0  引言

    清潔能源開發根據發電量大小分為兩種形式：分布式清潔能源發電和大規模清潔能源發電。分布式清潔能源發電一般是指小作坊型的太陽能發電，供個人或集體用戶自產自銷，并不需要并入核心電網，通過逆變器連接計量電表直接與用戶相連，對計量系統會產生一些諧波或直流影響，但在可控范圍內。在東北或者南方偏遠山區集中采集風能和太陽能，利用超級電容緩存電能，通過電纜直接并入35 kV高壓線路，輸送到鄰近城區。大規模能源并網由于需電網線路輸電，因此要求發電質量、規格、規模都符合電網輸電標準，才能在輸電線路上正常傳輸。大規模能源并網電源裝機容量較大，以“向外送電”為主，在夜間或無風等不滿足發電條件下，也需要從電網獲取電能滿足電站自身的運轉，因此計量的雙向性測量需保證精準才能保持能量來回輸送的平衡。

    為了保證計量過程的精準性以及計量設備部署的經濟性，同時考慮大規模能源的接入點位置以及接入電壓等級等，針對不同的電壓接入點應有不同高壓計量方式，相應的設備性能也要根據實際運行工況來確定。本文探討更優化的方式來解決大規模能源的計量問題。

1  大規模新能源并網特點

    建設大規模新能源主要目的是把偏遠區域的寶貴能源充分開發利用起來，由于當地缺少居民住戶，只能將能源遠距離送點到鄰近地區或缺電城市消納。新能源開發的模式以及不同能源轉換過程中的差異性是存在的，即使進行了能量逆變統一，但是在電流、電壓參數方面還是有略微的偏差，一般偏遠地區的電網網架也較薄弱，一點偏差會有較大影響；而電網計量系統是以參數精準性為前提，能源并網運行中面臨的各種問題都會影響計量的準確性。下面綜合分析下并網過程中的特點和缺陷。

    （1）雙向性和間歇性：大規模新能源作為電網的能源補充方式，和傳統的發電廠形式不一樣，電廠發電作為獨立的系統不需從輸電線路中取電充電，新能源發電時潮流方向只是指向用戶一段，但在無法發電時段，就需電網補給供電，常規電網單向計量模式無法適應雙向計量，在計量上需改造成上下行同時可發送控制信息。一般新能源發電都會受季節和時間的影響，例如在風力充足的冬季夜間和陽光充足的夏季白天，風電機組和太陽能電池基本是滿負荷工作，而之外的時間發電能力較弱或者基本電量為零。

    （2）無功電壓不穩定：在大功率能源集中供電時，會給輸電網造成很大的沖擊，功率波動突然變大，可能導致電網電壓波動性增加，從而失去穩定性。尤其是風能這種能源介質具有隨機性和波動性，很容易無法預測其電網潮流，無功電壓的波形出現驟升或驟降的可能，進而導致鄰近電廠的網絡出現過電壓或欠電壓動作而導致連鎖脫網故障，影響范圍無法估計。因此需通過設置合理的計量方式預估電壓變化幅度，調和局部電壓變化壓力。

    （3）穩定性差和發電效率不高：清潔能源之所以前期沒有被大量開發，主要原因在于電能轉換效率低，以效率換取能源的開發是不合理的，但目前考慮環境問題，所以將清潔能源作為主要補充手段，盡力增大能源轉化效率。風輪的理論最大效率為 59.3%，而實際的效率則更低，水平軸的風輪機實際效率通常在 20%~50%，垂直軸風輪機的最大效率在30%~40%。因此通過計算能源轉化效率來預測可開發能源量，數據作為電網潮流平衡計算的重要依據。大容量能源并網后會給電網穩定運行帶來一定影響，尤其在發生并網故障時，同步機組功率極限值的變化對同步機組功角值的恢復產生影響。

    （4）調頻控制能力差：國家電網公司印發了關于風能和太陽能并網接入的技術規定，對電源的總容量、電壓等級及時頻范圍進行了規范。并網過程中也會影響電能頻率的變化，出現頻率控制的問題。需通過參與電網的電源容量同步調頻，利用功率預測手段，實現有功功率自動控制，預測的精準性還需計量裝置的配合。

    （5）送電量受網架質量限制：清潔能源發電站附近的網架一般比較薄弱，有時對于大規模送電無法支撐，往往出現送出的能力低于額定送出功率，對發電端設備是一種勞損。可通過靈活設計周邊網架輸電路由及策略，提升發電效率。

