風電場并網對電網電能質量的影響分析

白鴻斌， 王瑞紅

(1.天津市津能風電有限責任公司， 天津 300221； 2.天津市城西供電分公司， 天津 300190)

風電場并網對電網電能質量的影響分析

白鴻斌1， 王瑞紅2

(1.天津市津能風電有限責任公司， 天津 300221； 2.天津市城西供電分公司， 天津 300190)

對風電場并網運行后的電網電能質量進行分析和計算，首先對風電場并網運行引起閃變和諧波的原因進行了分析，根據IEC標準和有關國家標準給出閃變和諧波的計算方法，最后結合實際算例對風電場并網運行后的電能質量計算分析方法進行了說明。研究表明，風電場并網運行所帶來的電能質量問題與風電機組類型以及網絡結構有關，應在風電場的規劃階段做好電能質量的評估工作，防止風電場接入電網后出現電能質量問題。

風力發電； 電能質量； 諧波； 閃變

風速變化使得風電場的輸出功率發生波動，從而引起電網電壓波動。風電機組自身固有的特性(風剪切、塔影效應、葉片重力偏差和偏航誤差等)也可能導致電網電壓波動，進而使電網出現可察覺的閃變現象[1～11]。風電機組中的電力電子裝置是風電系統主要的諧波源。變速風電機組的變頻器在風電機組運行過程中一直處于工作狀態，因此變頻器產生的諧波會對電網的電能質量產生影響。

本文首先對風電場并網運行引起閃變和諧波問題的原因進行分析，并根據IEC和國家相關標準給出閃變和諧波的計算方法[12]，結合某實際風電場接入地區電網的工程實例對電能質量的分析方法進行了說明。

1 風電場并網運行引起的閃變問題

1.1 引起閃變的原因

圖1 風電機組并網示意

(1)

風電機組捕獲的風能可表示為

(2)

式中：Pw是風電機組從風中獲取的能量轉化過來的風力機機械功率；ρ為空氣密度；cp(λ)為風機的風能轉換效率系數，λ為葉尖速比；AR為風輪掃過的面積；vw為風速。

由式(2)可知，風電機組的輸出功率與風速、空氣密度有關，風電機組的輸出功率隨風況的變化在零功率和額定功率之間不斷波動。定速風電機組吸收的無功功率隨輸出有功功率的變化而變化，引起電網電壓的變化較大；而雙饋變速風電機組一般采用恒功率因數控制方式，因此其無功功率波動相對較小。

受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，葉輪在旋轉過程中的轉矩不穩定，從而使風電機組的輸出功率發生波動，且這種波動隨湍流強度的增加而增加。典型的切換操作包括風電機組啟動、停機和發電機組的切換(大小方式之間)，在機組切換操作過程中，切換操作會引起功率波動，從而引起風電機組機端和其他節點的電壓波動和閃變。

影響電壓波動和閃變的因素[13，14]還有：①并網點短路容量，短路容量越大，閃變值越小。②網絡阻抗角，在閃變值隨阻抗角的變化曲線中，阻抗角在60°～70°時存在一個拐點；在拐點之前，阻抗角度越大閃變值越小；在拐點之后，阻抗角度越大閃變值越大。

1.2 閃變計算

根據IEC61400-21標準“并網風力發電機組電能質量測試和評估”，可以計算出風電機組或風電場在連續運行情況和切換操作情況下的閃變值。

1.2.1 連續運行

風電場內多臺機組連續運行時產出的總的閃變計算式為

(3)

式中：Sk為公共連接點的短路容量；ci(ψk，va)指單臺風力發電機組的閃變系數；ψk為公共連接點的網絡阻抗角；va為現場風電機組輪轂高度的年平均風速；Sn,i是指單臺風力發電機組的額定視在功率；Nwt指連接到公共連接點的風力發電機組的數目。

1.2.2 切換操作

由于風電場內多臺機組切換操作所產出的總的閃變計算式分別為

(4)

(5)

式中：N10,i指在10 min內第i臺風力發電機組切換操作的次數；kf,i(ψk)為第i臺風力發電機組的閃變階躍系數；Sn,i為第i臺風力發電機組的額定功率；N120,i指在120 min內第i臺風電機組切換操作的次數。

1.2.3 閃變傳遞

根據GB 12326-2000《電能質量電壓波動和閃變》，電力系統不同母線節點上閃變的傳遞計算式為

Pst，A=TBAPst，B

(6)

2 風電場并網運行引起的諧波問題

2.1 諧波的起因分析

電力系統中的諧波是由于鐵磁飽和設備、電子開關設備和電弧設備等非線性設備的存在而造成。對于風電機組來說，發電機本身產生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正來源是風電機組中采用的電力電子元件。

對于定速風電機組來說，由于沒有電力電子設備的參與，機組在連續運行過程中基本沒有諧波產生。當機組進行投入操作時，軟并網裝置處于工作狀態，將有諧波電流產生，但由于投入的過程較短，這時的諧波注入可以忽略。

變速風電機組則采用了電力電子設備：雙饋式異步風電機組的發電機定子直接饋入電網，而發電機轉子則通過經直流環節連接的兩個變流器(即轉子側變流器和電網側變流器)饋入電網。永磁直驅同步風力發電機組所發電力則通過背靠背全功率變頻器直接饋入電網，該背靠背全功率變頻器由發電機側變流器、直流環節和電網側變流器組成。不論是哪種類型的變速風電機組，機組投入運行后變頻器都將始終處于工作狀態[15]。因此，變速風電機組的并網運行可能會引起諧波注入問題。

2.2 諧波計算

2.2.1 諧波電流允許值

國標GB/T 14549-93給出了各電壓等級下諧波電流注入點的基準短路容量和諧波電流允許值，要求公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量(方均根值)不應超過規定的允許值。

