風電場風力發電機類型對網側電能質量特性的影響

黃永寧，張爽，周建麗，周喜超

（1.寧夏電力公司電力科學研究院，銀川市 750001；2.甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州市 730050）

0 引 言

近2年我國風力發電建設勢頭依然強勁［1］，2012年我國風電新增裝機容量14.05GW［2］，占全球新增容量1／3以上，累計風電裝機容量達到76.41GW，繼續領跑全球風電裝機規模［3］。由于風力發電以風作為動力源，受風能隨時變化的自然特性、風電機組機理構造以及風速風向的時空分布等影響，風電大規模并入電網將會對網側電能質量造成嚴重影響，如電壓波動、風電機組風剪切、塔影效應導致的電壓波動和閃變以及變速風電機組變流器導致的諧波等問題［4－7］。目前，我國投運的并網風力發電機組分為定槳定速型和變槳變速型2類［8］，其中后者的容量一般是1MW，是目前風力發電機的主流產品；前者為早期產品，機組容量多為1MW以下。由于機組結構和工作原理不同，不同類型的風力發電機對電能質量造成的影響特點亦不相同，因此有必要對這2種風力發電機類型對網側電能質量造成的影響進行系統分析，為有針對性地進行風電場電能質量治理提供參考［9－11］。

本文針對變速機組和定速機組，分析不同類型風力發電機引起網側電壓偏差、電壓波動和諧波等電能質量問題的原理；基于PSCAD／EMTDC分別建立定速風力發電機和變速風力發電機電能質量特性仿真模型，分別對變速風力發電機和定速風力發電機引起的電壓偏差、電壓波動和諧波問題進行仿真分析，得到不同風力發電機類型對網側電能質量特性影響的結論。

1 風力發電機引發的電能質量問題

1.1 風力發電機引起電壓偏差

電力系統中負荷增減、發電機出力變化、網架結構變化等因素均可引起系統功率不平衡，這就意味著系統中會有大量的功率流經輸電線路和變壓器。由于線路和變壓器中存在阻抗，因此會在線路和變壓器首、末端電壓出現差值，這是引起系統電壓偏差的根本原因。風電并網造成的電壓偏差的等值電路圖和相量圖如圖1所示。

圖1 風電場接入系統簡化等值電路Fig.1 Simplified equivalent circuit of wind farm integration

圖1中，風電場經過輸電線路（等效阻抗Z＝R＋j X）接入電網，和分別為風電場高壓側端電壓和電網電壓。當風電場運行時，向系統送出有功功率（P＞0），風電場出線上的壓降為

由圖2可知，線路上的壓降可分為縱分量和橫分量，由于線路首末端相角差較小，橫分量可忽略不計，則線路壓降可近似看作縱分量，即

在高壓輸電網中，X?R，因此無功功率對電壓降的影響遠遠大于有功功率。

如果不考慮線路分布電容的影響，對于由定速機組構成的風電場，當其輸出有功功率增長時，其吸收無功功率也增長，同時由于線路送出有功功率的增長還會導致線路電抗消耗的無功功率也增長，當PR＋QX＞0時，風電場端電壓就會低于電網電壓。對于由變速機組構成的風電場，由于能夠實現有功功率和無功功率的解耦控制，風電場與電網之間不交換無功功率（Q＝0），但當變速機組出力較高時，由于傳輸有功功率而在線路上消耗無功功率，也可能會造成電壓降落。若考慮線路分布電容的影響，風電場停發或者出力較低時，無論是哪種機組構成的風電場，線路上的容性充電功率將會使風電場端電壓高于電網電壓［12］。

1.2 風電場引起電壓波動

由式（1）可以看出：當風電機組輸出功率波動時，將會引起風電機組機端電壓和風電場并網點電壓波動，從而引起電網電壓波動；當風電機組輸出功率波動幅度較大時，甚至引起可察覺的閃變現象。另外，由風電機組的機械功率表達式可知

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；A 為葉片掃風面積，m2；v為風速，m／s；CP為風能利用系數，根據Betz理論，其理論最大值為0.593，CP是葉尖速比λ和槳距角β的函數。λ的表達式為

式中：ω是葉輪轉速，rad／s；r是葉輪半徑，m［13］。

由式（3）可知，風電機組的輸出功率與風速、空氣密度有關，其值隨風況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。

另外，引起風力發電機輸出機械功率波動的因素還有：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；典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發電機切換，這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他向量節點的電壓波動和閃變。

1.3 風電場引起諧波

對于風電機組來說，發電機本身產生的諧波是可以忽略的，諧波主要來源于風電機組中采用的電力電子元件。對于直接和電網相連的定速風力發電機，在連續運行過程中沒有電力電子器件參與，因而也基本沒有諧波產生，當機組軟并網裝置處于工作狀態時，將產生諧波電流，但由于投入的過程較短，發生的次數也不多，這時的諧波注入通常可以忽略，因此直接采用異步發電機與電網連接的風力發電機諧波分量不大。

