典型風(fēng)電場電能質(zhì)量測試評價(jià)方法

陳慧杰，常 瀟，李勝文

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

典型風(fēng)電場電能質(zhì)量測試評價(jià)方法

陳慧杰1，常 瀟2，李勝文2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

選取典型雙饋型風(fēng)電場，闡述了各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的全面檢測方法，在分析傳統(tǒng)電能質(zhì)量測試項(xiàng)目及方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于不同功率區(qū)間的并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測試方法。結(jié)合望狐風(fēng)電場實(shí)際測試結(jié)果，對提出的風(fēng)電場電能質(zhì)量檢測方法進(jìn)行了詳細(xì)說明，證明了該方法能夠全面、準(zhǔn)確地評估風(fēng)電場的電能質(zhì)量水平。

電能質(zhì)量；分功率區(qū)間；測試；風(fēng)電場

0 引言

近年來，風(fēng)電在中國發(fā)展迅猛，2014年風(fēng)電累計(jì)總裝機(jī)容量超過114.609 MW，位居世界風(fēng)電裝機(jī)容量第一。預(yù)計(jì)到2020年，中國風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到200 GW[1]。隨著風(fēng)電的大規(guī)模接入，電網(wǎng)的調(diào)峰能力、電壓控制以及電能質(zhì)量等都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，電能質(zhì)量問題導(dǎo)致風(fēng)電場無法正常運(yùn)行的事件屢有發(fā)生[2]。目前，在風(fēng)電行業(yè)發(fā)展中仍然存在著整體質(zhì)量偏低、運(yùn)行管理缺乏經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范、大規(guī)模脫網(wǎng)事件頻發(fā)等問題[3]。國內(nèi)外在風(fēng)電預(yù)測、接入、消納能力，以及風(fēng)電場接入對系統(tǒng)無功和經(jīng)濟(jì)性的影響等方面取得了較多研究成果[4－6]，然而在風(fēng)電場對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響方面，尤其是針對風(fēng)電場的電能質(zhì)量測試方法，仍需結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)而開展更深層次的討論和研究[7－9]。

1 電能質(zhì)量檢測

從20世紀(jì)90年代起，我國就陸續(xù)推出了一系列電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，分別從電網(wǎng)頻率、電壓偏差、三相不平衡度、諧波、閃變等方面的具體指標(biāo)作了詳細(xì)的界定。

1.1 電網(wǎng)頻率

依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[10]，電網(wǎng)頻率的測量以1 s、3 s或10 s間隔內(nèi)檢測到的整數(shù)周期個(gè)數(shù)與所測整數(shù)周期累計(jì)時(shí)間之比作為電網(wǎng)基波頻率，其中與1 s、3 s或10 s時(shí)鐘重疊的單個(gè)周期應(yīng)舍棄。測量時(shí)間間隔不能重疊，每1 s、3 s或10 s間隔應(yīng)在1 s、3 s或10 s時(shí)鐘開始時(shí)計(jì)時(shí)。

1.2 諧波

諧波指周期性變化的交流量中含有頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量，該分量通常通過傅里葉級數(shù)分解得到。衡量諧波的主要指標(biāo)為總諧波畸變率THD（total harmonic distortion），以電壓為例，其THD可表達(dá)為[11]

式中：U1——基波電壓（方均根值）；

UH——電壓諧波含量，，

Uh——第h次諧波電壓（方均根值）。

1.3 三相不平衡度

電壓的不平衡指的是三相電壓的幅值不同，或相位差不是120°，亦或兼而有之。三相不平衡度是表征電力系統(tǒng)中三相不平衡程度的指標(biāo)，通過電壓、電流的負(fù)序或零序基波分量與正序基波分量的方均根值的百分比來表示[12]。任意一組不對稱的三相相量（電壓或電流）A、B、C可分解為3組對稱分量A0、A1和A2的組合，其中

其中a為相角旋轉(zhuǎn)120°的算子，a=ej120°。

相對應(yīng)的不平衡度表達(dá)式為

不平衡度測量要求記錄周期為3 s，3 s內(nèi)均勻間隔取值，取值次數(shù)大于等于6次，每次測量取10個(gè)周波為間隔計(jì)算三相不平衡度[12]

