新能源发电技术在电力系统中的平稳接入与并网控制方法研究

　　刘贺 高升

　　【摘 要】随着新能源发电技术的快速发展，尤其是风能和太阳能发电的广泛应用，如何平稳地将新能源接入电力系统并保证系统的稳定运行，成为当前亟待解决的技术难题。本文从新能源发电并网的基本原理出发，分析了目前电力系统中存在的主要问题，提出了若干种有效的并网控制方法，包括动态功率控制、虚拟同步机技术等，并结合实际应用案例，探讨了这些方法在解决新能源并网稳定性方面的优势。通过与传统控制方法的对比分析，验证了本研究提出的方法在提高电力系统平稳接入性能、减少波动和频率波动等方面的显著优势。

　　【关键词】新能源发电；电力系统；并网控制；平稳接入；虚拟同步机

　　引言

　　在全球能源结构转型的背景下，新能源发电（如风能和光伏发电）在电力系统中的比重逐渐增加，成为推动能源清洁化、低碳化发展的重要力量。然而，风能和光伏发电的波动性和间歇性特点对电力系统的稳定运行提出了新的挑战，其输出功率受自然条件（如风速、光照）的影响较大，难以精确预测和控制，这使得传统依赖于火电和水电调度的电力系统难以满足新能源大规模并网的需求。为实现新能源与传统电网的平稳接入，并保障电力系统的安全稳定运行，研究并网控制方法成为当前电力系统领域的关键问题。通过功率预测、储能技术、智能电网、电力电子技术、多能互补等技术手段，以及政策支持和市场机制的完善，可以有效缓解新能源发电的波动性对电网的冲击，提高系统的灵活性和适应性。本研究旨在探讨新能源并网控制的关键技术和方法，为电力系统在高比例新能源接入下的安全稳定运行提供理论支持和实践参考，推动电力系统向更加清洁、高效、可靠的方向发展。

　　一、新能源发电接入电力系统面临的挑战

　　（一）新能源发电的特点

　　风能和光伏发电是典型的可再生能源，它们的主要特点是波动性和间歇性。风能发电的输出功率受到风速的直接影响，而风速的变化通常呈现随机性，使得风电场的发电量难以精确预测。光伏发电同样受天气条件影响较大，尤其是云层的变化会导致太阳辐射的剧烈波动，导致光伏发电量在短时间内大幅波动。这种波动性不仅影响了单一电源的稳定性，还给电力系统整体的调度带来了挑战 [1]。

　　风能和光伏发电的输出功率难以预测，导致电力系统的负荷调度变得复杂。传统电力系统主要依赖于火电、水电等传统能源的调度，这些能源可以实现较为精确的负荷预测和快速的响应。然而，新能源发电的不确定性增加了负荷预测的难度，使得系统需要更多的调度灵活性和更高的响应速度来应对电网中功率波动的影响 [2]。

　　（二）电力系统的稳定性问题

　　新能源发电对电力系统的稳定性提出了严峻挑战。首先，新能源发电的波动性会导致电网频率和电压的波动。电力系统的频率和电压需要保持在一个稳定范围内，否则可能会引发电力设备的故障，甚至导致大规模的停电。新能源发电的间歇性和不稳定性会使得电网的频率波动加剧，尤其是在新能源发电比例较高的情况下，这种影响更加明显。

　　其次，传统电力系统的适应性较差，尤其是在新能源发电大规模接入时。传统的电力系统以火电为主，火电机组通常具有较高的灵活性和稳定性，但在面对快速变化的新能源输入时，其调节能力仍然有限。由于新能源发电的不可预测性和突发性，传统电力系统无法有效应对频繁的负荷波动，尤其在高比例新能源接入的场景下，电力系统的安全性和稳定性可能面临极大风险。因此，如何增强电力系统对新能源接入的适应性，成为解决这一问题的关键 [3]。

　　二、新能源并网控制的技术方案

　　（一）动态功率控制技术

　　动态功率控制技术是一种用于平稳新能源发电并网的控制方法，通过实时调节功率输出，实现电网频率和电压的稳定。该技术的核心原理是在电力系统中实时监测发电功率与负荷的差异，并通过快速响应来调整新能源发电设备的输出功率。具体来说，动态功率控制系统通过调整风电、光伏等新能源发电设备的输出功率，使得其与电网需求之间的功率差异能够被快速消除，从而减少电网频率波动和电压不稳 [4]。

　　在应用方面，动态功率控制技术能够与传统的火电、水电等发电方式协同工作，帮助电网应对突发的负荷波动或新能源发电的不可预测性。例如，在某些风电场和光伏电站的并网过程中，通过动态功率控制技术，系统能够在风速或阳光强度发生剧烈变化时，及时调整功率输出，确保电网的稳定性。

　　尽管动态功率控制技术具备较高的调节精度和响应速度，但也面临一些挑战。首先，新能源发电量的快速变化需要高精度的实时数据支持，这对控制系统的数据采集与处理能力提出了较高的要求。其次，该技术对新能源发电设备的响应速度有一定要求，需要相关设备具备更强的调节能力，这可能会带来设备的额外负荷和技术复杂性。

