新能源接入下的變電運維挑戰與解決方案探討

韓 鹍

（國網渭南供電公司，陜西渭南 714000）

隨著全球氣候變化和環境保護意識的日益增強，新能源作為清潔、可再生的能源形式，正逐漸成為未來能源發展的重要方向。然而，當新能源大規模接入傳統電網時，由于其天氣依賴性、間歇性和不穩定性等特點，為變電站的運維帶來了前所未有的挑戰。為滿足社會對穩定電力供應的需求，電網系統須能夠適應這種變化，確保電力供應的穩定性和可靠性。因此，探討新能源接入下的變電運維挑戰及其解決方案，對于確保新能源與傳統電網的和諧共存、提高電網的穩定性和可靠性至關重要。

1 新能源接入的主要形式與技術特點

在全球能源轉型的大背景下，新能源技術逐漸成為未來能源發展的重要趨勢，該技術不僅對環境影響較小，且其再生性有助于解決當下對傳統化石燃料的依賴問題。從太陽能到風能，再到各種儲能技術，新能源技術日趨多樣化和成熟，其接入形式如圖1所示。

圖1 新能源接入電網形式示意

1.1 太陽能光伏

太陽能光伏技術是利用半導體界面的光伏效應，將太陽能轉換為電能的技術。當太陽光照射到光伏電池上，光子與半導體中的硅材料產生相互作用，激發出游離的電子和空穴。這些電子和空穴在內部電場的驅動下移動，形成電流并輸出電能。隨著技術的進步，光伏材料從單晶硅、多晶硅發展到薄膜材料和高效率的異質結材料。為提高整體系統的能量轉換效率，現代光伏系統不僅關注電池本身的性能，還對最大功率點跟蹤（MPPT）技術、逆變器技術和系統集成進行了大量的研究與優化。盡管光伏技術能夠提供一種清潔、可再生的能源解決方案，但其間歇性和天氣依賴性也為電網的調度和穩定運行帶來了挑戰。

1.2 風能

風能技術是通過風力驅動風機葉片旋轉，從而將風的動能轉化為機械動能，進一步通過風力發電機轉換為電能的技術。風能的最大特點是其可再生、清潔且在適合的地理位置下資源豐富。風機主要分為水平軸和垂直軸兩大類，而現代大型風電場主要使用的是三葉片水平軸風機。隨著技術的發展，風機的設計已實現了高效率、低噪音和最小化影響環境。為提高風電的輸出穩定性，現代風電系統還配備了先進的葉片調節系統、風速和風向預測技術、以及與電網的無縫集成技術。盡管風能可提供巨大的電力來源，但其強烈的間歇性和不可預測性對電網的穩定運行提出了挑戰，特別是在風能占電網總供電比例高的情況下。

1.3 儲能技術

儲能技術是近年來新能源領域的關鍵技術之一，其解決了太陽能和風能等新能源間歇性和不可預測性所帶來的挑戰。儲能技術使得能量可在產生時被捕獲，并在需要時被釋放，從而提供電網的平穩運行和調度靈活性。主流的儲能技術包括化學儲能，如鋰離子電池、固態電池等；物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣蓄能等；熱能儲存，如相變材料和熱鹽儲存。其中，鋰離子電池因其高能量密度、長壽命、快速響應特性在短時調峰和頻率調節中展現了巨大潛力[1]。而抽水蓄能則在大規模、長時的儲存和放電中具有較大優勢。

1.4 其他新能源形式

除太陽能、風能和儲能技術，新能源領域還擁有多種其他創新形式，具體如下：①生物能源。例如，生物質和生物燃料，利用有機物質生產能量，不僅可減少溫室氣體排放，還可提供可再生的替代能源來源。②潮汐和波浪能源。利用海洋的動態能量，通過特定的機械結構捕獲和轉化為電力。③地熱能源。另一種可持續能源形式，直接利用地球內部的熱能來產生電力或供暖。④氫能。其作為一種清潔能源，通過電解或化學方法從水或其他化合物中提取，被認為是未來的重要能源載體。這些新能源形式不僅豐富了能源結構，還為減少溫室氣體排放、提高能源效率及確保能源安全提供了創新的解決方案。

