风电场并网电能质量分析与实例分析张群

张群

(伊春华宇电力新能源有限公司黑龙江省伊春市153038)

【摘要】：本文研究了风电场接入电网时电能质量的评价方法，并简要分析了风电场对电能质量的影响。根据国家有关标准，给出了风电场并网电能质量的评价指标和计算方法，并提出了风电场与电网连接所引起的电压偏差，谐波电流、谐波电压、电压波动和闪变的计算方法和步骤。根据某风电场的实际资料，说明了该评价方法的具体实施步骤及可行性。

【关键词】：风电场；电能质量；谐波；电压波动和闪变

风力发电以其绿色环保、资源丰富、开发周期短等优点，已成为绿色能源开发利用的重要方向。风电场的装机容量及其在电网中的比重急剧增加。由于我国大部分风电场都是直接与电网相连的，因此电网连接设备基本上是由大容量电力电子设备组成的。同时，风速的随机性和波动性使得风电场给电网带来了清洁能源的同时也对电能质量产生了一定的负面影响，降低了传动和使用效率，导致电气设备过热、振动和绝缘损坏，造成继电保护和自动装置误操作。为了评价风电场接入对电网电能质量的影响，在此基础上，采取相应措施解决电能质量问题。

对风电场电能质量的评价是风电场接入电网的一个重要的步骤，根据各监测点电能质量的优缺点，采用概率统计和模糊数学相结合的方法，对风电场电能质量进行了模糊综合评价，并针对总电能质量分析指标进行了综合评价。利用DSP对风电质量进行监测，并根据风速预测调节输出功率。为了提高电能质量，提出了一种电网电压和无功功率协调控制策略，根据风电场电网的电压偏差来动态调整风电场的无功功率输出。为了提高电能质量，提出了一种理想算法，为各电能质量指标建立最优解和最坏解，这两种解决方案可作为电能质量评价的依据。该方法更容易区分被评估的分布式发电系统的电能质量。本文根据国家有关电能质量标准，给出了电压偏差算法。详细介绍了谐波电压电流、电压波动、闪变等电能质量问题的评价指标和计算方法，以及评估风电场电能质量所需的数据和计算方法。以某风电场电能质量评价为例，说明了上述计算方法的具体步骤。比较了不同的风电场接入方案对电能质量的影响。

1.电压偏差

GB/T12325-2008<电能质量电源电压允许偏差>定义电源电压允许偏差为正常运行条件下供电系统的允许偏差。某一节点的实测电压与系统标称电压之差对系统标称电压称为电压的百分数。风电场在开始启动的时候，从电网中吸收大量无功功率是必要的，在并网的瞬间额定电流在接入电网时冲击电流为2~3倍，导致电网电压降低，风电场在运行过程中消耗固定的无功功率。由于电网运行电压低，无功补偿器可以调节风电场和电网的电压水平，但当风电场离网时，无功补偿会引起电网电压的升高。电压偏差过大对电气设备和电力系统造成的危害如下：

(1)对电气设备的危害。当电压偏离额定电压时，供电设备的运行效率会降低，可能会受到过电压或过电流的破坏，而风场通常位于远离负荷中心的地方，其装机容量比常规发电机组小得多，它对负荷中心的电力设备影响不大，但会影响风电场本身的电气设备。

(2)对电力系统的危害。系统的工作电压低于额定电压，输电线路的功率限制也大大降低。系统的频率不稳定可能导致电力系统频率的崩溃和电力系统的解列。同时，电压偏差也会对电力系统的经济性产生影响，当线路的输电功率固定时，电流与运行电压成反比，有功损耗与电流的平方成正比。系统电压过低将导致电网有功损耗和电压损耗的增加，系统电压降低会增加超高压电网的电晕损耗，不利于电力系统的经济运行。风电场并网时电压偏差的影响在《风电场接入电网技术规程》中有所规定，负偏差的绝对值之和不得超过额定电压的10%，电压偏差应在标称电压的-3%~7%范围内，各测量时间窗口应靠近相邻测量时间窗而不重叠。

根据国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电网技术规定》，提出风电场安装风电机组应在功率因数超前0.95滞后~0.95范围内进行动态调节，并应考虑评估风电场电压偏差的表1中给出的风力涡轮机典型输出条件

表1风电场典型出力情况

2.谐波电压和电流

对于风力发电机来说，谐波电流主要来源于电力电子器件的通断。对于恒速风力机，电力电子装置不参与连续运行，谐波电流很小；当电力电子装置处于开关工作状态时，软并网装置处于工作状态，产生谐波电流。对于变速风力发电机，必须采用大容量的电力电子装置，该装置处于初始状态，因此有必要考虑变速风力机的谐波注入问题。风电场的谐波特性复杂且分散。同一风电场中各机组的分布是分散的，各机组的风力和风向也是不同的。各单元产生的谐波电流是随机波动的。通常情况下，风力机产生的谐波谱较宽，但升压变压器对3及3的倍数的多次谐波衰减较大。同时，在运行多个机组时，各风机输出力和控制方式的差异也会产生一些谐波，从而缩短旋转电机和变压器的使用寿命，增加输电线路不必要的附加损耗。更多的时候，它会引起系统中电容电感的谐振，使系统产生过电压，导致继电保护装置误动，严重影响电力系统的正常运行。

3.算例计算

3.1风电场情况及接入系统方案

风电场70m高度年平均风速为5.77m/s。计划安装总装机容量为100MW的50台2000kWWTG99风力发电机组。每年的运行时间为1819小时。年生产能力约18，1.911万千瓦。方案1：连接220kV线路共用连接点，架空线为LGJ-240型钢芯铝绞线，平均电网阻抗角为75.7°。第二种方案是用普通连接点连接110kV线路，架空线为LGJ-300型钢芯铝绞线。15km母线的平均电网阻抗角为68.8°，110kV公共连接点。

3.2电能质量评估

根据风电场实际数据，对风电场的谐波、电压波形和闪变进行了计算和分析。结果如表2所示。如表2所示给出了两种不同电压水平下的容许谐波电流和计算谐波电流。结果表明，在110kV接入方案中，7/18/20/21/21/22/23/24/25的谐波电流值高于标准，而220kV接入方案的谐波电流达到标准。表3显示了两种电压级接入方案的谐波电压含量率和总谐波电压失真率。由于国家标准规定了额定电压为110kV的公用电网，谐波电压的总谐波畸变率限制为2。从表中的数据可以看出，110kV的接入方式不符合标准。从表4可以看出，110kV的接入方式不符合标准。当风速被切断时，110kV母线接入方式超过了国家规定的1.0的限值，并在额定风速时启动。这两种接入方式都超过了1.0的国家标准限制。这两项计划不符合标准。表5和表6分别显示了110kV和220kV接入方式下Boost母线和普通接线母线在连续和开关运行条件下的电压闪变。已知国家标准以1.0为限，两种方案均符合国家标准。

220kV的接入方案明显优于110kV的接入方案，但220kV额定风速下的电压波动超过国家标准的限制。

4.结语

本文研究了风电场接入电网引起的电能质量问题的评价方法。根据国家标准给出了电能质量指标的限值和具体计算方法。依据风电场的实际情况建立了两种接入系统电压波动和闪变、电流和电压谐波以及电压偏差的评估公式。结果表明，110kV接入方式处于谐波电流状态。谐波电压的总畸变率和电压波动均超过国家标准。220kV接入方案优于110kV接入方案，但额定风速下的电压波动不符合标准。

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