1.1.3 新能源发电技术的发展

1.实际电网的复杂特征

新能源发电系统所接入的交流电网往往存在三相电压不平衡、谐波电压畸变等非理想运行状态。当新能源发电系统运行于此类非理想电网下，会导致新能源发电系统运行性能下降，一方面新能源发电质量会有所下降，恶化电网安全稳定的可靠性能；另一方面恶劣的电能质量也会对新能源发电系统本身的安全运行造成威胁。我国电网对新能源并网系统的运行提出了明确的要求，例如对于风电机组，国标明确指出：由于电网线路阻抗的不对称，电网电压允许存在一定的不平衡分量，在这种情况下风电机组需要能够承受长期2%、短时4%的电网电压不平衡，同时输出平衡电流。此外，由于电力电子装备在电力系统中的比例逐年增大，具有非线性工作特性的电力电子器件大量被使用，导致电网电压中除了不平衡分量之外，还会有一定的谐波分量。为确保电网安全稳定可靠运行以及新能源发电系统的运行安全性，我国建立了相应的新能源并网技术标准，要求新能源机组能承受一定的电网谐波电压，且对输出电流谐波分量有相应的要求。此外，实际中新能源发电系统可接入直流电网或交流电网，直流电网主要可分为基于电网换相换流器的常规高压直流系统、基于电压源型换流器的柔性直流输电系统和同样基于电压源型换流器的直流微电网，直流电网的运行特征也对接入的新能源发电系统提出了新的要求和挑战。针对新能源发电系统非理想电网条件下的运行控制方法研究，对新能源的推广有显著推动作用。

2.故障穿越技术

新能源发电系统的故障穿越是指新能源发电机组能够成功穿越一定时间段内的一定程度的电网电压故障，保持风电机组在故障期间不脱网运行，避免大量机组脱网给电网安全带来负面影响甚至电网崩溃的危险。因此新能源发电机组必须具备故障穿越能力。在各种新能源发电机组中，风力发电故障穿越的问题具有重要的理论和实际意义，关系着风力发电的进一步发展，是风力发电大规模并网运行的关键技术之一。在众多的风力发电拓扑结构中，由于双馈风电机组具有的诸多优点和良好的运行性能，其一直占据着世界风电市场的主要份额，是国际风力发电机组研制的主流技术之一。然而，和其他结构的机组相比，双馈感应电机风电系统的故障穿越能力最具挑战性，主要是双馈感应电机定子绕组直接接入电网而导致的对电网故障尤其是电压故障特别敏感和有限的变换器容量造成的。因此，改善风电机组故障期间的暂态行为以满足现代电网所提的故障穿越要求正在成为广泛关注的焦点，具有重要的理论和实际意义。

新能源发电机组主要面对的电网故障包括电网频率故障和电网电压故障两大类别。其中电网电压故障根据故障后电网电压是否对称可划分为对称电压故障和不对称电压故障。电网中负序基波电压与正序基波电压之间的比例被称为不平衡度，对于不平衡度超过2%的故障通常被认为是不对称电压故障。对于不同类别的电网故障，各国规定了不同要求的新能源发电机组的故障穿越能力要求。

3.稳定运行与振荡抑制技术

随着新能源发电机组大规模接入电网，新能源发电系统并网运行稳定性问题得到了广泛关注。基于电力电子技术的新能源发电系统大量接入，新能源设备与电网阻抗特性的不匹配会使得新能源设备与电网的互联系统存在振荡失稳风险。振荡现象会导致系统对新能源消纳能力下降甚至局部电网崩溃，其产生原因是新能源发电系统与电网所构成的互联系统稳定裕度不足。因此，需要对新能源发电并网运行系统进行稳定性分析，以确保互联系统具有足够的稳定裕度。

现有研究提出了多种针对风电并网系统振荡问题的理论分析方法，主要包括特征值分析法、幅相动力学分析法、阻抗分析法等。基于谐波线性化的阻抗建模是一种常用的新能源发电系统阻抗特性理论分析方法，可分析系统的稳定薄弱点、稳定裕度及失稳机理，为稳定运行与振荡抑制提供理论基础。阻抗分析法将互联系统视为新能源发电系统子系统与电网子系统，并获取两个子系统的阻抗模型，通过判断两者的阻抗比是否满足奈奎斯特稳定性判据，分析系统的稳定性。由于阻抗分析法只需要基于系统的端口特性来判断系统的稳定性，而不需要知道系统内部的详细信息，因此实际应用较为简便。目前，阻抗分析法已广泛应用于各类新能源发电系统接入后系统的稳定性分析，而准确获取新能源发电系统的阻抗特性是稳定性分析中的重要环节。

振荡抑制技术则通过修改新能源发电系统的阻抗特性来将失稳的系统恢复至稳定运行，或用于提升薄弱点的稳定裕度。目前常用的振荡抑制方法有优化控制参数与阻抗重塑技术。

4.储能技术

随着新能源发电系统大规模接入电网，风电、光伏等新能源占比持续提升，这将造成两大挑战：①发电侧间歇性、波动性加大，发/用电失衡概率大幅提升；②电力系统可调容量、惯量下降，系统应对失衡的能力弱化。储能是实现高比例新能源接入后，电力系统保持安全稳定运行的重要选择。

储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种功能，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。近年来，我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。国家针对储能的发展也制定了商业化、规模化和市场化发展的明确规划。