風電場并網對配電網電能質量的影響研究

張中力　安琪

摘要：近幾年來，風電作為一種可再生能源獲得廣泛的應用。但風電并網技術還并不完善，風電機組并入電網后會對電網的電能質量產生影響，隨著風電并網規模的擴大，這種影響日益加劇。本研究通過對風電并網模型的仿真分析，對模型在各種情況下各節點的電壓波動、電流波動、功率變化以及對配電網的影響進行了分析。本研究在 MATLAB/Simulink 仿真環境下，以實際算例為基礎，完成基于雙饋型風電機組的風電場并網系統模型的建立，在系統運行中出現的幾種情況下，分析風電場并網對配電網電能質量的影響。

關鍵詞：風電;電能質量;并網;MATLAB

1.引言

風力發電是一種新能源技術，在各種可再生能源發電中除水電之外技術最成熟，商業化程度最高。中國在 2005 年頒布了一系列鼓勵風電行業發展的政策，使中國的風電行業逐步進入快速發展的階段。“十二五”期間，我國風電新增裝機容量累計新增 9800 萬千瓦，占同期新增裝機總量的 18%，電源結構比例逐年上升。截至 2015 年底，全國風電并網裝機達到 1.29億千瓦，年發電量 1863 億千瓦，占全國總發電量的 3.3%，比 2010 年提高了 2.1%。風力發電已成為繼煤電、水電之后的中國第三大電源。

然而隨著風電機組并網規模的擴大，也給電力系統帶來了一系列問題。風力發電機組的穩態和暫態特性相比于傳統的同步發電機組發生了很大變化。風電機組并入電網的位置往往處在電網的末端，風力發電和風電并網的相關技術都還沒有完善，風力發電機的單機功率和風電場的容量日益增加，這些問題給風電并網系統帶來了一系列問題，限制了風電技術的發展， 降低了系統的電能質量。風力發電產業的迅速發展，帶動著風電并網規模的擴大，也使得電能質量問題日益嚴重。因此，研究風電場并網對電網的影響，解決風電場并網帶來的電能質量問題，是十分重要的課題。

2.風電并網引發的電能質量問題的研究

2.1電壓波動和閃變問題的研究

當風力發電機的輸出功率波動時，電網電壓將產生波動，這是電壓波動和閃變產生的根本原因。風速和湍流強度對風力發電機的影響將導致風力發電機輸出功率的波動，與電網的功率交換也會受到影響，導致風電機組與電網的連接點處附近的電壓波動和閃變。同時，塔影效應、偏航誤差和風剪切的影響也會對風電機組產生的影響，造成風力發電機輸出的波動并使其產生電壓波動。風速的隨機性決定了風力發電機組的輸出功率在機組的連續運行過程中會出現波動。風速的波動將直接影響風電機組的電壓波動。當風速增大時，風力發電機產生的電壓波動也會增加，風速與電壓波動成正相關關系。并網風力發電機組不僅在機組切換過程中產生電壓波動，而且在正常的連續運行過程中也會產生電壓波動。此外，風力發電機的接入系統的網絡結構也對風力發電機引起的電壓波動有影響。電網線路的電源阻抗電阻和電感比值，還有風電場公共連接點的短路容量比值是引起風力發電機電壓波動的重要因素。

電壓波動會對實際的生產生活造成嚴重影響，突發的電壓波動會影響企業生產的產品質量，嚴重的還可能使產品不合格，對于精確度要求較高的產品來說，一個十分輕微的電壓波動就可能造成產品的不合格，對于企業來說損失是十分嚴重的。電壓波動會影響普通照明設備的正常運行，使設備發生閃爍，還會引起一些電子設備和儀器的不正常工作，減少電力設備的壽命。因此，才要減少電壓波動和閃變的產生。

2.2電壓偏差問題的研究

風力發電機組只有在發電機的轉子轉速處在額定轉速附近時才會并入電網。在并入電網后短時間內會從電網中吸收大量的無功來保證發電機的正常啟動，這會造成發電機輸出電壓降低，雖然在并聯電容器組的作用下會使系統吸收的無功功率逐漸降至零，系統的輸出電壓回到額定值。但這種補償不是完美的，因為電容器需要逐級的投入，每次投入不會正好能夠補償系統對于無功功率的吸收，就會出現欠補償和過補償現象。根據無功功率和電壓的關系，可知欠補償會導致電壓降低，而過補償則會導致電壓升高，所以這種調節是呈階梯性的，每次調節并不穩定，這就會造成系統吸收的無功功率不會穩定減少，會產生波動，這就導致了電壓偏差的產生。

當系統的運行電壓產生偏差時，會對電網造成不良影響。一種是系統運行電壓較高，將會造成系統中的各種電氣設備絕緣的損耗，造成鐵芯設備的飽和，導致諧波產生，并可能引發鐵磁諧振;另一種是系統運行電壓較低，輸電線路的功率極限大大降低，這可能導致系統頻率的不穩定，甚至是系統頻率的崩潰，電網的有功和無功損耗以及電壓損失也將增加。

2.3諧波問題的研究

在控制以及處理功率的過程中，電力系統中的電力電子設備時會由于電磁特性的作用受到非正弦波的干擾。當在電力系統注入諧波時，注入點的電壓就會發生變形，進而對電力電子系統造成較強的電磁干擾。影響整個系統的穩定性，同時也給周邊電氣環境造成嚴重污染。

