同方向過(guò)流過(guò)壓保護(hù)裝置,，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)容量、電壓等級(jí),、接口類型等不符合初始配置要求,，則立即發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，以此提高供電的可靠性,。

3.2  并網(wǎng)計(jì)量新模式

    大規(guī)模并網(wǎng)相對(duì)分布式能源并網(wǎng)更加復(fù)雜,，大部分開(kāi)發(fā)的電能需外送到其他地區(qū)，因此在進(jìn)入高壓電網(wǎng)時(shí)需設(shè)置計(jì)量點(diǎn),，核算遠(yuǎn)送電量的大小,。正如前面所描述新能源并網(wǎng)具備雙向性，在發(fā)電高峰期以向電網(wǎng)送電為主,，需設(shè)置一個(gè)計(jì)量裝置,；在發(fā)電淡期，以電網(wǎng)向站點(diǎn)送電為主,，也需要設(shè)置一個(gè)計(jì)量裝置,，因此并網(wǎng)采用雙向計(jì)量方式，需部署兩個(gè)計(jì)量裝置,。根據(jù)部署關(guān)口位置的不同,，有3種較典型的設(shè)置方式，如圖1所示,。

    方式一僅在進(jìn)入高壓電端線路兩側(cè)設(shè)置正反向計(jì)量點(diǎn),，正向計(jì)量新能源電站向電網(wǎng)輸送的電能量,，反向計(jì)量電網(wǎng)向電站輸送的電能量。采用的計(jì)量裝置為電流互感器,，電流互感器應(yīng)設(shè)置兩組抽頭,，并分別進(jìn)行調(diào)校；光伏陣列發(fā)電產(chǎn)生的電能通過(guò)母線傳輸?shù)礁邏弘娋W(wǎng),，一般對(duì)上下行能源潮流比例會(huì)有一定控制,，計(jì)量裝置則控制關(guān)口能源量數(shù)值，一般上行進(jìn)電量在30%~50%之間,，下行控制在小于10%,。

    方式二為對(duì)稱式雙點(diǎn)設(shè)置，分別在鄰近接入變電站和光伏發(fā)電站部署計(jì)量點(diǎn),，在發(fā)電站側(cè)部署的是計(jì)量并網(wǎng)電量，在變電站側(cè)計(jì)量的是向發(fā)電站補(bǔ)充的電量,。這樣計(jì)量,，可以考慮新能源發(fā)電優(yōu)惠政策，兩個(gè)計(jì)量點(diǎn)電能售價(jià)不一樣,，新能源電價(jià)低一些,，這樣通過(guò)差級(jí)比較，能計(jì)算節(jié)省電量的比例,。

    方式三可稱之為三點(diǎn)設(shè)置方式,，綜合了方式一和方式二的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)考慮了站內(nèi)用電的損耗及電價(jià)優(yōu)惠政策,。在3點(diǎn)都設(shè)置了計(jì)量設(shè)備,，M3可以控制總線路上的潮流方向，能及時(shí)通知M1和M2開(kāi)啟計(jì)量工作,。電站發(fā)電所得電費(fèi)為：

式中,，k₂為電網(wǎng)銷售電價(jià)，k₁為新能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià),，W₃為M3表計(jì)量的電能量,，W₂為M2表計(jì)量的電能量，W₁為 M1表計(jì)量的電能量,。

    新能源發(fā)電高壓并網(wǎng)電能計(jì)量點(diǎn)的3種設(shè)置方式各有特點(diǎn)：?jiǎn)吸c(diǎn)設(shè)置方式所需的計(jì)量設(shè)備數(shù)量最少,，但對(duì)設(shè)備的調(diào)校要求較高；雙點(diǎn)設(shè)置方式所需的設(shè)備數(shù)量多于單點(diǎn)方式,，但對(duì)設(shè)備的調(diào)校要求低于單點(diǎn)方式,；三點(diǎn)設(shè)置方式所需的設(shè)備數(shù)量最多，對(duì)設(shè)備的調(diào)校要求與雙點(diǎn)方式相同,，但該方式能區(qū)分站用電消耗的來(lái)源,，可以配合國(guó)家對(duì)新能源發(fā)電的鼓勵(lì)政策,。因此應(yīng)平衡建設(shè)資金及應(yīng)用需求，在投資充足的情況下,，盡量選擇方式三,，激勵(lì)用戶采用清潔能源，提升國(guó)家環(huán)保系數(shù),。

4  結(jié)論

    新能源并網(wǎng)是未來(lái)的能源提供的主流方式,，將逐步替代常規(guī)能源，保障我國(guó)的能源可持續(xù)發(fā)展,。新能源并網(wǎng)核心工作是確保計(jì)量方式的可靠性及安全性,，計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是判斷新能源電能是否能進(jìn)入電網(wǎng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。新能源的多樣性及開(kāi)發(fā)設(shè)備的差異性,，容易導(dǎo)致開(kāi)發(fā)的電能中產(chǎn)生不確定因素,，通過(guò)在重要的電能出口或入口關(guān)口處部署合理的計(jì)量裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電能存在異常時(shí),，立即關(guān)閘切斷并網(wǎng)入口,，直到測(cè)試達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)入電網(wǎng)。本文提出了3種計(jì)量配置模式,，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)需求選擇恰當(dāng)?shù)姆绞浇鉀Q大規(guī)模能源安全并網(wǎng)問(wèn)題,。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鶴,李國(guó)慶.含多種分布式電源的微電網(wǎng)控制策略[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,32(5):19-23.

[2] 葛毅.電力諧波對(duì)電能表電能計(jì)量的影響研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2003.

[3] 丁藝,趙偉,侯國(guó)屏.諧波條件下感應(yīng)系電能表計(jì)量誤差分析[J]. 電測(cè)與儀表,2002,39(10):7-11.

[4] 秦軍,潘曉君.對(duì)電能計(jì)量裝置改造的技術(shù)措施[J].電測(cè)與儀表,2007,44(1) : 18-20．

[5] 張麗英, 葉廷路, 辛耀中, 等. 大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題及措施[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(25): 1-9. 

[6] 薛峰, 常康, 汪寧渤. 大規(guī)模間歇式能源發(fā)電并網(wǎng)集群協(xié)調(diào)控制框架[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(22): 45-53. 

[7] 王迎昌,王毅,邢浩江,等.光伏并網(wǎng)逆變器的諧波電流抑制研究[J].電力電子技術(shù),2013,47（1）：46-48.

[8] 李培強(qiáng),曾小軍,黃際元,等.面向綜合負(fù)荷的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等效建模[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,，2016,40(8):43-50.

作者信息:

李  翀1,，李  蕊2，劉林青1,，李  兵1,，韓桂楠1，王錦騰1

（1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,，河北 石家莊050011,；

2. 國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075）