對于采用變速技術的雙饋異步發電機和同步發電機而言，機組采用大容量的電力電子元件，直驅永磁同步風力發電機組的交直交變頻器采用可控脈寬調制（pulse－width modulation，PWM）整流或不控整流后接DC／DC變換，在電網側采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電［14］；雙饋式異步風力發電機組定子繞組直接接入交流電網，轉子繞組端接線由3只滑環引出接至1臺雙向功率變換器，電網側同樣采用PWM逆變器，定子繞組端口并網后始終發出電功率。變速風電機組并網后變流器將始終處于工作狀態，由于變流器的開關頻率是不固定的，采用強制換流變流器的變速風電機組不但會產生諧波而且還會產生間諧波，而運用PWM開關變流器和合理設計的濾波器能夠使諧波畸變最小化，甚至可以使諧波的影響忽略。諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關系，也就是與風速大小有關。在正常狀態下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設計結構及其安裝的濾波裝置狀況，同時與電網的短路容量有關。除此之外，如果風力發電機的并聯補償電容器與線路電抗發生諧振，對諧波會起到嚴重的放大作用［5］。

2 風電場仿真模型

風電場的電能質量特性受風力發電機類型、風力發電機結構及風速等多方面的影響，并且還受到所接入電網的結構參數影響。為了進一步研究不同風力發電機類型對網側電能質量特性的具體影響，基于PSCAD／EMTDC，分別建立了用于分析定速風力發電機和變速風力發電機電能質量特性的仿真模型，對風電場并網產生的電能質量問題進行仿真分析。

定速風力發電機仿真系統模型如圖2所示，設風電場容量為105MVA，等效了140臺0.75MVA定速風力發電機。風力發電機額定電壓690V，經0.69kV／11kV升壓變接入風電場11kV／115kV主升壓變。由于定速風力發電機均配備補償電容，因此本仿真還加入了可根據所需無功功率進行投切的補償電容器。該定速風力發電機的轉矩可控，并且該轉矩受風速變化的影響，可對陣風（gust wind）、干擾風（noise wind）以及漸變風（ramp wind）3種風速變化下風力發電機的電能質量特性進行仿真分析。

變速風力發電機仿真系統模型如圖3所示。由于直驅式永磁同步風力發電機組的電壓無功外特性與采用相同控制目標的雙饋式異步風力發電機組相同，因此本文僅將雙饋型風力發電機作為分析對象。

設定風電場容量為140MVA，等效了70臺2MVA的雙饋風力發電機。該仿真模型既可以實現定無功功率控制，也可實現定功率因數控制，但未采用變槳距控制。同時，也可對陣風、干擾風以及漸變風3種風速變化下風力發電機的電能質量特性進行分析。這2類風電場所接入的系統條件相同，均為110kV系統母線，并且該母線接有60MW＋j7MVar的負荷，為了排除系統參數對風電機組電能質量特性的影響，本仿真所設定的系統短路容量較大，等效為理想電源。

3 風電場網側電能質量特性仿真分析

3.1 風電場電壓偏差特性仿真分析

3.1.1 定速風力發電機風電場電壓偏差特性分析

在基本風影響下，定速機組風電場在不同出力下與電網無功交換情況及110kV側電壓變化情況如圖4所示，圖中U為風電場出口電壓。

圖4 定速風力發電機風電場的電壓偏差Fig.4 Voltage deviation of wind farm with fixed－speed wind turbine

由圖4（a）可看出，當風電場輸出功率在最大出力的30%以內時，無功交換量隨風場出力的變化不大，基本維持在31Mvar左右；當風電場出力介于30%60%時，隨著輸出有功功率的增加風電場從電網汲取的無功功率量增至40Mvar；而當出力超過60%時，風電場汲取無功功率隨有功輸出功率的增加迅速增至70Mvar；網側110kV側電壓標幺值由0.96pu降至0.95pu，繼而驟降為0.91pu。風力發電機出力60%以下時投入30Mvar補償電容，而高于80%時投入40Mvar補償電容。

由圖4（b）可看出：定速風場加裝補償裝置后，當出力超過60%時，風電場與電網的無功交換量已明顯減小，對應的110kV側電壓標幺值可維持在0.97pu左右。

3.1.2 變速風力發電機風電場的電壓偏差特性分析

雙饋變速風力發電機可實現定無功功率控制或定功率因數控制，因此在理想情況下無需加裝任何無功補償裝置。采用定功率因數（110kV側功率因數恒為0.98）控制和定無功控制（110kV側無功功率恒為20Mvar）時，風電場出力變化情況下升壓變110 kV側的有功、無功和電壓變化曲線如圖5所示。

圖5 變速風力發電機風電場的電壓偏差Fig.5 Voltage deviation of wind farm with variable－speed wind turbine

