風(fēng)電場并網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

張中力　安琪

摘要：近幾年來，風(fēng)電作為一種可再生能源獲得廣泛的應(yīng)用。但風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)還并不完善，風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)后會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，這種影響日益加劇。本研究通過對風(fēng)電并網(wǎng)模型的仿真分析，對模型在各種情況下各節(jié)點(diǎn)的電壓波動、電流波動、功率變化以及對配電網(wǎng)的影響進(jìn)行了分析。本研究在 MATLAB/Simulink 仿真環(huán)境下，以實(shí)際算例為基礎(chǔ)，完成基于雙饋型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立，在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的幾種情況下，分析風(fēng)電場并網(wǎng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;電能質(zhì)量;并網(wǎng);MATLAB

1.引言

風(fēng)力發(fā)電是一種新能源技術(shù)，在各種可再生能源發(fā)電中除水電之外技術(shù)最成熟，商業(yè)化程度最高。中國在 2005 年頒布了一系列鼓勵風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的政策，使中國的風(fēng)電行業(yè)逐步進(jìn)入快速發(fā)展的階段?！笆濉逼陂g，我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量累計(jì)新增 9800 萬千瓦，占同期新增裝機(jī)總量的 18%，電源結(jié)構(gòu)比例逐年上升。截至 2015 年底，全國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到 1.29億千瓦，年發(fā)電量 1863 億千瓦，占全國總發(fā)電量的 3.3%，比 2010 年提高了 2.1%。風(fēng)力發(fā)電已成為繼煤電、水電之后的中國第三大電源。

然而隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，也給電力系統(tǒng)帶來了一系列問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性相比于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組發(fā)生了很大變化。風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)的位置往往處在電網(wǎng)的末端，風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)都還沒有完善，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率和風(fēng)電場的容量日益增加，這些問題給風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)帶來了一系列問題，限制了風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展， 降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，也使得電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。因此，研究風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，解決風(fēng)電場并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題，是十分重要的課題。

2.風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)的電能質(zhì)量問題的研究

2.1電壓波動和閃變問題的研究

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率波動時，電網(wǎng)電壓將產(chǎn)生波動，這是電壓波動和閃變產(chǎn)生的根本原因。風(fēng)速和湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的波動，與電網(wǎng)的功率交換也會受到影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的連接點(diǎn)處附近的電壓波動和閃變。同時，塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切的影響也會對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的影響，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的波動并使其產(chǎn)生電壓波動。風(fēng)速的隨機(jī)性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率在機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行過程中會出現(xiàn)波動。風(fēng)速的波動將直接影響風(fēng)電機(jī)組的電壓波動。當(dāng)風(fēng)速增大時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波動也會增加，風(fēng)速與電壓波動成正相關(guān)關(guān)系。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不僅在機(jī)組切換過程中產(chǎn)生電壓波動，而且在正常的連續(xù)運(yùn)行過程中也會產(chǎn)生電壓波動。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也對風(fēng)力發(fā)電機(jī)引起的電壓波動有影響。電網(wǎng)線路的電源阻抗電阻和電感比值，還有風(fēng)電場公共連接點(diǎn)的短路容量比值是引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓波動的重要因素。

電壓波動會對實(shí)際的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，突發(fā)的電壓波動會影響企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的還可能使產(chǎn)品不合格，對于精確度要求較高的產(chǎn)品來說，一個十分輕微的電壓波動就可能造成產(chǎn)品的不合格，對于企業(yè)來說損失是十分嚴(yán)重的。電壓波動會影響普通照明設(shè)備的正常運(yùn)行，使設(shè)備發(fā)生閃爍，還會引起一些電子設(shè)備和儀器的不正常工作，減少電力設(shè)備的壽命。因此，才要減少電壓波動和閃變的產(chǎn)生。

