投產(chǎn)運行風電場電能質(zhì)量檢測分析及控制措施研究

楊耀武

（中國大唐集團有限公司 重慶分公司新能源事業(yè)部，重慶 408500）

0 引 言

近年來，新能源發(fā)電高速發(fā)展，風電裝機成為電力能源中不可或缺的部分。風電的快速發(fā)展雖然為能源安全和環(huán)境安全做出了巨大貢獻，但也給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。風能資源具有較強的波動性和間歇性。目前，風電場功率中長期預測準確率較高，但難以控制風速突變情況下的預測偏差，超短時預測存在較大誤差，導致系統(tǒng)應對波動和實施負荷調(diào)整處于被動局面，嚴重影響了電力可靠性[1]。系統(tǒng)通過參數(shù)優(yōu)化、功率跟蹤、并網(wǎng)控制、無功補充以及儲能技術(shù)等手段，提高了變速風力發(fā)電機組的可控性，但如何有效吸收大規(guī)模的間歇性能量仍然是一項緊迫的任務[2]。風能的波動與間歇性特征給風電場并網(wǎng)帶來的不確定性會隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變而變化，尤其是風場設備老舊且電網(wǎng)容量變小時，風場電能質(zhì)量差將導致風機拖網(wǎng)。如何在不更換風機及其控制系統(tǒng)的前提下保證風場安全可靠運行是本文研究的重點[1]。

1 電量質(zhì)量指標

電壓波動指電壓有效值的快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動大小可由相對電壓變動特性d來描述：

式（1）中，ΔU為線路首末端電壓差，UN為線路額定電壓。當風力發(fā)電機機組并網(wǎng)運行發(fā)電時，出線上的壓降為：

式（2）中，P為線路有功功率損耗，Q為線路無功功率損耗，R為線路電阻，X為線路電抗，U1為線路首端電壓。由式（2）可以看出，當風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行時過程中無功功率波動時，出線電壓會產(chǎn)生波動，從而引起系統(tǒng)電壓波動。

閃變現(xiàn)象在風力發(fā)電機機組功率波動較大時產(chǎn)生，功率計算公式為：

式（3）中：P為有功功率；ρ為空氣密度；A為風輪掃風面積；v為風速；Cp(λ,β)為風能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。

根據(jù)式（3）可知，風機機組有功功率與風速和空氣密度有關(guān)，其中風速對風機有功功率影響最大。此外，塔影效應、尾流效應以及偏航誤差等因素也會引起風機輸出功率的波動。根據(jù)式（2）和式（3）可知，風電場功率變化會引起電壓波動，并導致系統(tǒng)電壓的波動。

2 風電場并網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響

大規(guī)模風力發(fā)電對系統(tǒng)的影響非常復雜。大規(guī)模風力發(fā)電機組并網(wǎng)后，對系統(tǒng)無功功率的需求是造成電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性下降的主要原因。當前技術(shù)下，風力發(fā)電機組采取的是直驅(qū)風機或雙饋風機，其中雙饋風機為異步發(fā)電機，并網(wǎng)發(fā)電過程在發(fā)出有功功率的同時需從系統(tǒng)吸收大量無功功率。如果在并網(wǎng)過程中風電場功率發(fā)生突變，將可能導致系統(tǒng)電壓暫降，從而引發(fā)電能質(zhì)量畸變和電壓崩潰。當電網(wǎng)系統(tǒng)無窮大或電網(wǎng)無功功率充足時，小規(guī)模風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊有限。但是，系統(tǒng)較為薄弱或大規(guī)模風電場發(fā)生功率突變時，小規(guī)模風電場并網(wǎng)運行將對電網(wǎng)的沖擊較大。正常運行下，風電場并網(wǎng)提高了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或運行方式發(fā)生變化時，如電網(wǎng)強度、風力發(fā)電機組并網(wǎng)規(guī)模、風機類型、風機電壓穿透能力以及系統(tǒng)無功補償?shù)纫蛩刈兓瘯r，都會引發(fā)系統(tǒng)電壓暫降。其中，風力發(fā)電機組并網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)無功補償裝置對并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響最大。對于雙饋風機發(fā)電機組而言，風能間歇性波動的不確定性和風電機組的運行特性使風電機組的輸出功率發(fā)生波動，從而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、波動、閃變以及諧波等[3]。

如果風電容量占電網(wǎng)總裝機容量的比例很小，那么風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響較小。當前部分區(qū)域風電場并網(wǎng)接入的系統(tǒng)強度不足，尤其是西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)通過直流背靠背異步聯(lián)網(wǎng)后，西南電網(wǎng)系統(tǒng)抵御擾動的能力變?nèi)?，使得風電場需要具備比以往更高的電能質(zhì)量才能保證穩(wěn)定并網(wǎng)[4]。

3 某風電場電能質(zhì)量的檢測分析研究

西南區(qū)域某50 MW級山地風電場的接入系統(tǒng)為110 kV，屬于早期投產(chǎn)風電場，且其風機不具備低電壓穿越功能。在風能間歇性波動時，系統(tǒng)電壓常發(fā)生超過10%的暫降，造成風電場內(nèi)風機的大面積脫網(wǎng)。為查明風機并網(wǎng)運行中引發(fā)系統(tǒng)電壓波動的原因，指導后續(xù)防范措施，本文開展了風電場電能質(zhì)量測試。