式中：εk——3 s內(nèi)第k次測得的不平衡度；

m——3 s內(nèi)均勻間隔取值次數(shù)。

1.4 閃變

閃變是指人對白熾燈照明度波動(dòng)的主觀視感，由于一般用電設(shè)備對電壓波動(dòng)的敏感度遠(yuǎn)低于白熾燈，因此，將電壓的波動(dòng)情況轉(zhuǎn)化為閃變值，將其作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評價(jià)指標(biāo)。閃變的測量以連續(xù)的電壓信號(hào)作為輸入量，經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)變換，包括平方解調(diào)、0.05～35 Hz帶通濾波、8.8 Hz中心頻率加權(quán)濾波、平方，時(shí)間常數(shù)為300 ms的低通濾波，最終得出瞬時(shí)閃變視感度函數(shù)S(t)。該信號(hào)可以認(rèn)為是將不同頻率的信號(hào)折算到8.8 Hz后的值，可以直接反映電壓波動(dòng)引起燈光閃爍對人視覺的影響。通過累計(jì)概率函數(shù)CPF（cumulative probability function） 的方法對S(t)進(jìn)行分析，繪制出該段S(t)的CPF曲線，其短時(shí)間閃變值可由以下公式計(jì)算[13]

其中K0.1=0.031 4；K1=0.052 5；K3=0.065 7；K10=0.28； K50=0.080；P0.1、P1、P3、P10、P50為CPF曲線上等于0.1%、1%、3%、10%和50%時(shí)間的S(t)值。

長時(shí)間閃變值Plt的計(jì)算通過將測量時(shí)間段內(nèi)的短時(shí)間閃變值Pst計(jì)算，公式如下

式中：Pstj——2 h內(nèi)第j各短時(shí)閃變值。

1.5 電壓偏差

電壓偏差是指以系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為基準(zhǔn)，實(shí)際運(yùn)行電壓與基準(zhǔn)值的偏差相對值，通過百分?jǐn)?shù)形式表示。電壓偏差的測量要求，電壓有效值的測量時(shí)間窗口應(yīng)為10個(gè)周波；同時(shí)，每個(gè)測量時(shí)間窗口應(yīng)接近相鄰的測量時(shí)間窗口且不重疊，通過連續(xù)測量并計(jì)算電壓有效值的平均值，最終得出電壓偏差值，計(jì)算公式如下[14]

式中：DU——電壓偏差；

VM——電壓測量值；

VS——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

2 風(fēng)電場電能質(zhì)量測試

風(fēng)力發(fā)電是國家政策鼓勵(lì)和技術(shù)較為成熟的可再生清潔能源，發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。為促進(jìn)加強(qiáng)風(fēng)電場并網(wǎng)管理，提高大規(guī)模風(fēng)電接入下電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，根據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2011）、《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》 （Q/GDW 392—2009）、《風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測試規(guī)程》 （Q/GDW 630—2011），對通過110（66 kV）及以上電壓等級線路與電網(wǎng)連接的新建或擴(kuò)建風(fēng)電場進(jìn)行電能質(zhì)量測試。

2.1 測試方法及測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

測點(diǎn)選擇：一般為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)。

測試信號(hào)：三相相電壓、三相電流。

測試過程為以下幾方面。

a)風(fēng)電場背景電能質(zhì)量測試。背景電能質(zhì)量測試期間，風(fēng)電場各集電線路、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置均停止運(yùn)行，測試時(shí)間至少24 h。

b)風(fēng)電場運(yùn)行電能質(zhì)量測試。并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測試期間，風(fēng)電場各集電線路、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置均正常運(yùn)行，測試時(shí)間至少24 h。

c)不同功率區(qū)間并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測試。風(fēng)電場功率區(qū)間由風(fēng)電場額定容量的80%降到0%（亦可由0%上升至80%），以10%～20%的步長，每個(gè)區(qū)間持續(xù)時(shí)間1 h，針對每一區(qū)間，分別分析對應(yīng)的風(fēng)電場運(yùn)行電能質(zhì)量（長時(shí)閃變除外）。

數(shù)據(jù)記錄：測量數(shù)據(jù)依照電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中，諧波數(shù)據(jù)，以測量時(shí)段內(nèi)三相實(shí)測量值的95%概率值中的最大值相作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。95%概率值的選取，通過將實(shí)測值由大到小次序排列，舍棄排在前5%的大值，取剩余數(shù)值中的最大值作為該測試點(diǎn)測量值。