2  針對新能源并網計量應對措施

    通過對新能源并網特征進行全面分析，發現很多問題都需要計量手段去配合和控制才能提升并網的性能。電能計量是在發電過程中，通過一定的設備記錄下流過設備的電量，送端作為送電的可行性的依據，收端作為電費消納的依據。計量裝置針對不同的應用場景配置也不會相同，共有5類計量裝置，分別為有功電能表、無功電能表、電壓互感器和電流互感器，其準確度等級各不相同，其中，0.2 級的電流互感器僅是指發電機出口處所配備的電能計量裝置，S是特殊用途的電能表的精度標準。在小負荷的情況下，S 級電能表與非 S 級電能表的主要區別在于對輕負載計量準確度的要求不同，S 級要比非 S級具有更高的測量精度。因此大規模的并網發電選擇電流互感器計量裝置，并網時會帶來一些不確定因素造成計量不準確，需采取相應的措施。

    （1）應對諧波：新能源并網時需要輔助大量的電力電子元件參與控制和運行，發電機組都會引起電流和電壓的畸變，所謂的諧波產生。諧波的產生會造成設備壽命的損耗而且會導致設備的誤動，危害性很大。拿風力發電產生諧波的過程來描述：風電產生諧波的設備有電源、逆變器、整流器等，當風機運轉時，這些電力電子元器件一直處于交直交變頻狀態，在轉變過程中，會出現諧波的干擾，導致直流轉交流時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。從硬件設計上可選擇提高逆變器切換速度來減少諧波的含量；從計量手段上來分析，可采用頻段較寬的電流互感器作為計量設備，或者通過功率預測，測量出基波和諧波所占比例，當諧波值超出一定閾值時則對電能進行抑制，不影響整體電能質量。

    （2）應對頻偏：一般當新能源并網時，系統頻率會突然增加，在接入電網或離網的拉/合閘過程中會產生較大的沖擊電壓，會對電能計量設備造成不良影響。可通過截頻濾波方式或頻率檢測方式，在不滿足電能質量標準時禁止并網。

    （3）應對無功電壓控制安全問題：針對大規模新能源基地無功電壓控制問題，已研究出了各種控制手段，如通過設計類似AVC的控制系統來協調控制場內無功設備，保障電廠出口電壓安全；結合功率預測的無功電壓控制技術，將預測結果引入控制策略，利用動靜態調節手段對電壓進行大小幅度補償等。以上采用的技術都要基于電網計量設備的測試值，因此計量的準確性是要解決的關鍵問題，在計量側增加各類測試參數，為電網控制提供更多參考基礎數據。

3  新能源并網要求及計量方式

3.1  并網技術要求

    大規模能源并網時，由于轉化電能量級較大，會對電網產生較大的沖擊和潮流方向架構的變化。電網為保障自身運行的可靠性和經濟性，會對地方性大型能源并網提出補充要求，如針對容量、電能電壓質量、諧波含量等都有相應標準規范。具體要求說明如下。

    （1）并網電壓要求：大規模能源并網時，應充分選擇合適的配變電系統對接，電壓等級應保持一致，不需進行降壓處理，在進入輸電線路時應考慮架構落后等原因選擇輸送容量的大小，會有限流的可能，一定不能超過輸送容量限制量。

    （2）接入比例：新能源開發技術還不夠成熟，就目前情況依然以常規發電為主。電網規劃會在前期做好潮流計算，每個城市有各自用能飽和度，新能源接入容量會有一定比例要求，開發過多會導致能源無法消納而造成浪費。參考國外常規能源和新能源應用比例來看，容量應不大于30%。

    （3）電能質量：電能質量是電能入網的最基本要求，電網也根據輸電設備及電纜特性研究制定了多項相關規范和標準，衡量電能質量是否達標可以將電能的電壓、電流、功率是否在標準范圍內，諧波產生方式及量級大小是否在可控范圍內等作為依據。相應的標準主要包括：GB12325-90《電能質量供電電壓允許偏差》，GB12326-2000《電能質量電壓波動和閃變》，GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》，GB/T15543-1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》，GB/T15945-1995《電能質量電力系統允許頻率偏差》，GB/T18481-2001《電能質量電能暫時過電壓和瞬態過電壓》等。

