FACTS在新能源接入领域应用的可行性研究
摘要：本文首先介绍了新能源的发展和分类，对新能源接入电力系统可能会带来的一系列问题就行了分析。在此基础上提出考虑用FACTS装置来配合新能源接入电网，提高新能源接入电网的可行性和稳定性，同时对含新能源接入时FACTS装置的作用进行了详细的分析。
关键词：FACTS；新能源；电能质量；电压暂降
0 引言
化石能源是不可再生的资源，终归要走向枯竭。面对日趋严重的环境与资源问题的挑战，为解决经济和社会发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾，必须开发新能源，加强对新能源的利用。21世纪将是新能源发展的新世纪。
化石燃料危机和环境问题的日趋紧张促使了太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源发电的发展。由于这些电能大都具有随机性、波动性和不稳定性，因而接入电网会对电网产生的一系列影响，如节点的电压波动、对接入点短路电流的影响、引起的潮流改变及网损的变化、电压闪变等等。这些问题可能会极大限制新能源发电的发展。
灵活交流输电系统借助电力电子器件能根据电力系统运行的要求，快速地对系统输送功率和电压、阻抗、功角等电气量进行调节，改善系统安全性、可靠性、经济性，使其在新能源接入领域有巨大的应用潜力。
1 新能源与新能源发电简介
1.1 新能源与新能源发电的定义
新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，是刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。新能源发电即非常规能源发电。新能源是清洁能源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。 1.2新能源发电的分类
目前，可再生能源发电技术成为分布式电源研究热点之一，主要包括太阳能、
风能、水能、生物质能、地热能和海洋能发电等。为了满足可持续发展、保护环境需要，可再生能源资源丰富，可循环使用，又无污染，必将取代化石能源成为能源供应的主体。新能源发电的主要类型有： 1.2.1地热发电
地热发电是利用地表深处的地热能来生产电能，实际上是通过打井找到正在上喷的天然热水流，用蒸汽动力发电[1]。地热发电厂的生产过程与火电厂相似，不过锅炉设备被地热井取代，汽轮机将地热能转换为机械能带动发电机发电。地球内部蕴藏着大量的地热能，目前一些国家已着手商业开发利用。 1.2.2海洋能发电
海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪、海洋温差、海流引起的机械能和热能。海洋温差发电工作原理与火力、核能发电原理类似，首先利用表层海水蒸发工作流体如氨、丙烷或氟利昂使其汽化推动涡轮发电机发电，然后利用深层冷海水冷却工作流体成液态，以反复使用;波浪发电是用波浪发电装置将海浪动能转换成电能；其中波浪发电装置运转方式完全依据波浪上下振动特性而设计，从而有效的吸收波能；海水水位因引力作用产生高低落差现象即为潮汐，潮汐发电便是利用该势能转换为动能带动发电机旋转获得电能[2]。潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。 1.2.3风力发电
风力发电是利用风的来生产电能。应用风机使风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能。具体说来，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电[3]。风力发电机按转速是否恒定，分为定转速运行与可变速运行两种方式;按发电机结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机等机型。依照运行方式、结构等因素不同，可以发出直流电，也可发出交流电。风能储量丰富，随着储能技术和风机制造水平的改进和提高，风力利用的潜力巨大。 1.2.4 太阳能发电
太阳能发电一般指利用太阳的光能或热辐射能量的发电方式。电力系统太阳能发电技术包括两种:光伏发电和太阳热发电技术。前者通过太阳照在太阳能电板硅材料上因光伏效应发出直流电，后者则利用集热器把太阳辐射能转变成热能，将水转化成蒸汽，然后通过汽轮机，发电机发出工频交流电。具体介绍如下 1.2.4.1 太阳能光伏发电
太阳能发电技术直接将光能转化为电能，根据太阳电池半导体材料的光伏效应，产生直流电能。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。光伏发电系统运行方式包括独立运行和联网运行两种方式。独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统。并网光伏发电系统是将太阳能电池发出直流电逆变成交流，通过与电力网并联运行，从而避免了安装储能蓄电池带来的费用。 1.2.4.2 太阳能光热发电