諧波的影響作用很強大，其涉及范圍主要包括兩大方面，一是對電力系統本身的正常運行造成了干擾，使一些對頻率敏感的電力設備出現異常情況，導致其壽命減少、損耗增加;比如使發電機額外地增加了負載，導致效率低下;再如對繼電保護設備的動作特性產生影響，可能導致誤動;使通信線路產生干擾;造成電纜的老化加速，電纜隨著時間推移，容量不斷下降。風力發電機等設備會存在過多的損耗，并且存在嚴重的發熱現象，會致使風力發電機的壽命不斷下降。

3.風電場并網對電網影響仿真分析

3.1仿真系統描述

仿真模型中風電機組由 6 臺相同型號的 1.5MW 雙饋風力發電機構成，風電機組輸出的是 690V 交流電壓，經過 20km 的輸電線路與升壓變壓器相連，將電壓升至 35kV，然后經過 30km 架空線路，與一個普通發電機通過一個變比為 110kV/35kV 的變壓器相連。該風電系統的接線圖如圖1所示，其中6臺雙饋風力發電機構成的風電機組可以認為是一個整體，即視為一個發電機。在正常運行過程中，風電機組向電網輸出有功功率，并從電網中吸收一部分無功功率，其他的部分由自身的無功補償解決。從電網側看，風電機組就相當于一個輸出有功， 吸收無功的“負荷”。

該風電系統的仿真分析可以通過調用 MATLAB 中的 SimPowerSystems 中的雙饋風電機組并網模塊來實現，雙饋型風力發電機可以在風速發生改變的情況下，調節發電機轉子的轉速，輸出恒頻的交流電，使發電機在最佳狀態下運行，提高了風能的利用率。

3.2擾動對電網的影響

在電壓控制模式下，當電網中35kV 系統即節點 2、3之間出現擾動時，風電場輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率變化如圖2所示。仿真結果顯示，擾動在t=5s出現，持續了0.5s。風電場在1處的電壓在擾動出現后產生波動，波動最大時為電壓下降至 0.9（p.u.），但基本上維持在額定值附近。節點電流在擾動出現后發生了變化，擾動結束后變回擾動前的電流值，風電場輸出的有功功率也發生了波動，波動較電流來說劇烈一些，擾動結束后較擾動之前略微下降了一些。無功功率的波動較大一些，擾動期間上升到了 5MW，產生的這些無功用于維持發電機電壓保持在門檻值0.9（p.u.）以上。

電網中節點 1、2 和 4 的電壓、節點2的有功功率和無功功率變化如圖3所示。從仿真曲線看出，各節點的電壓均產生了波動，離風電場越遠的節點，波動程度越大，節點 2 處的有功功率和無功功率在擾動出現后發生了變化，當 0.5s 后擾動去除后又恢復為擾動前的有功功率和無功功率值，系統恢復了穩定運行。

在無功功率控制模式下，當電網中 35kV 系統即節點 2、3 之間出現擾動時，風電場輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率變化如圖4所示。風電場在節點1 處的電壓在擾動出現后開始下降，降至門檻值0.9（p.u.）以下， 擾動結束后回到額定值附近。節點電流經過短暫的波動后，變回擾動前的電流值，但基本上保持不變。風電場輸出的有功功率的波動程度與電壓控制模式相比較輕，擾動結束后保持在 1.9MW 左右。因為系統處于無功功率控制模式下，所以無功功率的波動較小，基本上維持在0左右。

電網中節點 1、2 和 4 的電壓、節點 2 的有功功率和無功功率變化如圖5所示。節點 4電壓的變化較小與電壓控制模式下電壓變化類似，節點 1、2 的電壓下降較多。節點 2 處的有功功率和無功功率在擾動出現后發生了變化，當 0.5s 后擾動去除后又恢復為擾動前的有功功率和無功功率值，系統恢復穩定運行。仿真結果表明，這樣的波動不會破壞系統的穩定性。

3.3三相短路故障對電網的影響

在電壓控制模式下，當電網中 35kV 系統即節點 2、3 之間的 30km 輸電線路中的一回線路發生三相接地故障時，風電場輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率變化在此不再展示。短路故障在 t=5s 發生，經過 0.2s 后切除。風電場在節點 1 處的電壓在短路故障發生后急劇降為 0，風電場與系統解列，風電場的節點電流、有功功率也在短時間的波動后降為 0，無功功率經波動后保持 0 不變。

在無功功率控制模式下，當電網中 35kV 系統即節點 2、3 之間的 30km 輸電線路中的一回線路發生三相接地故障時，風電場輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率變化在此也不再展示。風電場在節點 1 處的電壓在短路故障發生后急劇降為 0，風電場與系統解列，風電場的節點電流、有功功率也在短時間的波動后降為 0，無功功率經波動后保持 0 不變。

4.總結

風力發電系統綜合多個領域的知識，系統十分復雜。本文只以雙饋風電機組為主，建立了一個簡單的電網模型，對風電場并網運行對電網的影響進行了基礎性的分析，許多問題還有待作進一步的研究。總而言之，風電場并網對電網電能質量影響，以及降低影響的研究是一個長期的過程，隨著我國經濟的發展和社會的需要，需要我們做出更多的努力。

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