2 變電運維面臨的挑戰

2.1 接入容量與變電站容量的匹配問題

在新能源大規模并網的背景下，接入容量與變電站容量的匹配問題日益凸顯。某地區在過去的3a 中，接入的風能容量逐年增長，而相應的變電站的實際容量卻未能同步增長（如圖2所示），導致了超載比例逐年上升，從2020年的12.5%增至2022年的38.9%。

圖2 某地區風能接入容量與變電站實際容量對比

風能作為一種間歇性強、波動性大的新能源，其接入的穩定性對電網穩定性至關重要。但當風能并網容量超過變電站的設計容量時，不僅可能導致設備過熱、損壞，還可能因超載引發電網保護裝置的誤動作，甚至可能導致局部或整個電網的失穩。因此，針對風能這一特定的新能源，確保其接入容量與變電站容量的精確匹配，不僅是保障電網安全和穩定運行的前提，更是提高風電并網效率，降低維護成本的關鍵環節。

2.2 新能源的間歇性與不穩定性

風能和太陽能產能受自然條件的強烈影響，表現出明顯的間歇性和不穩定性。以太陽能光伏發電為例，其間歇性和不穩定性是電力系統運維面臨的主要挑戰之一。太陽能光伏發電的輸出與太陽輻射強度直接相關，但太陽輻射受云層覆蓋、季節變化和日夜循環的影響，會導致光伏發電系統的輸出具有明顯的時間和空間變異性。例如，當太陽被厚重的云層遮擋時，光伏板的發電量會急劇減少，而當云層散去時，發電量又會迅速恢復。這種快速變化對電網穩定性帶來了挑戰，可能引發電壓和頻率的波動[2]。此外，光伏發電的日夜循環特性意味著在夜間無法產生電能，而在日照充足的午后，其產生的電能可能超過電網的需求。因此，這種間歇性和不穩定性要求電力系統具有良好的調度能力和足夠的備用容量，以確保電網的穩定供電。同時，這也加大了儲能技術和先進電網管理策略在整個系統中的重要性。

2.3 保護與控制系統的復雜性增加

隨著新能源大規模并入電網，變電站的保護與控制系統面臨著日益增長的復雜性，具體如下：①與傳統發電方式相比，新能源的功率輸出特性、短路電流特性及其對電網故障的響應機制都存在差異，要求保護與控制系統須進行相應的適應性設計和調整；②多源并入意味著電網結構更為復雜，故障點可能性增加，導致保護策略需要更高的靈敏度和選擇性；③為最大化新能源的利用，電網經常需要運行在非傳統或非最優狀態，進一步增加了系統的控制復雜性。與此同時，為確保電網的穩定和安全，保護和控制策略須能夠實時響應并處理新能源的快速變化和可能的故障。因此，現代變電站的保護與控制系統不僅需要具備高度的智能化和自適應能力，還要能夠與其他系統（如能源管理系統、分布式控制系統等）進行有效的信息交互和協同工作。

2.4 電網安全與穩定運行問題

隨新能源大規模并網，電網安全與穩定運行面臨前所未有的考驗。新能源的間歇性和隨機性導致電網供需平衡難度增大，易引發頻率和電壓波動。此外，多數新能源電站采用電力電子接口，其短路容量低，不易為系統提供足夠的慣性，使得電網對外部擾動的抗干擾能力減弱。同時，電力電子設備可能引入次諧波和諧波，對電網的電能質量產生不良影響。還需考慮大規模新能源接入可能導致傳統保護裝置誤動作或失靈，從而加大故障隔離和服務恢復難度的情況。因此，為維護電網的安全穩定運行，電網規劃、調度、保護和控制策略都須進行全面的創新和優化，確保在高比例新能源接入的情況下，電力系統能夠有效應對各種異常情況，確保供電的穩定性和安全性。

