白鴻斌， 王瑞紅

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

風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

白鴻斌1， 王瑞紅2

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

對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行后的電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行分析和計(jì)算，首先對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行引起閃變和諧波的原因進(jìn)行了分析，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)給出閃變和諧波的計(jì)算方法，最后結(jié)合實(shí)際算例對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行后的電能質(zhì)量計(jì)算分析方法進(jìn)行了說明。研究表明，風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行所帶來的電能質(zhì)量問題與風(fēng)電機(jī)組類型以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，應(yīng)在風(fēng)電場的規(guī)劃階段做好電能質(zhì)量的評估工作，防止風(fēng)電場接入電網(wǎng)后出現(xiàn)電能質(zhì)量問題。

風(fēng)力發(fā)電； 電能質(zhì)量； 諧波； 閃變

風(fēng)速變化使得風(fēng)電場的輸出功率發(fā)生波動，從而引起電網(wǎng)電壓波動。風(fēng)電機(jī)組自身固有的特性(風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、葉片重力偏差和偏航誤差等)也可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，進(jìn)而使電網(wǎng)出現(xiàn)可察覺的閃變現(xiàn)象[1～11]。風(fēng)電機(jī)組中的電力電子裝置是風(fēng)電系統(tǒng)主要的諧波源。變速風(fēng)電機(jī)組的變頻器在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中一直處于工作狀態(tài)，因此變頻器產(chǎn)生的諧波會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

本文首先對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行引起閃變和諧波問題的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)IEC和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出閃變和諧波的計(jì)算方法[12]，結(jié)合某實(shí)際風(fēng)電場接入地區(qū)電網(wǎng)的工程實(shí)例對電能質(zhì)量的分析方法進(jìn)行了說明。

1 風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行引起的閃變問題

1.1 引起閃變的原因

圖1 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意

(1)

風(fēng)電機(jī)組捕獲的風(fēng)能可表示為

(2)

式中：Pw是風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中獲取的能量轉(zhuǎn)化過來的風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率；ρ為空氣密度；cp(λ)為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，λ為葉尖速比；AR為風(fēng)輪掃過的面積；vw為風(fēng)速。

由式(2)可知，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速、空氣密度有關(guān)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)況的變化在零功率和額定功率之間不斷波動。定速風(fēng)電機(jī)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(wǎng)電壓的變化較大；而雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組一般采用恒功率因數(shù)控制方式，因此其無功功率波動相對較小。

受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響，葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生波動，且這種波動隨湍流強(qiáng)度的增加而增加。典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組啟動、停機(jī)和發(fā)電機(jī)組的切換(大小方式之間)，在機(jī)組切換操作過程中，切換操作會引起功率波動，從而引起風(fēng)電機(jī)組機(jī)端和其他節(jié)點(diǎn)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(wǎng)點(diǎn)短路容量，短路容量越大，閃變值越小。②網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)；在拐點(diǎn)之前，阻抗角度越大閃變值越??；在拐點(diǎn)之后，阻抗角度越大閃變值越大。

1.2 閃變計(jì)算

根據(jù)IEC61400-21標(biāo)準(zhǔn)“并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測試和評估”，可以計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場在連續(xù)運(yùn)行情況和切換操作情況下的閃變值。

1.2.1 連續(xù)運(yùn)行

風(fēng)電場內(nèi)多臺機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時產(chǎn)出的總的閃變計(jì)算式為

(3)

式中：Sk為公共連接點(diǎn)的短路容量；ci(ψk，va)指單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的閃變系數(shù)；ψk為公共連接點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)阻抗角；va為現(xiàn)場風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的年平均風(fēng)速；Sn,i是指單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定視在功率；Nwt指連接到公共連接點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)目。

1.2.2 切換操作

由于風(fēng)電場內(nèi)多臺機(jī)組切換操作所產(chǎn)出的總的閃變計(jì)算式分別為

(4)

(5)

式中：N10,i指在10 min內(nèi)第i臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切換操作的次數(shù)；kf,i(ψk)為第i臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的閃變階躍系數(shù)；Sn,i為第i臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率；N120,i指在120 min內(nèi)第i臺風(fēng)電機(jī)組切換操作的次數(shù)。

1.2.3 閃變傳遞

根據(jù)GB 12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》，電力系統(tǒng)不同母線節(jié)點(diǎn)上閃變的傳遞計(jì)算式為

Pst，A=TBAPst，B

(6)

2 風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行引起的諧波問題

2.1 諧波的起因分析

電力系統(tǒng)中的諧波是由于鐵磁飽和設(shè)備、電子開關(guān)設(shè)備和電弧設(shè)備等非線性設(shè)備的存在而造成。對于風(fēng)電機(jī)組來說，發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正來源是風(fēng)電機(jī)組中采用的電力電子元件。

對于定速風(fēng)電機(jī)組來說，由于沒有電力電子設(shè)備的參與，機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行過程中基本沒有諧波產(chǎn)生。當(dāng)機(jī)組進(jìn)行投入操作時，軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài)，將有諧波電流產(chǎn)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(fēng)電機(jī)組則采用了電力電子設(shè)備：雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子直接饋入電網(wǎng)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子則通過經(jīng)直流環(huán)節(jié)連接的兩個變流器(即轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器)饋入電網(wǎng)。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)電力則通過背靠背全功率變頻器直接饋入電網(wǎng)，該背靠背全功率變頻器由發(fā)電機(jī)側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)和電網(wǎng)側(cè)變流器組成。不論是哪種類型的變速風(fēng)電機(jī)組，機(jī)組投入運(yùn)行后變頻器都將始終處于工作狀態(tài)[15]。因此，變速風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行可能會引起諧波注入問題。

