考虑风资源影响的风电场电压波动和闪变评估

张宇，何维国，邹正华，李新雄

（1上海市电力公司，上海，200025；2深圳市领步科技有限公司，广东深圳，518055）

风能虽然是一种清洁的可再生能源，但其随机性与波动性会使风电机组输出的功率波动，可能引起有些节点的电压波动，电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一[1-3]。在中国，风电资源丰富的地区，通常远离负荷中心。所建设的大规模风电场通常在过电网的末端接入，系统短路容量小，电压波动与闪变造成的影响可能更为显著[3-4]。因此，在风电并网运行之前，必须对其可能带来的电能质量问题进行评估。

闪变检测从是否存在的角度，最简单实用的方法是用白炽灯观察，但直观方法无法给出闪变的参数描述[6]。国际电工标准IEC61400-21中根据并网风电机组电能质量的规定，分析了风电场的闪变计算方法，这也是闪变评估的主要方法之一[5]。文献[6]针对风电场的实际情况，指出功率波动有时候也应该考虑为电能质量指标进行综合评估。文献[7]对风电场并网后的谐波进行评估，并没有给出电压波动和闪变的评估方法。还有一些方法也用于风电场并网电能质量的评估[8-10]。

本文在评估时考虑风速变化带来的影响，分别用所提方法和IEC标准对一个我国新建的风电场进行电压波动与闪变评估。基于PSCAD/EMTDC将风电场机组在适当简化方式下进行建模，依据风电场的测风数据建立风速模型，建立了完整的风电场评估系统。计算结果表明，所提方法不仅能有效地进行电压波动与闪变评估，而且能更好地考虑风速变化对风电场带来的潜在影响。

1 IEC方法的电压波动与闪变

1.1 电压波动计算方法

根据IEC61400-21，单台机组切换运行产生的相对电压波动可按式（1）进行测算：式中，d为相对电压波动；ku（Ψk）为机组在电网连接点对应Ψk时的电压波动率；Sn为机组额定视在功率；Sk为电网连接点的短路视在功率。对于电网连接点接入多台机组的情况，同一时间不可能出现两台机组同时进行切换运行的情况，因此，评估多台机组引起的电压波动时不需要考虑累积影响。

1.2 闪变计算方法

1.2.1 连续运行

在连续运行状态下的单台机组所产生闪变按式（2）进行折算，取概率分布为0.99对应的分布位数：

式中，c（Ψk·va）为给定轮毂高度年平均风速va和给定电网连接点处的电网阻抗角Ψk时，机组闪变系数，Sn为机组额定视在功率，Sk为电网连接点的短路视在功率。对于实际Ψk和va对应的机组闪变系统可根据机组厂商提供的数据，用插值法得出。

如果电网连接点处并有多台风电机组，则其闪变系数按式（3）计算：

ci（Ψk·va）为单台机组的闪变系数；Sn,i为单台机组的视在功率；Nwt为连接于电网连接点机组的数量。

1.2.2 切换运行

单台机组切换运行产生的闪变可按式（4）和式（5）计算：

式中，kf（Ψk）为机组在电网连接点处对应Ψk的闪变阶跃系数，对于实际的Ψk对应的机组闪变系数可根据机组厂商提供的数据，用插值法得出。

如果电网连接点处并有多台机组，则其闪变阶跃系数可按式（6）和式（7）计算：

式中，N10,j和N120,j为各台机组在10 min和120 min内切换运行的次数，kf,j（Ψk）为单台机组的闪变阶跃系数，Sn,j为单台机组的额定功率。

2 考虑风速变化的评估方法

这种评估方法的核心是对风电场的工程进行调研，了解有关风电场风能分布、风力机、发电机的结构参数、风电场的接线方式及参数和系统的等值参数，然后在PSCAD/EMTDC中建立整个风电场的模型。对风电场在不同出力下由阵风引起系统的电压波动情况进行了仿真计算，采用Matlab闪变计算程序，获得对应于所测得电压波动的短时间闪变水平值Pst。

2.1 风速模型

为了评估阵风引起的风电场电压波动和闪变情况，需要对风电场的风力资源进行测量，并建立相应的风速模型。为了较精确的描述风的随机性和间歇性特点，采用PSCAD中的wind source模块，其中包括平均风速、阵风和噪声风3个成分（不考虑渐变风的影响），即

式中，Vwind为总的模拟风速，VM为平均风速，VG为阵风，VN为噪声。根据风电场风资源的具体情况进行取值。评估时改变平均风速的值即可改变风电场的功率输出。

2.2 简化的双馈风机模型

实际风电场中有很多台风机，由于评估的内容主要是风速引起的电压波动和闪变情况，可以对这些机组进行适当的简化，而不使用精确的详细模型。图1所示为2 MW风机的实测风速-功率曲线。

根据曲线生成的函数，可用一个受控电流源来模拟风电机组的输出特性，如式（9）所示。

图1 2 MW风机实测风速-功率曲线Fig.1 The 2 MW fan of the measured wind speed-Power curve

式中，IDFIG为一台风机输出的电流值；P为受平均风速Vwind和风机终端电压U控制的有功功率。

风电系统中的其他模型，如变压器模型、输电线模型可以从PSCAD中得到。建立完整个风电场系统模型后，改变风速即可得到风电并网点处电压波动情况。

2.3 IEC闪变仪模型

IEC标准推荐的闪变仪包括输入电压适配器，平方解调器，视感度加权滤波器，平方器，一阶平滑平均滤波器和统计分析模块。

在simulink中建立IEC闪变仪模型，框图如图2所示。其中的增益控制是为了在对应瞬时闪变视感度S（t）=1的各频率电压波动下对闪变仪输出的S（t）进行校正，减少低频段电压波动的测量误差。