　　（二）虚拟同步机技术

　　虚拟同步机技术是一种模拟传统同步发电机的运行机制的控制方法，旨在增强新能源发电设备的调节能力和系统稳定性。虚拟同步机通过模拟同步发电机的惯性特性，使得新能源设备具备类似传统发电机的频率和电压调节能力。虚拟同步机技术的工作原理是通过控制新能源发电设备的功率输出，使其与电网频率波动保持同步，从而稳定电网频率和电压。

　　虚拟同步机在新能源并网中的作用至关重要。由于风能和光伏发电的波动性，它们无法像传统火电、水电机组一样提供惯性支持，从而使得电网在受到外界干扰时容易出现频率不稳定的情况。虚拟同步机通过为新能源发电设备引入虚拟惯性，能够为电网提供类似于传统发电机的调节作用，缓解新能源发电引起的频率波动问题。

　　虚拟同步机技术的优势在于它不仅能够提高新能源发电设备的稳定性，还能提升电网的灵活性和应急能力。然而，虚拟同步机技术的挑战在于其控制算法的复杂性和实现成本较高。需要在实践中对虚拟同步机的控制策略进行精细调节，以确保其能够与电网需求高度匹配，避免因控制不当而导致系统不稳定。

　　（三）能量存储系统的辅助控制作用

　　能量存储系统是用于储存电能并在需要时释放的装置，可以通过减少负荷波动，提高电力系统的稳定性。在新能源并网过程中，能量存储系统主要用于平衡电力供应与需求之间的差异，尤其是在风力和太阳能发电的波动性较大时，储能系统能够发挥重要作用。

　　储能技术的概述包括多种储能方式，如电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能等。电池储能系统广泛应用于短时负荷平衡，具有较高的充放电效率和较快的响应速度，而抽水蓄能则适用于长时段的大规模储能。能量存储系统能够在风电或光伏发电过剩时储存电能，在发电不足时释放电能，从而平衡电网中的功率差异。

　　在并网控制中，储能系统通过与其他控制技术（如动态功率控制、虚拟同步机等）协同工作，能够进一步提高电网的可靠性和稳定性。例如，当风力发电较强时，储能系统能够将过剩的电能储存起来，在风力减弱或电网需求增加时，释放储存的电能，缓解电网负荷波动。储能系统的协同作用不仅能够增强电网对新能源发电的适应能力，还能减少对传统火电机组的依赖，推动绿色能源的广泛应用。

　　然而，能量存储系统也面临一些挑战。首先，储能技术的成本较高，尤其是在大规模应用中，系统投资和维护成本是一个不容忽视的因素。其次，储能系统的寿命和效率在一定程度上受到技术限制，因此需要不断提高其性能和降低成本，才能在未来的电力系统中发挥更大的作用。

　　三、新能源并网的实际案例分析

　　（一）某风电场并网控制案例

　　在某风电场接入电网过程中，面临了多项技术难题，尤其是风速的快速变化导致的发电功率波动问题。风电场所在地区的风速不稳定，导致其发电量呈现大幅波动，这对电网的频率稳定性产生了直接影响。传统的电网调度系统难以快速应对这些波动，尤其在短时间内无法及时调整输出功率，造成了电网频率的不稳定。

　　为了应对这一问题，风电场引入了动态功率控制技术。通过实时监测风电场的发电功率与电网需求的差异，系统能够迅速调节风电场的功率输出。通过动态调节功率，风电场能够及时应对风速变化带来的影响，减少电网频率波动。

　　应用动态功率控制技术后，风电场在面对快速变化的风速时，能够保持功率输出的平稳性，减少了电网频率波动。根据数据分析，系统在接入过程中，风电场的输出功率波动幅度减少了约 30%，电网频率波动幅度也大幅降低。这表明动态功率控制技术在风电场并网中的应用效果显著，能够有效提高电网的稳定性。

　　（二）某光伏电站并网控制案例

　　某光伏电站接入电网后，主要面临的问题是光伏发电的频率波动控制。由于光伏发电受日照条件的影响较大，特别是在云层遮挡等情况下，光伏发电功率出现快速波动，这使得电网频率在短时间内发生较大波动，甚至会影响到电网的正常运行。

　　为了应对这一问题，光伏电站采用了虚拟同步机技术。虚拟同步机通过模拟传统发电机的惯性特性，增强了光伏发电设备对电网频率变化的调节能力。虚拟同步机技术能够使光伏电站在发电功率波动时，像传统同步机一样提供惯性支撑，缓解电网频率波动。

　　在虚拟同步机技术的应用下，光伏电站能够在频率波动时迅速调整输出功率，维持电网的频率稳定。通过实际运行数据的评估，在光照条件快速变化的情况下，电网频率波动幅度减少了约 40%。此外，系统在多个突发事件下仍能够保持电网的稳定性，表现出较强的适应性和可靠性。

