0  引言

    清洁能源开发根据发电量大小分为两种形式：分布式清洁能源发电和大规模清洁能源发电。分布式清洁能源发电一般是指小作坊型的太阳能发电，供个人或集体用户自产自销，并不需要并入核心电网，通过逆变器连接计量电表直接与用户相连，对计量系统会产生一些谐波或直流影响，但在可控范围内。在东北或者南方偏远山区集中采集风能和太阳能，利用超级电容缓存电能，通过电缆直接并入35 kV高压线路，输送到邻近城区。大规模能源并网由于需电网线路输电，因此要求发电质量、规格、规模都符合电网输电标准，才能在输电线路上正常传输。大规模能源并网电源装机容量较大，以“向外送电”为主，在夜间或无风等不满足发电条件下，也需要从电网获取电能满足电站自身的运转，因此计量的双向性测量需保证精准才能保持能量来回输送的平衡。

    为了保证计量过程的精准性以及计量设备部署的经济性，同时考虑大规模能源的接入点位置以及接入电压等级等，针对不同的电压接入点应有不同高压计量方式，相应的设备性能也要根据实际运行工况来确定。本文探讨更优化的方式来解决大规模能源的计量问题。

1  大规模新能源并网特点

    建设大规模新能源主要目的是把偏远区域的宝贵能源充分开发利用起来，由于当地缺少居民住户，只能将能源远距离送点到邻近地区或缺电城市消纳。新能源开发的模式以及不同能源转换过程中的差异性是存在的，即使进行了能量逆变统一，但是在电流、电压参数方面还是有略微的偏差，一般偏远地区的电网网架也较薄弱，一点偏差会有较大影响；而电网计量系统是以参数精准性为前提，能源并网运行中面临的各种问题都会影响计量的准确性。下面综合分析下并网过程中的特点和缺陷。

    （1）双向性和间歇性：大规模新能源作为电网的能源补充方式，和传统的发电厂形式不一样，电厂发电作为独立的系统不需从输电线路中取电充电，新能源发电时潮流方向只是指向用户一段，但在无法发电时段，就需电网补给供电，常规电网单向计量模式无法适应双向计量，在计量上需改造成上下行同时可发送控制信息。一般新能源发电都会受季节和时间的影响，例如在风力充足的冬季夜间和阳光充足的夏季白天，风电机组和太阳能电池基本是满负荷工作，而之外的时间发电能力较弱或者基本电量为零。

    （2）无功电压不稳定：在大功率能源集中供电时，会给输电网造成很大的冲击，功率波动突然变大，可能导致电网电压波动性增加，从而失去稳定性。尤其是风能这种能源介质具有随机性和波动性，很容易无法预测其电网潮流，无功电压的波形出现骤升或骤降的可能，进而导致邻近电厂的网络出现过电压或欠电压动作而导致连锁脱网故障，影响范围无法估计。因此需通过设置合理的计量方式预估电压变化幅度，调和局部电压变化压力。

    （3）稳定性差和发电效率不高：清洁能源之所以前期没有被大量开发，主要原因在于电能转换效率低，以效率换取能源的开发是不合理的，但目前考虑环境问题，所以将清洁能源作为主要补充手段，尽力增大能源转化效率。风轮的理论最大效率为 59.3%，而实际的效率则更低，水平轴的风轮机实际效率通常在 20%~50%，垂直轴风轮机的最大效率在30%~40%。因此通过计算能源转化效率来预测可开发能源量，数据作为电网潮流平衡计算的重要依据。大容量能源并网后会给电网稳定运行带来一定影响，尤其在发生并网故障时，同步机组功率极限值的变化对同步机组功角值的恢复产生影响。

    （4）调频控制能力差：国家电网公司印发了关于风能和太阳能并网接入的技术规定，对电源的总容量、电压等级及时频范围进行了规范。并网过程中也会影响电能频率的变化，出现频率控制的问题。需通过参与电网的电源容量同步调频，利用功率预测手段，实现有功功率自动控制，预测的精准性还需计量装置的配合。