2.2電壓偏差問題的研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速處在額定轉(zhuǎn)速附近時才會并入電網(wǎng)。在并入電網(wǎng)后短時間內(nèi)會從電網(wǎng)中吸收大量的無功來保證發(fā)電機(jī)的正常啟動，這會造成發(fā)電機(jī)輸出電壓降低，雖然在并聯(lián)電容器組的作用下會使系統(tǒng)吸收的無功功率逐漸降至零，系統(tǒng)的輸出電壓回到額定值。但這種補(bǔ)償不是完美的，因?yàn)殡娙萜餍枰鸺壍耐度?，每次投入不會正好能夠補(bǔ)償系統(tǒng)對于無功功率的吸收，就會出現(xiàn)欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償現(xiàn)象。根據(jù)無功功率和電壓的關(guān)系，可知欠補(bǔ)償會導(dǎo)致電壓降低，而過補(bǔ)償則會導(dǎo)致電壓升高，所以這種調(diào)節(jié)是呈階梯性的，每次調(diào)節(jié)并不穩(wěn)定，這就會造成系統(tǒng)吸收的無功功率不會穩(wěn)定減少，會產(chǎn)生波動，這就導(dǎo)致了電壓偏差的產(chǎn)生。

當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行電壓產(chǎn)生偏差時，會對電網(wǎng)造成不良影響。一種是系統(tǒng)運(yùn)行電壓較高，將會造成系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備絕緣的損耗，造成鐵芯設(shè)備的飽和，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生，并可能引發(fā)鐵磁諧振;另一種是系統(tǒng)運(yùn)行電壓較低，輸電線路的功率極限大大降低，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定，甚至是系統(tǒng)頻率的崩潰，電網(wǎng)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(tǒng)中的電力電子設(shè)備時會由于電磁特性的作用受到非正弦波的干擾。當(dāng)在電力系統(tǒng)注入諧波時，注入點(diǎn)的電壓就會發(fā)生變形，進(jìn)而對電力電子系統(tǒng)造成較強(qiáng)的電磁干擾。影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也給周邊電氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

諧波的影響作用很強(qiáng)大，其涉及范圍主要包括兩大方面，一是對電力系統(tǒng)本身的正常運(yùn)行造成了干擾，使一些對頻率敏感的電力設(shè)備出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致其壽命減少、損耗增加;比如使發(fā)電機(jī)額外地增加了負(fù)載，導(dǎo)致效率低下;再如對繼電保護(hù)設(shè)備的動作特性產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致誤動;使通信線路產(chǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備會存在過多的損耗，并且存在嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，會致使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命不斷下降。

3.風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)影響仿真分析

3.1仿真系統(tǒng)描述

仿真模型中風(fēng)電機(jī)組由 6 臺相同型號的 1.5MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成，風(fēng)電機(jī)組輸出的是 690V 交流電壓，經(jīng)過 20km 的輸電線路與升壓變壓器相連，將電壓升至 35kV，然后經(jīng)過 30km 架空線路，與一個普通發(fā)電機(jī)通過一個變比為 110kV/35kV 的變壓器相連。該風(fēng)電系統(tǒng)的接線圖如圖1所示，其中6臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成的風(fēng)電機(jī)組可以認(rèn)為是一個整體，即視為一個發(fā)電機(jī)。在正常運(yùn)行過程中，風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出有功功率，并從電網(wǎng)中吸收一部分無功功率，其他的部分由自身的無功補(bǔ)償解決。從電網(wǎng)側(cè)看，風(fēng)電機(jī)組就相當(dāng)于一個輸出有功， 吸收無功的“負(fù)荷”。

該風(fēng)電系統(tǒng)的仿真分析可以通過調(diào)用 MATLAB 中的 SimPowerSystems 中的雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模塊來實(shí)現(xiàn)，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在風(fēng)速發(fā)生改變的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，輸出恒頻的交流電，使發(fā)電機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，提高了風(fēng)能的利用率。