3 技術性解決方案

3.1 高效的電能質量監控技術

為應對新能源接入帶來的電能質量問題，高效的電能質量監控技術顯得尤為關鍵：①采用高精度、寬帶寬的采樣技術，確保能準確捕捉到次諧波、瞬時電壓峰值等短時異?，F象；②通過先進的實時信號處理技術，如小波變換、短時傅里葉變換，對信號進行頻率分解，實時檢測和定位電網中的諧波、電壓波動、頻率偏移等問題；③智能診斷算法可自動分析數據，判斷電能質量異常的原因及其可能影響，從而為操作員提供決策建議；④采用邊緣計算和云計算的混合架構，可實現數據的快速處理與分析，保證監控系統的實時性。

3.2 動態調度與優化策略

針對新能源的接入導致的電網運行復雜性增加，動態調度與優化策略的引入成為電網穩定運行的關鍵。采用先進的深度學習技術，基于歷史數據訓練出電網運行的預測模型，通過此模型對新能源輸出、負荷波動等進行短期和中期預測。結合實時電網運行狀態，這些預測數據會被輸入到優化引擎中，該引擎采用多目標優化算法，如遺傳算法或粒子群優化，以確保電網的經濟運行、最小化線損和維持電壓穩定。得到的優化策略會直接反饋到場地的控制系統，并進行負荷側管理、儲能系統的充放電控制及對新能源的輸出進行有序調度。此外，控制系統還引入了容錯和故障恢復機制，當某一環節出現問題時，系統能夠快速調整策略，確保電網的安全穩定運行。

3.3 新型電網保護技術及其應用

面對新能源并網所帶來的復雜性，傳統的電網保護技術面臨新的挑戰，如分布式發電導致的電流方向可逆性、電壓波動等。為此，新型電網保護技術及其應用成為當前研究的熱點，具體如下：①引入同步測量技術（如PMU）實時捕獲電網的全局狀態，確保對異常情況的快速響應；②基于寬區測量系統（WAMS）的數據分析，保護系統能夠實現對大范圍電網異常的識別和定位；③采用自適應保護策略，根據電網實時運行狀態動態調整保護參數，提高對新能源波動的容忍性；④通過深度學習和人工智能技術，設計故障診斷和故障預測算法，實現對潛在問題的預警，降低故障風險；⑤與通信技術結合，如5G 和光纖通信，保障保護指令的實時傳輸和執行，確保電網的穩定運行。

3.4 電池儲能技術在變電運維中的應用

電池儲能技術在變電運維中的應用已成為提高電網穩定性和彈性的關鍵技術之一。該技術可有效緩解新能源，如太陽能和風能的輸出間歇性，保證電網供電的穩定性，具體如下：①高級電池管理系統（BMS）實時監測各電池單體的健康狀況、電壓、電流和溫度，確保儲能系統的安全和高效運行；②當電網負荷減少或新能源產出過剩時，電池儲能系統可吸收并存儲這些多余能量，而在負荷高峰或新能源產量不足時，該系統能迅速釋放儲存的能量，滿足電網需求；③電池儲能有助于提供頻率調節、無功功率支持和電壓穩定，進一步增強電網的韌性。

4 結束語

隨著全球對可再生能源的持續關注和追求，新能源在電網中的比重逐漸增加。這種趨勢雖然為電網帶來了清潔和綠色的能源選擇，但同時也為變電運維提出了一系列前所未有的挑戰。文章從新能源接入的多種形式和其獨特的技術特點入手，深入剖析了變電運維在當前背景下所面臨的問題。為應對這些復雜問題，探討了一系列技術性解決方案。隨著技術研發的不斷深入和應用的廣泛推廣，有望更好地實現變電運維的自動化和智能化，確保電網在復雜環境下的穩定、安全和高效運行。