風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測(cè)試及分析

張明江，師廣志，任 強(qiáng)

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

風(fēng)電的大規(guī)模接入對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰能力、電壓控制特性及電能質(zhì)量提出較大挑戰(zhàn)，電能質(zhì)量的低劣導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法正常運(yùn)行的事件屢有發(fā)生［1－3］。而且，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)自動(dòng)脫網(wǎng)，造成電網(wǎng)電壓和頻率的崩潰，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也限制了風(fēng)力發(fā)電清潔能源的應(yīng)用。因此，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文以黑龍江省某風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化、無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 風(fēng)電場(chǎng)介紹

風(fēng)電場(chǎng)位于黑龍江省東南部，所處區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懠竟?jié)風(fēng)氣候，風(fēng)資源較好。總裝機(jī)容量為99．6 MW，共安裝54臺(tái)電機(jī)容量為 1．8 MW 和

2 MW的丹麥維斯塔斯V90型風(fēng)電機(jī)組，配套建設(shè)一座220 kV升壓站，接入系統(tǒng)變電所并網(wǎng)。在風(fēng)電場(chǎng)的35 kV側(cè)安裝有額定容量為12 MVA的濾波電容器和額定容量為6 MVA的SVG，主接線示意圖如圖1所示。測(cè)試期間，濾波電容器因故障退出運(yùn)行，SVG正常運(yùn)行，風(fēng)機(jī)全部正常運(yùn)行。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)主接線示意圖

表1 風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)有功功率0．2 s平均值 kW

2 測(cè)試分析

測(cè)試地點(diǎn)為風(fēng)電場(chǎng)升壓站220 kV出線，測(cè)試儀器為奧地利公司DEWE5000數(shù)據(jù)采集儀。測(cè)試內(nèi)容包括:風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化測(cè)試、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力測(cè)試和風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試期間風(fēng)速變化和有功功率變化如圖2和圖3所示。

圖2 測(cè)試期間風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化

圖3 測(cè)試期間風(fēng)電場(chǎng)三相總有功率變化

2．1 有功功率變化測(cè)試

2．1．1 風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行工況

1)有功功率0．2 s平均值。風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)采集三相電壓和三相電流，采樣頻率不低于800 Hz。輸出功率從0至額定功率的100%，以10%的額定功率為區(qū)間，每個(gè)功率區(qū)間、每相至少應(yīng)采集風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)5個(gè)10 min時(shí)間序列瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流值的測(cè)量值;通過(guò)計(jì)算得到所有功率區(qū)間的風(fēng)電場(chǎng)有功功率的0．2 s平均值。風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)有功功率0．2 s平均值測(cè)試結(jié)果如表1所示。

2)1 min和10 min有功功率變化。以測(cè)試開(kāi)始為零時(shí)刻，計(jì)算零時(shí)刻至60 s時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率最大值和最小值，兩者之差為1 min有功功率變化;同樣計(jì)算0．2 s至60．2 s時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率最大值和最小值，得出1 min有功功率變化，依此類推，計(jì)算出1 min有功功率變化，測(cè)試結(jié)果如表2所示。10 min有功功率變化的計(jì)算方法與1 min有功功率變化的計(jì)算方法相同，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表2和表3可以看出，風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行情況下，1 min和10 min有功功率變化滿足標(biāo)準(zhǔn)［4］要求。

2．1．2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工況

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率達(dá)到或超過(guò)額定容量的75%時(shí)，切除全部運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組;之后風(fēng)電場(chǎng)重新并網(wǎng)，此時(shí)為測(cè)試開(kāi)始零時(shí)刻，用與正常工況相同的方法計(jì)算出1 min和10 min的有功功率變化，測(cè)試結(jié)果如表4所示。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)有功功率曲線如圖4所示。

表2 正常運(yùn)行情況下風(fēng)電場(chǎng)1 min有功功率變化MW

表3 正常運(yùn)行情況下風(fēng)電場(chǎng)10 min有功功率變化MW

表4 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)情況下1 min和10 min有功功率變化 MW

圖4 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)有功功率曲線

2．1．3 風(fēng)電場(chǎng)正常停機(jī)工況

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率達(dá)到或超過(guò)風(fēng)電場(chǎng)額定容量的75%時(shí)，切除全部運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組，此時(shí)為測(cè)試開(kāi)始零時(shí)刻，用與正常工況相同的方法計(jì)算出1 min和10 min的有功功率變化，測(cè)試結(jié)果如表5所示。風(fēng)電場(chǎng)正常停機(jī)時(shí)有功功率曲線如圖5所示。