當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時，諧波電流允許值的換算為

(7)

式中：Sk1為公共連接點的最小短路容量，MVA；Sk2為基準短路容量，MVA；Ihp為國標規定的第h次諧波電流允許值，A；Ih是短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

2.2.2 多臺風電機組連接在公共連接點上諧波電流的計算

根據IEC 61000-3-6給出的由負荷引起的諧波電流畸變總和的計算方法，IEC 61400-21給出了連接在公共連接點上的多臺風電機組引起的諧波電流的計算式為

(8)

式中：IhΣ為公共連接點上的h次諧波電流畸變；Nwt為連接到公共連接點上的風電機組的數目；ni為第i臺風電機組變壓器的變比；Ihi為第i臺風電機組h次諧波電流畸變；β為表1中給出的指數。

表1 IEC 61000-3-6 指數的規定

3 算例分析

以2008年某地區電網為基礎，在規劃容量為40 MW的某實際風電場并網運行后，對風電場接入引起的電能質量問題進行分析。

3.1 風電場的并網方案

該風電場的規劃容量為40 MW，擬采用20臺單機容量為2 MW的雙饋變速風電機組。風電場配套建設一座35 kV開關站，兩段獨立35 kV母線，每段母線上各有一回進線和一回出線；每10臺風電機組經箱變升壓至35 kV后組成聯合單元接入風電場開關站35 kV母線，然后通過兩回送出線接入電網，線路的導線型號都為LGJ-300，長度分別為3 km和1 km。風電場接入方式如圖2所示。

圖2 某實際風電場接線示意

3.2 閃變

風電場擬采用的某2 MW變速風電機組連續運行時的閃變系數如表2所示。其中：ψk為電網阻抗角；va為輪轂高度處的年平均風速。

表2 某變速風電機組的閃變系數

根據GB12326-2000 《電能質量電壓波動和閃變》計算得到通過送出線1接入電網的風電場的網絡阻抗角為76°，根據式(3)和式(6)可以計算出這部分風電機組連續運行時在風電場35 kV母線處產生的短時閃變值和長時閃變值都為0.051，傳遞至并網點的短時閃變值和長時閃變值為0.043。通過送出線2接入電網的風電場的網絡阻抗角為66°，這部分風電機組連續運行時在風電場35 kV母線處產生的短時閃變值和長時閃變值為0.047，傳遞至并網點的短時閃變值和長時閃變值為0.044。

根據國標的規定要求，35 kV電壓等級的短時閃變限值和長時閃變限值分別為0.8和0.6?？梢钥闯觯稍擄L電場引起的閃變遠小于該電壓等級的閃變限值，因此上述閃變值是完全可以接受的。

3.3 諧波

風電場擬采用的某2 MW變速風電機組諧波電流的實測數據如表3所示。實測到的該風電機組最大總諧波電流畸變率為1.1%，最大總諧波電流畸變處的輸出功率為605 kW。

表3 某變速風電機組的諧波電流

由于風電場的20臺風電機組分成兩部分，分別通過兩回35 kV線路送出，因此需要對這兩部分風電機組并網運行時產生的諧波電流分別進行分析。

在相同的運行狀態下，這兩部分風電機組在運行過程中產生的諧波電流是相同的。根據表3中所給出的諧波電流實測數據以及風電場的并網方式，可計算出這兩部分風電機組在運行過程中產生的各次諧波的最大注入電流，計算結果如表4所示。

表4 風電場運行過程中產生的最大諧波電流

表5 某實際風電場的諧波電流允許值

根據GB/T 14549-1993 《電能質量公用電網諧波》中35 kV電壓等級諧波注入電流限值的規定以及風電場兩個接入點的短路容量，可以計算出風電場兩部分風電機組的諧波電流限值，相關內容見表5。對比表4、表5可以看出，這兩部分風電機組所產生的諧波注入都滿足國標的相關規定。

4 結論

(1)閃變和諧波問題是電能質量的兩個重要方面。本文對風電場并網運行所引起的閃變和諧波問題進行了分析研究，根據相關標準給出了具體的分析計算方法，并通過算例對該電能質量分析方法進行了說明。

(2)制定風電發展規劃時，不但要考慮風電場對系統電能質量的影響，同時還要結合風電場風能資源的特性和風電機組的特性進一步分析風電場并網運行后對電網傳輸功率、無功功率和電壓控制、機組組合方式和系統穩定性等方面的影響。

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白鴻斌(1968-)，男，工程師，學士，主要從事風電場建設管理及運營等方面的工作。Email:bhb20001968@126.com

王瑞紅(1966-)，男，高級工程師，學士，主要從事電網生產管理等方面的工作。Email:ruihong.wang@tj.sgcc.com.cn

InfluenceoftheGrid-connectedWindFarmonPowerQuality

BAI Hong-bin1， WANG Rui-hong2

(1.Tianjin Jinneng Wind Power Co., Ltd, Tianjin 300221, China；2.Tianjin Chengxi Power Supply Co., Tianjin 300190, China)

It is necessary to analyze and compute power quality with the wind farm connected into the power grid. Firstly, the reasons causing flicker and harmonics by wind power generation are presented respectively. Then, the computation method of flicker and harmonics are analyzed based on IEC and relative national standards. Finally, taking a real power system as example, power quality problems caused by wind power generation are analyzed. Studies show that power quality problems caused by wind power generation are related to the types of wind generators and network structure. Evaluation of the power quality should be done in the stage of wind farm planning against power quality problem caused by wind power generation.

wind power generation； power quality； harmonics； flicker

TM614

A

1003-8930(2012)01-0120-05

2008-12-19；

2010-07-12