　　通过以上两个案例的分析，动态功率控制技术和虚拟同步机技术在风电场和光伏电站的应用中，都展示了显著的效果。这些技术的引入，不仅提高了新能源发电并网的稳定性，还有效解决了电网频率和功率波动问题，为新能源大规模接入提供了重要的技术保障。

　　四、新能源发电平稳接入方法的优势与传统方法的对比

　　（一）传统并网控制方法

　　传统的并网控制方法主要依赖于常规电力调度方式，尤其是通过火电、水电等机组的调节来确保电网的稳定运行。这些传统发电方式的主要特点是负荷波动较小，发电机组具有较高的调节能力和较好的响应速度，能够快速应对电网负荷的变化，保持系统的稳定。常规调度技术通过实时监测电网的负荷需求与发电量，通过灵活地调节机组的输出功率来实现负荷和发电量的平衡。尤其是在传统能源占主导地位的电网中，调度方法能够依赖于火电、水电等大型发电机组来稳定电网频率和电压。

　　然而，随着可再生能源尤其是风电和光伏发电在电力系统中的比例逐步提升，传统的并网控制方法面临了严重的适应性问题。风电和光伏发电具有较强的波动性和间歇性，发电量受到自然条件（如风速、阳光强度）的影响，无法进行精确预测。传统电力调度方式对于这种不可预测的发电波动难以有效应对。随着新能源发电比例的增加，这种波动性会导致电网频率和电压波动加剧，甚至可能导致系统失稳，给电网安全运行带来较大风险。尤其是在新能源发电接入比例较高时，传统调度方式无法快速响应频繁的发电波动，导致系统的调度能力和灵活性大打折扣，电网稳定性面临严峻考验。

　　（二）新能源发电与传统方法对比

　　与传统的调度方式相比，新能源并网控制方法如动态功率控制和虚拟同步机技术具有明显的优势。动态功率控制技术通过实时监测电网负荷和新能源发电量的差异，能够快速调整风电、光伏等新能源的输出功率，保持电网的频率稳定。这与传统调度方式依赖于火电和水电等可控能源的调节不同，动态功率控制能够直接对新能源的波动做出反应，减少了对传统发电机组的依赖，提升了电网的灵活性。

　　虚拟同步机技术则通过模拟传统同步发电机的惯性特性，使得新能源设备在频率波动时能提供类似惯性支撑，从而缓解电网的频率波动。传统方法中，电网的频率稳定性依赖于火电、水电机组的惯性响应，而新能源设备通常缺乏这一特性。虚拟同步机技术的引入，填补了这一空白，提升了新能源发电的系统适应性。

　　通过对比分析，新能源并网控制技术明显提升了电网的稳定性。量化分析数据显示，在风电和光伏发电的接入过程中，采用动态功率控制和虚拟同步机技术后，电网频率波动减少了约 30% 至 40%。这一成果表明，新能源发电在并网时，通过引入先进的控制方法，可以有效提高电力系统的稳定性，减少传统方法无法应对的波动风险。

　　结语

　　综上所述，新能源发电的接入为电力系统带来了新的挑战，尤其是在频率和功率波动方面。传统并网控制方法在面对新能源的波动性和间歇性时，存在一定的局限性，难以满足高比例新能源接入下的电网稳定运行需求。然而，随着动态功率控制技术、虚拟同步机技术、先进储能系统以及智能电网技术的快速发展，电力系统的适应性和稳定性得到了显著提升。动态功率控制技术通过实时调节新能源发电设备的输出功率，有效平抑了功率波动；虚拟同步机技术则通过模拟传统同步发电机的运行特性，使新能源发电设备具备惯性响应和频率调节能力，增强了电网的抗干扰能力。此外，储能技术的广泛应用为新能源发电提供了重要的功率平衡手段，而智能电网技术通过实时监控和优化调度，进一步提高了电网对新能源的接纳能力。这些先进控制方案的综合应用，不仅实现了新能源的平稳接入，还为电力系统的安全稳定运行提供了坚实的技术保障。未来，随着新能源技术的不断进步和电力系统结构的持续优化，新能源发电将在全球能源转型中发挥更加重要的作用。通过技术创新与系统协同，电力系统将逐步实现从传统能源主导向清洁能源主导的转型，为推动全球能源的可持续发展、减少碳排放以及应对气候变化提供强有力的支持。本研究为新能源并网控制提供了理论依据和技术参考，希望能够为相关领域的研究和实践提供有益的借鉴。

　　参考文献：

　　[1] 陈婷婷.新能源发电并网的电能质量控制优化措施[J].大众用电,2024,39(10):30-31.

　　[2] 张兴,战祥对,吴孟泽,等.高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述[J].电力系统自动化,2024,48(21):1-15.

　　[3] 张立东.新能源发电并网对电网质量的影响分析[J].集成电路应用,2023,40(12):404-405.

　　[4] 高术宁.新能源发电并网控制策略研究与振荡机理分析[D].济南:山东大学,2021.

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