图2 闪变仪框图Fig.2 Flicker instrument block diagram

3 算例分析

3.1 待评估的风电场

图3所示为待评估的风电场系统。该系统由两个临近的风电机组群组成，每个机组群有25台2 MW的双馈风机，每台风机经过一变压器将机端电压从0.69 kV升压至35 kV。风机输出功率通过35 kV集电线路连接到风电场110 kV变电站，由47 km长的110 kV双回输电线接入主变电站，与区域电力系统相联。区域电网的等值模型及短路容量由110 kV侧母线的三相短路电流值求得。此次评估点是系统公共联结点PCC处的电压波动与闪变的情况。

图3 待评估的风电场系统Fig.3 Waiting for the assessment of wind farm systems

3.2 考虑风速变化的评估

3.2.1 电压波动评估

该风电场主要受到阵风的影响，由于平均风速已知（8 m/s），需要对不同幅值的阵风引起的电压波动进行计算，判断是否超出国家标准中电压波动的限值。由于电压波动与机组的出力大小有关，所以对90%、50%和30%机组出力时的情况进行仿真。

国标GB12326-2008《电能质量电压波动和闪变》中规定了由波动负荷产生的电压变动限值与变动频度和电压等的关系，如表1所示。

表1 电压波动限值Tab.1 Voltage fluctuation limits

LV,MV和HV分别代表电压等级：UN≤1 kV,1 kV＜UN≤35 kV，35 kV＜UN≤220 kV。考虑阵风周期选波动频度为100＜r≤1000，根据PCC处的电压等级和用户协议容量，决定本次评估的电压波动限值选为0.97%。

风电场阵风的最大幅值在4 m/s左右，分别选取1～5 m/s风速的阵风进行仿真，并改变风电场的出力，分析阵风对PCC电压波动的影响。电压波动的仿真值见图4。

图4 由阵风引起的PCC电压波动值Fig.4 The value of PCC voltage fluctuations caused by gusty winds

由图4可知，电压波动没有超过限值，此风电场电压波动符合标准。当风机出力较小时，阵风引起的电压波动值较大。

3.2.2 闪变评估

各级电压下的闪变限值如表2所示。

表2 闪变限值Tab.2 Flicker limits

根据用户协议和电压等级，决定本次评估的短时闪变限值选为0.77。用闪变计算程序计算电压波动评估时得到的不同出力时由不同幅值阵风引起的电压波动，得到的短时间闪变值Pst如图5所示。

由图5可知，由阵风引起的电压闪变值没有超过限值，风电场闪变符合标准。

图5 由阵风引起的短时间闪变值Fig.5 Short term severity by gusty winds

3.3 采用IEC标准评估

本风电场使用的是G90 DA 2 MW风机，对电压波动和闪变的评估是基于对此风机进行连续运行和切换运行所测得的电压阶跃系数和闪变阶跃系数，数据可由风机厂家提供。

3.3.1 电压波动评估

根据式（1），Sn=2 MW，Sk=2183 MW。由于风机在不同情况下切换运行的电压阶跃系数不同，在计算时分别选择风机在切入风速时启动（ku最大值为0.07），额定风速时启动（ku最大值为0.91），S-L启动时（ku最大值为0.55）的计算结果如下：切入风速启动的电压波动d1=0.006%，额定风速启动的电压波动d2=0.0083%，S-L启动时的电压波动d3=0.05%。考虑多台机组的累积影响，最大电压波动率0.05%即为整个风电场在PCC处引起的电压波动。可知，电压波动不超标。

3.3.2 闪变评估

根据式（6）和（7），取Sk=579.2 MVA，Sn,j=2 MVA，kf,j（Ψk）=0.91，ci（Ψk，va）＝5.6。评估结果如表3所示。

表3 IEC方法的闪变评估Tab.3 Flicker assessment of the IEC method

从表3可知，用IEC标准计算的闪变值也符合国标标准。

以上的算例表明，用所提考虑风速变化的方法对风电场并网进行评估时，能得到与IEC标准评估相同的结论，验证了所提方法的可行性。另外可以看出，用所提的方法计算得到的电压波动和闪变值要比由IEC标准算得的值大，能更加明显地反映风电场并网给电网带来的电能质量的潜在影响。IEC标准的计算方法是基于从实验测得的风机自身的电压波动和闪变系数；而所提的方法是建立在对所评估风电场进行完整的建模并考虑风电场风速的变化对电网的影响。所提的方法可以做为IEC标准评估方法的一种补充，用于对风电场并网前的电能质量预评估。

4 结论

本文提出了一种考虑风电场风速变化的电压波动和闪变的评估方法。通过一个新建的风电场的建模，应用所提方法对不同风电场出力下不同幅值的阵风引起的电压波动和闪变进行了评估，所得结果与IEC标准方法计算的结果进行对比。结果表明，所提方法能有效地对两个指标进行预评估。本文建立的评估模型以及所演示的风电场电压波动和闪变的评估过程对类似风电场电能质量的评估具有一定的借鉴意义，可以作为IEC方法的一种补充。风电场并网之后所产生的电能质量问题及解决方法有待于进一步研究。

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