2.2 限值要求

對于風(fēng)電場電能質(zhì)量指標(biāo)的要求限值，參考了國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對于電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的要求限值；另外，對于風(fēng)電場供電區(qū)域內(nèi)存在對電能質(zhì)量有特殊要求的重要用戶，風(fēng)電場電能質(zhì)量則按實(shí)際情況相應(yīng)提高。

2.2.1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

2.2.2 電壓不平衡度限值

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)小于2%，短時(shí)不得大于4%。

對于接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶，其對該公共點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度影響允許值一般為1.3%，短時(shí)不超過2.6%。

2.2.3 電壓偏差限值

對于35 kV及以上供電電壓等級，正、負(fù)偏差的絕對值之和應(yīng)小于額定電壓的10%。

風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓參照35 kV及以上供電電壓偏差限值執(zhí)行，正、負(fù)偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；同時(shí)，正常運(yùn)行方式下，其電壓下、上偏差應(yīng)在標(biāo)稱電壓的-3%~+7%范圍內(nèi)。

另外，電壓偏差限值也可由調(diào)度部門和風(fēng)電場開發(fā)運(yùn)營企業(yè)，根據(jù)電網(wǎng)特點(diǎn)、風(fēng)電場位置及規(guī)模等因素共同確定。

2.2.4 頻率偏差限值

我國電力系統(tǒng)一般要求正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz；當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，頻率偏差允許值可以放寬到±0.5 Hz；孤立電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)條件在保證發(fā)電機(jī)組和網(wǎng)內(nèi)電力用戶安全穩(wěn)定運(yùn)行及正常供電前提下，可適當(dāng)放寬頻率偏差限值。

2.2.5 電壓閃變限值

長時(shí)間閃變值Plt的限值根據(jù)電壓等級劃分，對于電壓等級小于110 kV的系統(tǒng)，其Plt應(yīng)不大于0.8；對于電壓等級大于或等于110 kV的系統(tǒng)，其Plt應(yīng)不大于1。

3 案例分析

以望狐風(fēng)電場為例，目前建設(shè)有24臺(tái)單機(jī)容量為2MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘繛?9.5 MW。主變壓器容量為100 MVA，25臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過2回集電線路接入升壓站35 kV母線，經(jīng)1號(hào)主變壓器升壓后，以一回220 kV線路，接入廣靈甸頂山風(fēng)電場220 kV升壓站的220 kV母線。

3.1 測點(diǎn)位置

根據(jù)測試要求，在電能質(zhì)量測試環(huán)節(jié)中，測點(diǎn)選取為220 kV出線并網(wǎng)點(diǎn)。

3.2 風(fēng)電場背景電能質(zhì)量測試

望狐風(fēng)電場背景電能質(zhì)量測試期間，風(fēng)電場各集電線路、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置均停止運(yùn)行，在此期間對風(fēng)電場背景電能質(zhì)量狀況進(jìn)行測試。

背景電能質(zhì)量測試結(jié)果有以下幾個(gè)方面。

三相電壓不平衡度 (95%概率大值)：測量值0.14%，國標(biāo)限值2.0%；

電壓總諧波畸變率 (95%概率大值)：測量值0.89%，國標(biāo)限值2.0%；

頻率變化：最大值50.04 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，國標(biāo)限值49.8～50.2 Hz；

長時(shí)閃變測量值：0.08，國標(biāo)限值0.8；

電壓上偏差最大值5.73%，下偏差0%，國標(biāo)限值－3%～＋7%；

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，望狐風(fēng)電場退出電網(wǎng)期間，并網(wǎng)點(diǎn)處各項(xiàng)背景電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。

3.3 風(fēng)電場運(yùn)行電能質(zhì)量測試

并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測試期間，風(fēng)電場各集電線路、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置均正常運(yùn)行，期間風(fēng)電場輸出有功功率為10.28～39.75 MW。

三相電壓不平衡度 (95%概率大值)：測量值0.19%，國標(biāo)限值2.0%；

電壓總諧波畸變率 (95%概率大值)：測量值0.8%，國標(biāo)限值2.0%；

頻率變化：最大值50.05 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，國標(biāo)限值49.8～50.2 Hz；

長時(shí)閃變測量值：0.17，國標(biāo)限值0.8；

電壓上偏差4.35%，下偏差0%，國標(biāo)限值－3%～＋7%；

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，望狐風(fēng)電場正常并網(wǎng)運(yùn)行期間，并網(wǎng)點(diǎn)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。