由圖5（a）可看出，當風電機組采取定功率因數控制時，風電場吸收的無功功率隨輸出有功功率的增加而增大，但由于設定的功率因數較大，風電場升壓變壓器110kV高壓側母線電壓及經過7km傳輸線后的系統母線電壓均能保持在1.0pu左右。

由圖5（b）可看出，當風電機組采取定無功功率控制時，無功功率能夠在風力發電機輸出有功功率變化的情況下保持不變，從而保證系統側母線電壓也能基本恒定在1.0pu左右。可見，雙饋變速風力發電機可靈活的實現定無功功率（超前和滯后）和定功率因數控制，因此其對電網的電壓偏差影響較小。

3.2 風電場電壓波動特性仿真分析

3.2.1 定速風力發電機風電場的電壓波動特性

由定速風力發電機組成的風電場在陣風、漸變風、干擾風和混合風這4種風速干擾情況下輸出有功功率、無功功率及110kV網側母線電壓的變化情況如圖6所示。

由圖6可看出，由定速風力發電機組成的風電場在4種風速擾動下均會產生不同程度的電壓波動情況，其波動特性與風速的波動特性直接相關。

3.2.2 變速風力發電機風電場的電壓波動特性

鑒于目前絕大多數雙饋變速風力發電機均采用定功率因數控制方式，因此本節變速風力發電機風電場電壓波動特性仿真以定功率因數方式控制。圖7為由變速風力發電機組成的風電場在陣風、漸變風、干擾風和混合風這4種風速干擾情況下的輸出有功功率、無功功率及110kV網側電壓的變化情況。

由圖7可知，由于變速風力發電機可采取定功率因數方式運行，因此風速的變化對由變速風力發電機組成的風電場網側電壓影響不大，在4種風速擾動下，110kV網側電壓值能夠維持在1.0pu左右。

3.3 風電場諧波特性仿真分析

直接和電網相連的定速風力發電機，在連續運行過程中沒有電力電子器件參與，因而也基本沒有諧波產生。根據IEC相關標準，不考慮采用定速機組的風電場諧波影響，本節主要對變速機組組成的風電場諧波特性進行仿真分析。

風電場處于連續運行狀態時，網側并網點上多臺風力發電機引起的諧波電流計算公式為

式中：Nwt為連接到并網點的風力發電機數目；Ih為并網點上的h階諧波電流畸變；ni為第i個風力發電機變壓器變比；Ihi為第i個風力發電機h次諧波電流畸變；β為標準中給出的指數。

圖6 定速風力發電機風電場在4種風速干擾下的電壓波動Fig.6 Voltage fluctuation of wind farm with fixed－speed wind turbine under four kinds of wind interference

由于雙饋變速風力發電機存在大功率交直交變流器，因此變流器所采用的控制方法直接決定了風力發電機的諧波特性。仿真雙饋風力發電機整流側采用CRPWM控制方法，逆變側采用SPWM控制方法，且未加裝任何濾波裝置。變速風力發電機風電場出力70%情況下，網側110kV母線各次諧波電流值及含有率情況如表1所示。

圖7 變速風力發電機風電場4種風速干擾下的電壓波動Fig.7 Voltage fluctuation of wind farm with variable－speed wind turbine under four kinds of wind interference

表1 變速風力發電機風電場網側各次諧波電流Tab.1 Grid－side harmonic currents of wind farm with variable－speed wind turbine

由表1可看出，在本文選取的整流側和逆變側控制方式下，變速風力發電機風電場網側母線各次電流諧波含量均較高，其中3、5、7次諧波含量最大，并且存在豐富的偶次諧波。實際中，可進一步采用加裝輸入輸出電抗器、LC濾波器、低通濾波器等措施減小風力發電機注入電網的諧波。

4 結 語

（1）在不加補償裝置情況下，定速風力發電機構成的風電場網側電壓偏差受風電出力的影響較大，尤其當風電出力超過60%以后，風電場吸收無功隨風電出力增長迅速，相應的網側電壓的下降幅度也非常明顯；加裝無功補償裝置后，可在一定程度上減輕電壓的跌落，并將網側電壓穩定在國標水平。變速風力發電機構成的風電場由于可以采取定功率因素控制及定無功功率控制，因此網側電壓偏差受風電出力的影響不大。

（2）在陣風、漸變風、干擾風和混合風這4種風速干擾下，定速風力發電機構成的風電場會產生不同程度的電壓波動情況，其波動特性與風速的波動特性直接相關；而變速風力發電機由于多采取定功率因素方式運行，因此風速的變化對由變速風力發電機組成的風電場網側電壓波動情況影響不大，110 kV網側電壓值能夠保持在1.0 pu左右。

（3）由于定速風力發電機在連續運行過程中沒有電力電子器件參與，因而基本不產生諧波；而變速風力發電機風電場由于在整流側和逆變側采用了大量電力電子元件，故網側母線各次電流諧波含量均較高，其中3、5、7次諧波含量最大，并且存在豐富的偶次諧波。

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