3.1 電量質(zhì)量檢測情況

該風電場風機單機容量為0.85 MW，風機出口電壓為690 V，經(jīng)整流逆變?yōu)?20 V后由風機升壓變接入35 kV集電線。風電場升壓站為110 kV單母線結(jié)構(gòu)，母線基準短路容量為750 MVA、最小短路容量為448 MVA。為查明電壓波動原因，了解該風電場電能質(zhì)量情況，根據(jù)風電場實際運行情況，測量110 kV母線三相電壓諧波含有率，測量結(jié)果如圖1所示。測量用的電壓信號取自母線或機端PT二次側(cè)，測量結(jié)果取95%概率值。

檢測表明，該風場三相電壓不平衡度、電壓偏差、閃變以及頻率偏差分析結(jié)果均滿足國標要求，如表1～表4所示。110 kV母線諧波電流最小短路容量為488 MVA。但諧波電壓測量結(jié)果表明，110 kV母線相鄰奇次諧波大于偶次諧波，其中5次電壓諧波存在超標現(xiàn)象，最大值為1.851 1%。95%概率大值為1.735 9%，超出規(guī)定限值1.6%，主要以B、C相諧波電壓較為突出。其余各次諧波電壓和電壓總諧波畸變率均滿足國標要求。

表1 三相電壓不平衡度

表2 電壓偏差

表3 閃 變

表4 頻率偏差

3.2 測試結(jié)論

圖1 110 kV母線三相電壓諧波含有率

通過測試，該風電場110 kV母線諧波電壓和諧波電流主要集中在5次諧波上，相鄰的奇次諧波大于偶次諧波，各測點三相電壓不平衡度均滿足相關(guān)標準。考慮到電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映，其嚴重程度與負荷變化引起的電壓變化有關(guān)，與電網(wǎng)無功負荷和短路容量的變化有關(guān)。當電網(wǎng)短路容量一定時，電壓閃變主要是由無功負荷的劇烈變化引起的。該風電場屬典型的山地風電場，在風能激烈變化時，風電場有功負荷及無功負荷均有大幅度的變化，加之接入系統(tǒng)為相對較小的電網(wǎng)末端電源點，相對薄弱，在系統(tǒng)同時有較大耗能設備投入或無功設備啟動時，疊加造成電網(wǎng)系統(tǒng)電壓閃變超過規(guī)定值，容易引發(fā)電壓暫降。因此，判斷該風電場雖電能質(zhì)量合格，但風力發(fā)電機應對風能間歇性波動能力不足，是引發(fā)系統(tǒng)電壓暫降的原因之一。

4 提高電能質(zhì)量措施

通過分析該風電場電能質(zhì)量測試，認為提高風電場運行電能質(zhì)量，抑制電壓波動和閃變是風場應解決的主要問題。目前，行業(yè)上常用的方法是考慮安裝無功補償裝置SVC或SVG。新建風電場中SVC或SVG裝置的投入，可以快速且平穩(wěn)地調(diào)節(jié)無功功率補償，提供動態(tài)電壓支持，改善系統(tǒng)的運行性能，達到改善風電場并網(wǎng)運行電能質(zhì)量的作用。

對于已經(jīng)投運的早期風場，風電機組控制措施相對落后，加之風場所處山地風能間歇性波動大，因此要提高風場運行穩(wěn)定性就需要采用更加有效的措施，為此提出安裝動態(tài)電壓恢復器（DVR）的解決方案。電網(wǎng)與風電機組之間安裝動態(tài)電壓恢復器后，在電網(wǎng)電壓正常情況下，系統(tǒng)處于旁路狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓下降時迅速分開切換開關(guān)，鏈式換流器投入運行，控制穩(wěn)定風機側(cè)的電壓，確保風電機組側(cè)電壓維持正常水平，避免發(fā)生電壓暫降。為了集中解決風電場的電壓暫降問題，采用中壓35 kV集中治理方案，功率部分采用鏈式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 DVR運行原理

該裝置在電網(wǎng)電壓正常情況下，可起到無功補償?shù)淖饔?，補償35 kV側(cè)功率因數(shù)，穩(wěn)定35 kV母線電壓，減少對電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)電壓的波動。在電壓暫降時，能夠在1～2 ms內(nèi)產(chǎn)生補償電壓，抵消系統(tǒng)電壓所受的干擾，使風機側(cè)電壓感受不到擾動，保證了風力發(fā)電機穩(wěn)定運行，以確保電源側(cè)不發(fā)生大面積的電源消失加劇電能質(zhì)量的畸變。抑制電壓閃變，借助DVR的無功補償功能控制電網(wǎng)系統(tǒng)中形成的異常電流，防止因受閃變現(xiàn)象的干擾而降低電能質(zhì)量。同時，還可依靠DVR裝置消除變流器的過載負荷，起到補償無功功率作用。增強電壓穩(wěn)定性，保證風電場電壓處于穩(wěn)定變化狀態(tài)下，調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)中生成的無功功率，由此避免電壓驟然變化造成電能質(zhì)量無法達到預期目標的現(xiàn)象。實現(xiàn)諧波治理，利用設置諧波變化范圍的方式確保諧波不會對電能質(zhì)量帶來嚴重影響，保證風電場并網(wǎng)項目中的電能質(zhì)量與風能保持協(xié)調(diào)運行的關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文總結(jié)和分析了風電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響因素，通過分析某已并網(wǎng)發(fā)電的風電場電能質(zhì)量檢測結(jié)果，闡述了風電場對系統(tǒng)的影響和受系統(tǒng)波動的影響?；谝淹懂a(chǎn)并網(wǎng)風電場的運行特點，提出了提高電能質(zhì)量的措施。本文研究結(jié)果對改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高風電場穩(wěn)定運行具有指導性作用。