风电场并网对电网电能质量的影响分析

白鸿斌， 王瑞红

(1.天津市津能风电有限责任公司， 天津 300221； 2.天津市城西供电分公司， 天津 300190)

风电场并网对电网电能质量的影响分析

白鸿斌1， 王瑞红2

(1.天津市津能风电有限责任公司， 天津 300221； 2.天津市城西供电分公司， 天津 300190)

对风电场并网运行后的电网电能质量进行分析和计算，首先对风电场并网运行引起闪变和谐波的原因进行了分析，根据IEC标准和有关国家标准给出闪变和谐波的计算方法，最后结合实际算例对风电场并网运行后的电能质量计算分析方法进行了说明。研究表明，风电场并网运行所带来的电能质量问题与风电机组类型以及网络结构有关，应在风电场的规划阶段做好电能质量的评估工作，防止风电场接入电网后出现电能质量问题。

风力发电； 电能质量； 谐波； 闪变

风速变化使得风电场的输出功率发生波动，从而引起电网电压波动。风电机组自身固有的特性(风剪切、塔影效应、叶片重力偏差和偏航误差等)也可能导致电网电压波动，进而使电网出现可察觉的闪变现象[1～11]。风电机组中的电力电子装置是风电系统主要的谐波源。变速风电机组的变频器在风电机组运行过程中一直处于工作状态，因此变频器产生的谐波会对电网的电能质量产生影响。

本文首先对风电场并网运行引起闪变和谐波问题的原因进行分析，并根据IEC和国家相关标准给出闪变和谐波的计算方法[12]，结合某实际风电场接入地区电网的工程实例对电能质量的分析方法进行了说明。

1 风电场并网运行引起的闪变问题

1.1 引起闪变的原因

图1 风电机组并网示意

(1)

风电机组捕获的风能可表示为

(2)

式中：Pw是风电机组从风中获取的能量转化过来的风力机机械功率；ρ为空气密度；cp(λ)为风机的风能转换效率系数，λ为叶尖速比；AR为风轮扫过的面积；vw为风速。

由式(2)可知，风电机组的输出功率与风速、空气密度有关，风电机组的输出功率随风况的变化在零功率和额定功率之间不断波动。定速风电机组吸收的无功功率随输出有功功率的变化而变化，引起电网电压的变化较大；而双馈变速风电机组一般采用恒功率因数控制方式，因此其无功功率波动相对较小。

受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，叶轮在旋转过程中的转矩不稳定，从而使风电机组的输出功率发生波动，且这种波动随湍流强度的增加而增加。典型的切换操作包括风电机组启动、停机和发电机组的切换(大小方式之间)，在机组切换操作过程中，切换操作会引起功率波动，从而引起风电机组机端和其他节点的电压波动和闪变。

影响电压波动和闪变的因素[13，14]还有：①并网点短路容量，短路容量越大，闪变值越小。②网络阻抗角，在闪变值随阻抗角的变化曲线中，阻抗角在60°～70°时存在一个拐点；在拐点之前，阻抗角度越大闪变值越小；在拐点之后，阻抗角度越大闪变值越大。

1.2 闪变计算

根据IEC61400-21标准“并网风力发电机组电能质量测试和评估”，可以计算出风电机组或风电场在连续运行情况和切换操作情况下的闪变值。

1.2.1 连续运行

风电场内多台机组连续运行时产出的总的闪变计算式为

(3)

式中：Sk为公共连接点的短路容量；ci(ψk，va)指单台风力发电机组的闪变系数；ψk为公共连接点的网络阻抗角；va为现场风电机组轮毂高度的年平均风速；Sn,i是指单台风力发电机组的额定视在功率；Nwt指连接到公共连接点的风力发电机组的数目。

1.2.2 切换操作

由于风电场内多台机组切换操作所产出的总的闪变计算式分别为

(4)

(5)

式中：N10,i指在10 min内第i台风力发电机组切换操作的次数；kf,i(ψk)为第i台风力发电机组的闪变阶跃系数；Sn,i为第i台风力发电机组的额定功率；N120,i指在120 min内第i台风电机组切换操作的次数。