    （5）送电量受网架质量限制：清洁能源发电站附近的网架一般比较薄弱，有时对于大规模送电无法支撑，往往出现送出的能力低于额定送出功率，对发电端设备是一种劳损。可通过灵活设计周边网架输电路由及策略，提升发电效率。

2  针对新能源并网计量应对措施

    通过对新能源并网特征进行全面分析，发现很多问题都需要计量手段去配合和控制才能提升并网的性能。电能计量是在发电过程中，通过一定的设备记录下流过设备的电量，送端作为送电的可行性的依据，收端作为电费消纳的依据。计量装置针对不同的应用场景配置也不会相同，共有5类计量装置，分别为有功电能表、无功电能表、电压互感器和电流互感器，其准确度等级各不相同，其中，0.2 级的电流互感器仅是指发电机出口处所配备的电能计量装置，S是特殊用途的电能表的精度标准。在小负荷的情况下，S 级电能表与非 S 级电能表的主要区别在于对轻负载计量准确度的要求不同，S 级要比非 S级具有更高的测量精度。因此大规模的并网发电选择电流互感器计量装置，并网时会带来一些不确定因素造成计量不准确，需采取相应的措施。

    （1）应对谐波：新能源并网时需要辅助大量的电力电子元件参与控制和运行，发电机组都会引起电流和电压的畸变，所谓的谐波产生。谐波的产生会造成设备寿命的损耗而且会导致设备的误动，危害性很大。拿风力发电产生谐波的过程来描述：风电产生谐波的设备有电源、逆变器、整流器等，当风机运转时，这些电力电子元器件一直处于交直交变频状态，在转变过程中，会出现谐波的干扰，导致直流转交流时并非为正弦电压波形，而是含有频率宽带不一致的含有谐波的交流电流。从硬件设计上可选择提高逆变器切换速度来减少谐波的含量；从计量手段上来分析，可采用频段较宽的电流互感器作为计量设备，或者通过功率预测，测量出基波和谐波所占比例，当谐波值超出一定阈值时则对电能进行抑制，不影响整体电能质量。

    （2）应对频偏：一般当新能源并网时，系统频率会突然增加，在接入电网或离网的拉/合闸过程中会产生较大的冲击电压，会对电能计量设备造成不良影响。可通过截频滤波方式或频率检测方式，在不满足电能质量标准时禁止并网。

    （3）应对无功电压控制安全问题：针对大规模新能源基地无功电压控制问题，已研究出了各种控制手段，如通过设计类似AVC的控制系统来协调控制场内无功设备，保障电厂出口电压安全；结合功率预测的无功电压控制技术，将预测结果引入控制策略，利用动静态调节手段对电压进行大小幅度补偿等。以上采用的技术都要基于电网计量设备的测试值，因此计量的准确性是要解决的关键问题，在计量侧增加各类测试参数，为电网控制提供更多参考基础数据。

3  新能源并网要求及计量方式

3.1  并网技术要求

    大规模能源并网时，由于转化电能量级较大，会对电网产生较大的冲击和潮流方向架构的变化。电网为保障自身运行的可靠性和经济性，会对地方性大型能源并网提出补充要求，如针对容量、电能电压质量、谐波含量等都有相应标准规范。具体要求说明如下。

    （1）并网电压要求：大规模能源并网时，应充分选择合适的配变电系统对接，电压等级应保持一致，不需进行降压处理，在进入输电线路时应考虑架构落后等原因选择输送容量的大小，会有限流的可能，一定不能超过输送容量限制量。

    （2）接入比例：新能源开发技术还不够成熟，就目前情况依然以常规发电为主。电网规划会在前期做好潮流计算，每个城市有各自用能饱和度，新能源接入容量会有一定比例要求，开发过多会导致能源无法消纳而造成浪费。参考国外常规能源和新能源应用比例来看，容量应不大于30%。