3.2擾動對電網(wǎng)的影響

在電壓控制模式下，當(dāng)電網(wǎng)中35kV 系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn) 2、3之間出現(xiàn)擾動時，風(fēng)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(jié)果顯示，擾動在t=5s出現(xiàn)，持續(xù)了0.5s。風(fēng)電場在1處的電壓在擾動出現(xiàn)后產(chǎn)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(jié)點(diǎn)電流在擾動出現(xiàn)后發(fā)生了變化，擾動結(jié)束后變回?cái)_動前的電流值，風(fēng)電場輸出的有功功率也發(fā)生了波動，波動較電流來說劇烈一些，擾動結(jié)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(chǎn)生的這些無功用于維持發(fā)電機(jī)電壓保持在門檻值0.9（p.u.）以上。

電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn) 1、2 和 4 的電壓、節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的電壓均產(chǎn)生了波動，離風(fēng)電場越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，波動程度越大，節(jié)點(diǎn) 2 處的有功功率和無功功率在擾動出現(xiàn)后發(fā)生了變化，當(dāng) 0.5s 后擾動去除后又恢復(fù)為擾動前的有功功率和無功功率值，系統(tǒng)恢復(fù)了穩(wěn)定運(yùn)行。

在無功功率控制模式下，當(dāng)電網(wǎng)中 35kV 系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn) 2、3 之間出現(xiàn)擾動時，風(fēng)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(fēng)電場在節(jié)點(diǎn)1 處的電壓在擾動出現(xiàn)后開始下降，降至門檻值0.9（p.u.）以下， 擾動結(jié)束后回到額定值附近。節(jié)點(diǎn)電流經(jīng)過短暫的波動后，變回?cái)_動前的電流值，但基本上保持不變。風(fēng)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(jié)束后保持在 1.9MW 左右。因?yàn)橄到y(tǒng)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(wǎng)中節(jié)點(diǎn) 1、2 和 4 的電壓、節(jié)點(diǎn) 2 的有功功率和無功功率變化如圖5所示。節(jié)點(diǎn) 4電壓的變化較小與電壓控制模式下電壓變化類似，節(jié)點(diǎn) 1、2 的電壓下降較多。節(jié)點(diǎn) 2 處的有功功率和無功功率在擾動出現(xiàn)后發(fā)生了變化，當(dāng) 0.5s 后擾動去除后又恢復(fù)為擾動前的有功功率和無功功率值，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。仿真結(jié)果表明，這樣的波動不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3三相短路故障對電網(wǎng)的影響

在電壓控制模式下，當(dāng)電網(wǎng)中 35kV 系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn) 2、3 之間的 30km 輸電線路中的一回線路發(fā)生三相接地故障時，風(fēng)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(fā)生，經(jīng)過 0.2s 后切除。風(fēng)電場在節(jié)點(diǎn) 1 處的電壓在短路故障發(fā)生后急劇降為 0，風(fēng)電場與系統(tǒng)解列，風(fēng)電場的節(jié)點(diǎn)電流、有功功率也在短時間的波動后降為 0，無功功率經(jīng)波動后保持 0 不變。

在無功功率控制模式下，當(dāng)電網(wǎng)中 35kV 系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn) 2、3 之間的 30km 輸電線路中的一回線路發(fā)生三相接地故障時，風(fēng)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(fēng)電場在節(jié)點(diǎn) 1 處的電壓在短路故障發(fā)生后急劇降為 0，風(fēng)電場與系統(tǒng)解列，風(fēng)電場的節(jié)點(diǎn)電流、有功功率也在短時間的波動后降為 0，無功功率經(jīng)波動后保持 0 不變。

4.總結(jié)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜合多個領(lǐng)域的知識，系統(tǒng)十分復(fù)雜。本文只以雙饋風(fēng)電機(jī)組為主，建立了一個簡單的電網(wǎng)模型，對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的影響進(jìn)行了基礎(chǔ)性的分析，許多問題還有待作進(jìn)一步的研究?？偠灾?，風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的需要，需要我們做出更多的努力。

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