2．2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力測(cè)試

設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)按照并網(wǎng)點(diǎn)電壓恒定方式運(yùn)行，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)采集三相電壓和三相電流，采樣頻率不小于800 Hz。輸出功率從0至額定功率的80%，以額定功率的10%為區(qū)間，每個(gè)區(qū)間至少收集10個(gè)1 min有功功率和無(wú)功功率數(shù)據(jù)系列。計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率，其有功功率和無(wú)功功率為1 min平均值，測(cè)試結(jié)果如表6所示。風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率、有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線如圖6－圖13所示。

表5 風(fēng)電場(chǎng)正常停機(jī)情況下1 min有功功率變化MW

圖5 風(fēng)電場(chǎng)正常停機(jī)時(shí)有功功率曲線

表6 有功功率和無(wú)功功率的1 min平均值

圖6 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(0～10%)

圖7 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(10%～20%)

圖8 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(20%～30%)

圖9 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(30%～40%)

圖10 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(40%～50%)

圖11 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(50%～60%)

圖12 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(60%～70%)

圖13 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率相對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化曲線(70%～80%)

由文獻(xiàn)［5］可知，當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)能夠控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的97%～107%。即對(duì)于220 kV電壓等級(jí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)能夠控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在213．4～235．4 kV。

由圖6～圖13可以看出，風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行情況下，在0～80%的有功功率范圍內(nèi)，均可以保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

2．3 風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試

2．3．1 諧波測(cè)試

1)背景諧波測(cè)試。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組全部停機(jī)時(shí)，測(cè)試背景電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓和間諧波電壓，測(cè)試周期為24 h，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 背景主要諧波電壓和間諧波電壓

2)正常運(yùn)行諧波測(cè)試。風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)試諧波電流、電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓和間諧波電壓，測(cè)試結(jié)果如表8和表9所示。

表8 正常運(yùn)行時(shí)各次諧波電壓和間諧波電壓

由表8和表9可以看出，風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行情況下，所產(chǎn)生的5、7、11和13次諧波電流超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［6］規(guī)定的允許值要求，間諧波電壓滿足國(guó)標(biāo)［7］限值要求。

表9 正常運(yùn)行時(shí)各次諧波電流

2．3．2 閃變測(cè)試

1)背景閃變測(cè)試。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組全部停機(jī)時(shí)，測(cè)試背景長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt0，測(cè)試周期為24 h，測(cè)試結(jié)果如表10所示。

表10 背景長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt0

2)正常運(yùn)行閃變測(cè)試。風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)試長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt1，測(cè)試結(jié)果如表11所示。

表11 正常運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt1

根據(jù)文獻(xiàn)［4，8］的規(guī)定，波動(dòng)負(fù)荷單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值為

式中:Plt2為波動(dòng)負(fù)荷單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值;Plt1為波動(dòng)負(fù)荷投入時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間閃變測(cè)量值;Plt0為背景閃變值，是波動(dòng)負(fù)荷退出時(shí)一段時(shí)期內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間閃變測(cè)量值。測(cè)試結(jié)果如表12所示。

表12 風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt2

由表12可以看出，正常運(yùn)行情況下，風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［8］規(guī)定限值要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的測(cè)試，掌握了風(fēng)電場(chǎng)的有功功率特性、無(wú)功調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量等參數(shù)，同時(shí)，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)諧波電流超標(biāo)，因此，建議將濾波電容器檢修后盡快投入運(yùn)行或改變SVG的控制策略，使其具有有源濾波的功能，務(wù)必使電能質(zhì)量合格，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］張鵬，趙喜，尹柏清，等．大規(guī)模運(yùn)行風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故調(diào)查分析［J］．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010，28(2):1－4．

［2］馬昕霞，宋明中，李永光．風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及其對(duì)電能質(zhì)量的影響［J］．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，22(3):283－286．

［3］顧力，曹文，奚永巍，等．對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估［J］．供用電，2011，28(1):71－72．

［4］國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn) Q/GDW 630－2011風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測(cè)試規(guī)程［S］．

［5］國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn) Q/GDW 392－2009風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］．

［6］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14549－1993電能質(zhì)量．公用電網(wǎng)諧波［S］．

［7］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24337－2009電能質(zhì)量．公用電網(wǎng)間諧波［S］．

［8］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 12326－2008電能質(zhì)量．電壓波動(dòng)和閃變［S］．