    （4）繼電保護配置：大規模新能源其實等同于一個小型變電站，電網對安全保障要求很高，站內都配置了繼電保護設備，主要是對線路、母線等一次設備進行跳閘保護，在并網線路上需裝設同方向過流過壓保護裝置，一旦發現發電機容量、電壓等級、接口類型等不符合初始配置要求，則立即發生保護動作，以此提高供電的可靠性。

3.2  并網計量新模式

    大規模并網相對分布式能源并網更加復雜，大部分開發的電能需外送到其他地區，因此在進入高壓電網時需設置計量點，核算遠送電量的大小。正如前面所描述新能源并網具備雙向性，在發電高峰期以向電網送電為主，需設置一個計量裝置；在發電淡期，以電網向站點送電為主，也需要設置一個計量裝置，因此并網采用雙向計量方式，需部署兩個計量裝置。根據部署關口位置的不同，有3種較典型的設置方式，如圖1所示。

    方式一僅在進入高壓電端線路兩側設置正反向計量點，正向計量新能源電站向電網輸送的電能量，反向計量電網向電站輸送的電能量。采用的計量裝置為電流互感器，電流互感器應設置兩組抽頭，并分別進行調校；光伏陣列發電產生的電能通過母線傳輸到高壓電網，一般對上下行能源潮流比例會有一定控制，計量裝置則控制關口能源量數值，一般上行進電量在30%~50%之間，下行控制在小于10%。

    方式二為對稱式雙點設置，分別在鄰近接入變電站和光伏發電站部署計量點，在發電站側部署的是計量并網電量，在變電站側計量的是向發電站補充的電量。這樣計量，可以考慮新能源發電優惠政策，兩個計量點電能售價不一樣，新能源電價低一些，這樣通過差級比較，能計算節省電量的比例。

    方式三可稱之為三點設置方式，綜合了方式一和方式二的優勢，同時考慮了站內用電的損耗及電價優惠政策。在3點都設置了計量設備，M3可以控制總線路上的潮流方向，能及時通知M1和M2開啟計量工作。電站發電所得電費為：

式中，k₂為電網銷售電價，k₁為新能源發電上網電價，W₃為M3表計量的電能量，W₂為M2表計量的電能量，W₁為 M1表計量的電能量。

    新能源發電高壓并網電能計量點的3種設置方式各有特點：單點設置方式所需的計量設備數量最少，但對設備的調校要求較高；雙點設置方式所需的設備數量多于單點方式，但對設備的調校要求低于單點方式；三點設置方式所需的設備數量最多，對設備的調校要求與雙點方式相同，但該方式能區分站用電消耗的來源，可以配合國家對新能源發電的鼓勵政策。因此應平衡建設資金及應用需求，在投資充足的情況下，盡量選擇方式三，激勵用戶采用清潔能源，提升國家環保系數。

4  結論

    新能源并網是未來的能源提供的主流方式，將逐步替代常規能源，保障我國的能源可持續發展。新能源并網核心工作是確保計量方式的可靠性及安全性，計量數據的準確性是判斷新能源電能是否能進入電網的唯一標準。新能源的多樣性及開發設備的差異性，容易導致開發的電能中產生不確定因素，通過在重要的電能出口或入口關口處部署合理的計量裝置，當發現電能存在異常時，立即關閘切斷并網入口，直到測試達標后才能進入電網。本文提出了3種計量配置模式，可根據現場建設需求選擇恰當的方式解決大規模能源安全并網問題。

參考文獻

[1] 王鶴,李國慶.含多種分布式電源的微電網控制策略[J]．電力自動化設備,2012,32(5):19-23.

[2] 葛毅.電力諧波對電能表電能計量的影響研究[D]. 重慶：重慶大學,2003.

[3] 丁藝,趙偉,侯國屏.諧波條件下感應系電能表計量誤差分析[J]. 電測與儀表,2002,39(10):7-11.

[4] 秦軍,潘曉君.對電能計量裝置改造的技術措施[J].電測與儀表,2007,44(1) : 18-20．

[5] 張麗英, 葉廷路, 辛耀中, 等. 大規模風電接入電網的相關問題及措施[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(25): 1-9. 

[6] 薛峰, 常康, 汪寧渤. 大規模間歇式能源發電并網集群協調控制框架[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(22): 45-53. 

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

[8] 李培強,曾小軍,黃際元,等.面向綜合負荷的并網光伏發電系統等效建模[J]. 電力系統自動化，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. 國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊050011；

2. 國網北京電力科學研究院，北京 100075）