    （3）电能质量：电能质量是电能入网的最基本要求，电网也根据输电设备及电缆特性研究制定了多项相关规范和标准，衡量电能质量是否达标可以将电能的电压、电流、功率是否在标准范围内，谐波产生方式及量级大小是否在可控范围内等作为依据。相应的标准主要包括：GB12325-90《电能质量供电电压允许偏差》，GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》，GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》，GB/T15945-1995《电能质量电力系统允许频率偏差》，GB/T18481-2001《电能质量电能暂时过电压和瞬态过电压》等。

    （4）继电保护配置：大规模新能源其实等同于一个小型变电站，电网对安全保障要求很高，站内都配置了继电保护设备，主要是对线路、母线等一次设备进行跳闸保护，在并网线路上需装设同方向过流过压保护装置，一旦发现发电机容量、电压等级、接口类型等不符合初始配置要求，则立即发生保护动作，以此提高供电的可靠性。

3.2  并网计量新模式

    大规模并网相对分布式能源并网更加复杂，大部分开发的电能需外送到其他地区，因此在进入高压电网时需设置计量点，核算远送电量的大小。正如前面所描述新能源并网具备双向性，在发电高峰期以向电网送电为主，需设置一个计量装置；在发电淡期，以电网向站点送电为主，也需要设置一个计量装置，因此并网采用双向计量方式，需部署两个计量装置。根据部署关口位置的不同，有3种较典型的设置方式，如图1所示。

    方式一仅在进入高压电端线路两侧设置正反向计量点，正向计量新能源电站向电网输送的电能量，反向计量电网向电站输送的电能量。采用的计量装置为电流互感器，电流互感器应设置两组抽头，并分别进行调校；光伏阵列发电产生的电能通过母线传输到高压电网，一般对上下行能源潮流比例会有一定控制，计量装置则控制关口能源量数值，一般上行进电量在30%~50%之间，下行控制在小于10%。

    方式二为对称式双点设置，分别在邻近接入变电站和光伏发电站部署计量点，在发电站侧部署的是计量并网电量，在变电站侧计量的是向发电站补充的电量。这样计量，可以考虑新能源发电优惠政策，两个计量点电能售价不一样，新能源电价低一些，这样通过差级比较，能计算节省电量的比例。

    方式三可称之为三点设置方式，综合了方式一和方式二的优势，同时考虑了站内用电的损耗及电价优惠政策。在3点都设置了计量设备，M3可以控制总线路上的潮流方向，能及时通知M1和M2开启计量工作。电站发电所得电费为：

式中，k₂为电网销售电价，k₁为新能源发电上网电价，W₃为M3表计量的电能量，W₂为M2表计量的电能量，W₁为 M1表计量的电能量。

    新能源发电高压并网电能计量点的3种设置方式各有特点：单点设置方式所需的计量设备数量最少，但对设备的调校要求较高；双点设置方式所需的设备数量多于单点方式，但对设备的调校要求低于单点方式；三点设置方式所需的设备数量最多，对设备的调校要求与双点方式相同，但该方式能区分站用电消耗的来源，可以配合国家对新能源发电的鼓励政策。因此应平衡建设资金及应用需求，在投资充足的情况下，尽量选择方式三，激励用户采用清洁能源，提升国家环保系数。

4  结论

    新能源并网是未来的能源提供的主流方式，将逐步替代常规能源，保障我国的能源可持续发展。新能源并网核心工作是确保计量方式的可靠性及安全性，计量数据的准确性是判断新能源电能是否能进入电网的唯一标准。新能源的多样性及开发设备的差异性，容易导致开发的电能中产生不确定因素，通过在重要的电能出口或入口关口处部署合理的计量装置，当发现电能存在异常时，立即关闸切断并网入口，直到测试达标后才能进入电网。本文提出了3种计量配置模式，可根据现场建设需求选择恰当的方式解决大规模能源安全并网问题。

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作者信息:

李  翀1，李  蕊2，刘林青1，李  兵1，韩桂楠1，王锦腾1

（1. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄050011；

2. 国网北京电力科学研究院，北京 100075）