现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气，驱动汽
轮机发电。
2 新能源接入对电网的影响
目前，在各种可再生新能源中，太阳能和风能具有很强的竞争能力，使之从其它新能源中脱颖而出，成为电力系统中增长速度较快快的新能源，并且在能源总发电量中占有很大的比例，而诸如地热能、海洋能、生物质能受地理条件和技术水平等因素的限制发展缓慢或利用很少。大力发展风能、太阳能发电成为改善电力系统结构极为重要的措施。
但是由于太阳能分散性、不稳定性以及风能具有能量密度低、随机性、间歇性的特点，大量的新能源接入电力系统，特别是大量的风能和太阳能接入电网对电网的安全、稳定性带来重大的影响，其中最为突出的问题就是使风光电源（太阳能和风能）及接纳风光电源的区域变电站电压质量严重下降，甚至导致电压崩溃，如不能解决这一问题，必将阻碍风光等新能源的发展。提高电压质量，防止电压崩溃是电力系统吸纳大容量不稳定新能源必须研究解决的重大技术问题。此
外，风电在电网中运行时对电网产生的一系列影响，其中包括在风电场引起电网各节点的电压波动、对接入点短路电流的影响、引起的潮流改变及网损的变化、电压闪变等等
2.1 新能源接入引起的电压波动
当风力发电场接入电网后，风电场的有功注入与无功消耗会对电网的电压稳定性、静态稳定性以及动态稳定性产生各方面的影响。随着风力机组容量的不断增大，异步机的Q一V特性引起电网接入点的节点电压稳定裕度下降，影响电压稳定性。其主要原因是太阳能和风能的不稳定性引起的风电场、太阳能电场输出功率的变化。
风能的随机性和不稳定性。风速在自然界是随机性的，每时每刻都在变化，而风力发电机组的出力和风速的三次方成正比，因此机组的出力也将从一分钟到另一分钟地波动。虽然由多台机组在一个地区组成风电场的出力能够平滑一部分的波动，但是一小时到另一小时的波动仍然可能十分的剧烈，当风电场的容量大到一定程度，这种情况有可能显著地影响地区电网的稳定运行。一般来说，风电场出力与负荷需求不同步，甚至是相反过程。当用户负荷需求大时，风电场没有办法输出更大的出力。另外，在一天之内，晚上的风速比白天大，电网晚上的负荷需求在半夜之后下降，而风电场的出力又反而增加，又是一个时间段上的矛盾。
风电机组与电网结构的缺陷造成电压波动。对于风电还受到风力机组的类型、控制系统、电网状况、以及并网风力机组在持续运行过程中受到的塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，使风力机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，从而造成了输出功率的变化。
总体来说，风力发电会提高电网的静态稳定性，降低动态稳定性。特别是当风力机组起动时，感应电机会吸收大量的无功功率，如果没有足够的无功补偿，将会导致节点电压跌落。风力机组输出变化着的功率直接导致了节点电压的波动，如果机组的容量超过一定范围，那么它所引起的电压波动将很大，超出电网运行的允许范围。
2.2 新能源接入对电网电能质量的影响
在电网接口处的电能质量是新能源接入电网时必须考虑的问题。 2.2.1 谐波畸变
光伏发电系统发出直流电能，需要逆变成交流电能才能并网。这时整流器与逆变器是影响电能质量的主要元件。所以，与电网连接的此类电力系统必须采用设计好的生产高质量低畸变交流功率的变流器。
在风力发电系统中，存在大量非线性换流装置，使得电网电流波形和电压波形不再是正弦波。风力发电系统中的谐波主要是由大功率变换器以及其他非线性负载产生的，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，这其中整流装置所占比例最大，所产生的谐波污染和消耗的无功功率是相当严重的；除整流装置外，斩波和逆变装置的应用也很多，其输入电流也来自整流装置，因此其谐波问题也很严重。
总谐波畸变率（THD）定义如下：压的总谐波畸变率[7]
THDU?
电流的总谐波畸变率
THDI??(h?2?Uh)?100%U1 (1.1)
?(h?2?Ih)?100%I1 (1.2)
由任何谐波负荷吸收的谐波电流引起的节点电压的谐波畸变由Un?InZn给出。正是节点电压中的这种畸变，即使在纯线性电阻负荷上也会引起谐波电流。如果新能源发电厂相对较小，则一个非线性电子负荷可能引起节点电压产生明显的畸变，从而给线性负荷提供畸变电流。因此在将功率送到电网之前必须滤除谐波。对于电网接口处，THD 小于 3%可以接受。 2.2.2 电压瞬态与暂降
光伏发电厂一般不会引起电压突然变化，但是，在风电厂中应用时，用于产生无功功率的每个电容器投切会激起电压暂态过程，而这将在风力机的齿轮机构上造成额外的力矩，导致变速箱额外的磨损。进一步，为了维持系统电压需要大容量的投切电容器，这将导致电容器早期失效，从而产生更高的维护成本。节点电压可以因为许多原因而偏离标称的额定值，能够忍受的偏差取决于其大小与持续时间。对于小的偏差，能够忍受的时间比大的偏差时间长。 2.2.2.1 影响电网暂态电压稳定的因素
新能源接入电力系统后影响电网暂态电压稳定的因素有许多。对于风电场，
电力系统运行与控制读书报告