2.2 諧波計(jì)算

2.2.1 諧波電流允許值

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

當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)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(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為國標(biāo)規(guī)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(fēng)電機(jī)組連接在公共連接點(diǎn)上諧波電流的計(jì)算

根據(jù)IEC 61000-3-6給出的由負(fù)荷引起的諧波電流畸變總和的計(jì)算方法，IEC 61400-21給出了連接在公共連接點(diǎn)上的多臺風(fēng)電機(jī)組引起的諧波電流的計(jì)算式為

(8)

式中：IhΣ為公共連接點(diǎn)上的h次諧波電流畸變；Nwt為連接到公共連接點(diǎn)上的風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目；ni為第i臺風(fēng)電機(jī)組變壓器的變比；Ihi為第i臺風(fēng)電機(jī)組h次諧波電流畸變；β為表1中給出的指數(shù)。

表1 IEC 61000-3-6 指數(shù)的規(guī)定

3 算例分析

以2008年某地區(qū)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，在規(guī)劃容量為40 MW的某實(shí)際風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行后，對風(fēng)電場接入引起的電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)電場的并網(wǎng)方案

該風(fēng)電場的規(guī)劃容量為40 MW，擬采用20臺單機(jī)容量為2 MW的雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電場配套建設(shè)一座35 kV開關(guān)站，兩段獨(dú)立35 kV母線，每段母線上各有一回進(jìn)線和一回出線；每10臺風(fēng)電機(jī)組經(jīng)箱變升壓至35 kV后組成聯(lián)合單元接入風(fēng)電場開關(guān)站35 kV母線，然后通過兩回送出線接入電網(wǎng)，線路的導(dǎo)線型號都為LGJ-300，長度分別為3 km和1 km。風(fēng)電場接入方式如圖2所示。

圖2 某實(shí)際風(fēng)電場接線示意

3.2 閃變

風(fēng)電場擬采用的某2 MW變速風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時的閃變系數(shù)如表2所示。其中：ψk為電網(wǎng)阻抗角；va為輪轂高度處的年平均風(fēng)速。

表2 某變速風(fēng)電機(jī)組的閃變系數(shù)

根據(jù)GB12326-2000 《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》計(jì)算得到通過送出線1接入電網(wǎng)的風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)阻抗角為76°，根據(jù)式(3)和式(6)可以計(jì)算出這部分風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時在風(fēng)電場35 kV母線處產(chǎn)生的短時閃變值和長時閃變值都為0.051，傳遞至并網(wǎng)點(diǎn)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(wǎng)的風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)阻抗角為66°，這部分風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時在風(fēng)電場35 kV母線處產(chǎn)生的短時閃變值和長時閃變值為0.047，傳遞至并網(wǎng)點(diǎn)的短時閃變值和長時閃變值為0.044。

根據(jù)國標(biāo)的規(guī)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?，由該風(fēng)電場引起的閃變遠(yuǎn)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(fēng)電場擬采用的某2 MW變速風(fēng)電機(jī)組諧波電流的實(shí)測數(shù)據(jù)如表3所示。實(shí)測到的該風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的諧波電流

由于風(fēng)電場的20臺風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時產(chǎn)生的諧波電流分別進(jìn)行分析。

在相同的運(yùn)行狀態(tài)下，這兩部分風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波電流是相同的。根據(jù)表3中所給出的諧波電流實(shí)測數(shù)據(jù)以及風(fēng)電場的并網(wǎng)方式，可計(jì)算出這兩部分風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各次諧波的最大注入電流，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)電場運(yùn)行過程中產(chǎn)生的最大諧波電流

表5 某實(shí)際風(fēng)電場的諧波電流允許值

根據(jù)GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中35 kV電壓等級諧波注入電流限值的規(guī)定以及風(fēng)電場兩個接入點(diǎn)的短路容量，可以計(jì)算出風(fēng)電場兩部分風(fēng)電機(jī)組的諧波電流限值，相關(guān)內(nèi)容見表5。對比表4、表5可以看出，這兩部分風(fēng)電機(jī)組所產(chǎn)生的諧波注入都滿足國標(biāo)的相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)論

(1)閃變和諧波問題是電能質(zhì)量的兩個重要方面。本文對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行所引起的閃變和諧波問題進(jìn)行了分析研究，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了具體的分析計(jì)算方法，并通過算例對該電能質(zhì)量分析方法進(jìn)行了說明。

(2)制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃時，不但要考慮風(fēng)電場對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，同時還要結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)能資源的特性和風(fēng)電機(jī)組的特性進(jìn)一步分析風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行后對電網(wǎng)傳輸功率、無功功率和電壓控制、機(jī)組組合方式和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的影響。

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白鴻斌(1968-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事風(fēng)電場建設(shè)管理及運(yùn)營等方面的工作。Email:bhb20001968@126.com

王瑞紅(1966-)，男，高級工程師，學(xué)士，主要從事電網(wǎng)生產(chǎn)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