電壓不平衡與風電廠運行之間相互影響的探討

苗寶平

（中廣核（烏蘭察布）風力發電有限公司，內蒙古自治區 烏蘭察布 012000）

0 引 言

能源對于社會經濟的發展起到了非常關鍵的作用。風能作為一種再生能源，廣泛應用于各個領域中。20世紀80年代以來，風力發電技術已經得到了更多的發展機會，風力發電成本大幅下降，促進了中型風電廠以及大型風電廠的發展［1］。目前，風力發電已經成為了最經濟的新型能源。但是由于風力發電具有一定的特殊性，經常會出現電壓不平衡的現象，因此需要對電壓不平與風電廠運行之間的相互影響進行研究。

1 風電廠運行的特征

風力發電是將風能轉化為機械能，機械能轉化為電能的過程，因此風力發電機組屬于較為復雜的系統。典型的并網型風力發電機組包括了風能的轉化和吸收裝置以及支撐作用的搭架、起連接作用的低速軸以及增速齒輪箱、能量轉換裝置——發電機等。風電廠的建設與運行主要是受到了資源分布以及風能隨機性的影響，具有以下特征:

（1）風電廠運行具有大量風電機組并列運行的特點。由于風能的能量密度是非常低的，要想獲得相同的發電容量，風力機的尺寸比起水輪機大十幾倍，這就限制了風電機組的單機容量，目前我國多數風電廠采用了大量風電機組并列運行的方式發電。

（2）風電廠運行具有不穩定性的特點。由于風速具有間歇性以及波動性，不能提前進行準確的預測，所以風力發電機組的輸出具有一定的隨機性。因此，風力發電只能夠提供電力，而不能夠提供高效的發電容量。風力發電一般都需要接入電網的末端，已經逐漸改變了配電網功率單向流動的特征，同時也促使潮流流向以及分布產生變化。當風電注入的功率增加時，風電廠臨近的局部電網的電壓以及聯絡線的功率就會超過安全的范圍，導致電壓崩潰。

（3）風電廠運行具有原動力不可控的特點。風力發電是以自然風為原動力進行發電的，自然風是不可控制的，也是不能大量儲存的，因此，像常規能源發電一樣根據負荷要求而改變風電機組的處理是非常困難的。在目前的條件下，只能夠在特定范圍內進行調節，例如，通過改變風力機葉片的槳距角來調整吸收的風能等。影響風力發電的因素主要是隨著風速的不斷增大，風電機組產生的電壓波動以及閃變就會增加，且風電機組在切換發電機、啟動以及停止的過程中，也會出現電壓波動以及閃變，導致電壓波形畸變，產生電壓不平衡的情況。

2 電網電壓不平衡情況分析

目前國際電工委員會（International Electrotechnical Commission）制定的電磁兼容IEC－1000系列的規范中，電力系統就有平衡和不平衡的劃分。電力系統的平衡與否是由瞬時功率決定的。電力系統平衡總功率瞬時值與時間的長短無關，而電力系統不平衡總功率瞬時值會隨著時間的改變而產生變化，電力系統的平衡狀況關系到功率以及電磁轉矩和供電質量［2］。大規模的集中介入風電廠通常位于電網的末端，與骨干電網有一定的距離，且周邊用電設備的情況非常復雜。因為輸電線路出現絕緣老化、不對稱故障、線路破損以及不對稱負載等狀況，風電廠的接入點通常會出現三相電壓不平衡的情況。電網電壓中允許長時間出現最大不平衡度為4%的小值穩態不平衡的狀況，電網電壓的不平衡通常被定義為負序電壓與正序電壓的比值。風資源的不確定性以及風電機組自身的運行特性會直接對風電機組的輸出功率波動產生影響，從而直接影響電網的電能質量，出現閃變、電壓偏差以及諧波等。其中電壓波動以及閃變是影響電網電能質量的主要原因。目前風電廠規模不斷的擴大，風電廠在系統中所占的比例在不斷的增加，風電輸出的不穩定對電網功率沖擊的效應也在一直增加，同時對電力系統穩定的影響就更加明顯。假如電力系統出現了危急情況，系統將會失去穩定性，甚至使整個系統瓦解。

3 電壓不平衡與風電廠運行之間的關系

3.1 綜合仿真的方法

將風力發電機中的異步發電機并入到電網當中后，它發出有功功率，吸收無功功率。與此同時，電網可以通過發電機的終端電壓，對風力發電機機組的運行產生影響。因此，電網和風力發電機機組之間的關系，實質上就是電壓與功率之間存在的關系，將風力發電機機組與電網進行適當的連接，使其變成可進行綜合仿真的模型［3］。

仿真的步驟為:（1）將仿真周期中的初始時間設置為t，同時提供各母線電壓的各相初始值；（2）應用風力發電機機組的終端電壓t時刻數值和t時刻的風速，對風力發電機機組進行動態仿真，將風力發電機機組的有功功率和無功功率計算出來；（3）對電網中的三相潮流進行計算，以此得出修正后的電壓值；（4）應用風力發電機機組的終端電壓t時刻數值和t時刻的風速，對風力發電機機組進行動態仿真，將風力發電機機組的有功功率和無功功率計算出來；（5）如若有功功率和無功功率的初始數值和修正之后的數值十分接近，則可以直接進行第6步；（6）用公式t＝△t＋t，其中△t表示時間的步長；（7）對t與仿真周期最終的截止時間之間的大小進行判斷［4］。

3.2 算例仿真的方法

通常情況下需要論證方法的正確性，可以針對電網中電壓不平衡現象對風力發電機機組造成的影響，以及風力發電機機組會對電網產生動態影響進行初步評價。以綜合仿真模型為例，該算例中電力系統所包括的風力發電機機組以及電網容量是130MW，風力發電機機組的容量是300kW。其風速與時間之間的變化所形成的曲線如圖1所示。

將風速當做輸入的量，而風力發電機機組對電網所輸出的最終功率形成的曲線，如圖2、圖3所示。

圖1 風力發電機組向電網輸出的功率曲線圖

圖2 電壓平衡時風力發電機組三相無功、有功功率輸出曲線圖

圖3 電網不平衡時，風力發電機組三相無功、有功功率輸出曲線圖

4 結束語

為了減少風電機組在頻繁投切時對接觸器產生的危害，在有風期間風電機組都應當與電網相連。當風速產生改變時，可能使風電機組進行短時電動機運行，風電廠與電網之間聯絡的功率流向在某些情況下是雙向的，因此，風電廠繼電保護裝置的配置應該考慮到電壓不平衡情況，保證風電廠的穩定運行。

［1］劉忠仁，劉覺民，鄒賢求，等.電池系統對風電并網引起的頻率波動控制應用［J］.電力系統及其自動化學報，2011，（06）:62－66.

［2］鄭太一，嚴干貴，周志強，等.電網電壓跌落時風電機組運行仿真與實證分析［J］.電力系統及其自動化學報，2009，（03）:90－96.

［3］陸振綱，江宇恒，梅志堅，等.直驅型風力發電機組網側變流器低電壓穿越及電壓不平衡運行仿真研究［D］.北京:中國電力科學研究院，2010.

［4］鄧 英，吳 波，孫曉倩，等.大型并網風力發電機組國產化探討——FD24—200kW風力發電機組研制總結［J］.農村能源，2009，（02）:21－23.