3.4 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量測試結(jié)果

風(fēng)電場功率區(qū)間由風(fēng)電場額定容量的0%增加至80%，每個(gè)區(qū)間持續(xù)時(shí)間1 h，有功功率變化趨勢圖見圖1。針對每一區(qū)間，分析對應(yīng)的風(fēng)電場運(yùn)行電能質(zhì)量。

風(fēng)電場不同功率區(qū)間的電能質(zhì)量主要指標(biāo)測試結(jié)果見表2。

圖1 有功功率變化趨勢圖

表2 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量主要指標(biāo)測試結(jié)果

表2中各指標(biāo)最大值取三相中最大值，最小值取三相中最小值，95%概率大值取三相中最大值，電壓偏差平均值取三相中最大值。根據(jù)實(shí)測結(jié)果繪制出各功率區(qū)間下不同電能質(zhì)量指標(biāo)的變化趨勢圖。

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，望狐風(fēng)電場正常并網(wǎng)運(yùn)行期間，并網(wǎng)點(diǎn)處各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。如圖2至圖6可知，風(fēng)電場各項(xiàng)指標(biāo)除短時(shí)閃變隨有功輸出功率的減小而減小外，其余各指標(biāo)均一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖2 不同功率區(qū)間電壓總諧波畸變率變化趨勢圖

圖3 不同功率區(qū)間短時(shí)閃變變化趨勢圖

圖4 不同功率區(qū)間頻率變化趨勢圖

圖5 不同功率區(qū)間電壓負(fù)序不平衡度變化趨勢圖

圖6 不同功率區(qū)間電壓偏差變化趨勢圖

4 結(jié)論

a)風(fēng)電場在不同功率區(qū)間運(yùn)行狀態(tài)下，其諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)有差別。

b)風(fēng)電場與傳統(tǒng)電能質(zhì)量測試不同，應(yīng)采用不同功率區(qū)間的連續(xù)電能質(zhì)量進(jìn)行測試和分析等方法進(jìn)行測試分析，以求更全面、準(zhǔn)確地評估風(fēng)電場電能質(zhì)量水平。

c)通過對實(shí)際風(fēng)電場開展背景、隨機(jī)運(yùn)行和分功率區(qū)間運(yùn)行電能質(zhì)量實(shí)測的結(jié)果表明，本文中的方法適用于一般性風(fēng)電場并網(wǎng)電能質(zhì)量測試評價(jià)。

[1]趙宏博，姚良忠，王偉勝，等.大規(guī)模風(fēng)電高壓脫網(wǎng)分析及協(xié)調(diào)預(yù)防控制策略 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015(23)：43-48，65.

[2]張明江，師廣志，任強(qiáng).風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測試及分析 [J].黑龍江電力，2013(01)：30-34，37.

[3]李丹，賈琳，許曉菲，等.風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)原因及對策分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(22)：41-44.

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[13]中國電力科學(xué)研究院，廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，等.電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變GB/T 12326—2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1-12.

[14]中國電力科學(xué)研究院，華北電力科學(xué)研究院有限公司，中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，等.電能質(zhì)量供電電壓偏差GB/ T12325—2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1-4.

Power Quality Testing and Evaluating Method for TypicalWind Farm

CHEN Huijie1，CHANG Xiao2，LIShengwen2

（1.State Grid Xinzhou Power Supply Company of SEPC,Xinzhou,Shanxi 034000,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001，China）

Based on a typical double-fed wind farm,comprehensive testingmethod for each index of wind farm power quality is elaborated.Besidesconventionalmeasuring itemsandmethods forpowerquality,thenew testingmethod couldmeasure the powerquality of thewind farm underdifferentpower conditions.According to theactual testing resultinWanghuwind farm,the powerquality testingmethod isillustrated in detail.Consequently,themethod isverified tobeaccurateand comprehensive forpowerquality testing inwind farm.

powerquality;differentpowerareas;powerquality test;wind farm

TM614

A

1671-0320（2016）06-0026-05

2016-07-22，

2016-10-18

陳慧杰（1973），男，山西靜樂人，2010年畢業(yè)于忻州師范學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)，學(xué)士，工程師，從事電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行工作；

常 瀟（1987），男，山西榆社人，2013年畢業(yè)于英國斯特拉思克萊德大學(xué)電子與電力工程專業(yè)，博士，工程師，從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗(yàn)工作；

李勝文（1986），男，山西朔州人，2013年畢業(yè)于天津大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，工程師，從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗(yàn)工作。