海上風電接入對電網電能質量的影響分析

鐘才惠

摘? 要：該文介紹了某個海上風電場的建設規模和基本情況，采用電網實際負荷數據、電網元件實際參數、參考近區電源實際出力和風電廠家提供的風電場資料，通過建模仿真搭建諧波源和閃變源模型，根據風電場連續運行、切入風速運行和額定風速啟動時不同工況下，分析海上風電接入對電網的電能質量影響，判斷諧波、閃變和電壓波動值是否滿足國標限值。

關鍵詞： 海上風電? 電力仿真? 電能質量? 諧波? 閃變? 電壓波動

中圖分類號： TM614? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the construction scale and basic situation of an offshore wind farm. Using the actual load data of the power grid， the actual parameters of power grid components， referring to the actual output of near area power supply and the wind farm data provided by wind power manufacturers， harmonic source and flicker source models are built through modeling and simulation. According to the different working conditions of continuous operation， cut in wind speed operation and rated wind speed startup of the wind farm， Analyze the impact of offshore wind power access on power quality of power grid， and judge whether harmonic， flicker and voltage fluctuation meet the national standard limits.

Key Words： Offshore wind power; Power simulation; Power quality; Harmonics; Flicker; Voltage fluctuation

能源是人類社會發展的重要要素，在降低溫室氣體二氧化碳排放已經成為全球共識的情況下，作為清潔能源的風能是各國開發的重點領域之一[1]。海上風電產業在歐洲已發展了近30年，目前已成為歐洲最主要的可再生能源發電形式之一 [2]。我國政府已承諾力爭2030年前實現碳達峰、努力爭取2060年前實現碳中和[3]。廣東省強調要積極發展海上風電，同時需要加快速度建設開發近海風電場，此舉對支撐當地經濟穩定快步發展起到十分重要的意義。

1研究對象基本情況

以廣東省某個海上風電項目作為海上風電研究對象，該風電場規劃裝機容量為500 MW，年上網電量為1 538 GWh，年等效滿負荷小時數為3 056 h，計劃于2021年底投產完畢。該風電場主要由風機、海上升壓站、陸上升壓站、送出海纜和集電海纜等部分組成，升壓到500 kV后接入電網。

2研究方法簡述

近年來，風力發電技術取得了長足的發展與進步，但仍存在許多問題有待進一步研究和探討[4]。風能存在的間歇性和不確定性等問題，也使得高滲透率的入網風電對電網帶來的沖擊越來越大[5]。由于DIgSILENT/PowerFactory軟件具備非常優秀的功能與特性，因此使用DIgSILENT/PowerFactory軟件研究發電機組并網測試問題擁有一定的優勢[6]。該項目提取南網BPA數據庫中元件參數，收集風電場項目近區電網實際運行負荷和電源出力數據，在DIgSILENT PowerFactory中研究搭建電網等值網絡，并調整好電網運行方式，風電場模型以委托方提供的風電場資料為依據，對風電場的諧波源和閃變源建模，根據風電場連續運行、切入風速運行和額定風速啟動時不同工況下，分析計算風電場注入電網PCC節點閃變、電壓波動值、諧波電壓和諧波電流，并判斷是否滿足國標限值。

3研究內容

通過國標要求和換算，該風電場的電壓波動限值按1.5%，閃變限值為0.8[7]。奇次電壓限值為1.6%，偶次諧波電壓限值為0.8%，電壓總諧波畸變率限值為2.0%，諧波電流限值見表1[8]。

通過仿真計算，連續運行情況下陸上升壓變500 kV側產生的閃變值為PstΣ=PltΣ=0.00523，傳遞到PCC的閃變值為PstΣ=PltΣ=0.00358;切入風速啟動時，陸上升壓變500 kV側產生的長時間閃變值為PltΣ=0.00742，短時間閃變值為PstΣ=0.00773;傳遞到PCC產生的長時間閃變值為PltΣ=0.00508，短時間閃變值為PstΣ=0.00529;額定風速啟動時，陸上升壓變500 kV側產生的長時間閃變值為PltΣ=0.00364，短時間閃變值為PstΣ=0.00379;傳遞到PCC產生的長時間閃變值為PltΣ=0.00249，短時間閃變值為PstΣ=0.00259，對比國標關于閃變限值的規定可知，該風電場內的風電機組處于不同工況運行時所產生的閃變值是可以接受的。

根據仿真計算結果計算結果可知，在切入風速時啟動時風電場引起PCC節點產生的電壓波動值為0.005%;在額定風速時啟動時風電場引起PCC節點產生的電壓波動值為0.023%，滿足標準電壓波動小于1.5%的要求。

通過對比表2和表3中的最大諧波電流和經過換算的諧波電流允許值可以看出，風電注入PCC節點處可能產生的各次諧波電流最大值均遠小于對應的諧波電流限值。圖1給出了風電產生的諧波電流注入后，PCC節點的電壓波形以及各次諧波電壓含有率。同時，仿真計算表明，PCC節點的諧波電壓總畸變率為0.168%。PCC節點諧波電壓含有率較大值的諧波次數為2、4和7次，諧波電壓畸變率分別為0.047%、0.11%和0.075%，PCC節點的諧波電壓畸變率和電壓總畸變率均未超出國標規定的范圍。

3結論和建議

該項目的建設能有助于開發廣東海上風能資源，提高地區能源供應能力，有利于緩解電力工業的環保壓力，助力地區經濟的低碳持續發展，社會效益顯著。不論何種類型風力發電機組，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力發電機組中的電力電子變流環節。根據委托方提供的風力發電機組諧波電流實測數據，通過搭建電網模型并仿真計算不同運行工況下，該風電場并網運行引起的閃變和電壓變動均在國標允許限值內。該風電場運行過程中PCC節點產生的各次諧波電流注入均在國標的允許范圍內。

參考文獻

[1] 吳昊天.基于永磁風機并網技術的微電網優化運行研究[D].北京：華北電力大學，2021.

[2] 楊光亞.歐洲海上風電工程實踐回顧及未來技術展望[J/OL].電力系統自動化：1-10[2021-11-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210928.1608.009.html.

[3] 楊帆，張晶杰.碳達峰碳中和目標下我國電力行業低碳發展現狀與展望[J].環境保護，2021，49（Z2）：9-14.

[4] 周飛航.永磁同步風能轉換系統振動抑制及魯棒控制研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[5] 于澤洋.基于DIgSILENT軟件的雙饋風電場等值建模研究[D].大連：大連海事大學，2019.

[6] 刁哲偉.基于DIgSILENT的機組并網測試仿真及策略研究[D].南寧：廣西大學，2018.

[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.電能質量電壓波動和閃變：GB/T 12326-2008[S].北京：中國質量標準出版傳媒有限公司，2008.

[8] 國家技術監督局.電能質量公用電網諧波：GB/T 14549-1993[S].北京：中國標準出版社，1994.