1.2.3 闪变传递

根据GB 12326-2000《电能质量电压波动和闪变》，电力系统不同母线节点上闪变的传递计算式为

Pst，A=TBAPst，B

(6)

2 风电场并网运行引起的谐波问题

2.1 谐波的起因分析

电力系统中的谐波是由于铁磁饱和设备、电子开关设备和电弧设备等非线性设备的存在而造成。对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中采用的电力电子元件。

对于定速风电机组来说，由于没有电力电子设备的参与，机组在连续运行过程中基本没有谐波产生。当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将有谐波电流产生，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略。

变速风电机组则采用了电力电子设备：双馈式异步风电机组的发电机定子直接馈入电网，而发电机转子则通过经直流环节连接的两个变流器(即转子侧变流器和电网侧变流器)馈入电网。永磁直驱同步风力发电机组所发电力则通过背靠背全功率变频器直接馈入电网，该背靠背全功率变频器由发电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器组成。不论是哪种类型的变速风电机组，机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态[15]。因此，变速风电机组的并网运行可能会引起谐波注入问题。

2.2 谐波计算

2.2.1 谐波电流允许值

国标GB/T 14549-93给出了各电压等级下谐波电流注入点的基准短路容量和谐波电流允许值，要求公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过规定的允许值。

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，谐波电流允许值的换算为

(7)

式中：Sk1为公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2为基准短路容量，MVA；Ihp为国标规定的第h次谐波电流允许值，A；Ih是短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A。

2.2.2 多台风电机组连接在公共连接点上谐波电流的计算

根据IEC 61000-3-6给出的由负荷引起的谐波电流畸变总和的计算方法，IEC 61400-21给出了连接在公共连接点上的多台风电机组引起的谐波电流的计算式为

(8)

式中：IhΣ为公共连接点上的h次谐波电流畸变；Nwt为连接到公共连接点上的风电机组的数目；ni为第i台风电机组变压器的变比；Ihi为第i台风电机组h次谐波电流畸变；β为表1中给出的指数。

表1 IEC 61000-3-6 指数的规定

3 算例分析

以2008年某地区电网为基础，在规划容量为40 MW的某实际风电场并网运行后，对风电场接入引起的电能质量问题进行分析。

3.1 风电场的并网方案

该风电场的规划容量为40 MW，拟采用20台单机容量为2 MW的双馈变速风电机组。风电场配套建设一座35 kV开关站，两段独立35 kV母线，每段母线上各有一回进线和一回出线；每10台风电机组经箱变升压至35 kV后组成联合单元接入风电场开关站35 kV母线，然后通过两回送出线接入电网，线路的导线型号都为LGJ-300，长度分别为3 km和1 km。风电场接入方式如图2所示。

图2 某实际风电场接线示意

3.2 闪变

风电场拟采用的某2 MW变速风电机组连续运行时的闪变系数如表2所示。其中：ψk为电网阻抗角；va为轮毂高度处的年平均风速。

表2 某变速风电机组的闪变系数

根据GB12326-2000 《电能质量电压波动和闪变》计算得到通过送出线1接入电网的风电场的网络阻抗角为76°，根据式(3)和式(6)可以计算出这部分风电机组连续运行时在风电场35 kV母线处产生的短时闪变值和长时闪变值都为0.051，传递至并网点的短时闪变值和长时闪变值为0.043。通过送出线2接入电网的风电场的网络阻抗角为66°，这部分风电机组连续运行时在风电场35 kV母线处产生的短时闪变值和长时闪变值为0.047，传递至并网点的短时闪变值和长时闪变值为0.044。

根据国标的规定要求，35 kV电压等级的短时闪变限值和长时闪变限值分别为0.8和0.6。可以看出，由该风电场引起的闪变远小于该电压等级的闪变限值，因此上述闪变值是完全可以接受的。

3.3 谐波

风电场拟采用的某2 MW变速风电机组谐波电流的实测数据如表3所示。实测到的该风电机组最大总谐波电流畸变率为1.1%，最大总谐波电流畸变处的输出功率为605 kW。

表3 某变速风电机组的谐波电流

由于风电场的20台风电机组分成两部分，分别通过两回35 kV线路送出，因此需要对这两部分风电机组并网运行时产生的谐波电流分别进行分析。

在相同的运行状态下，这两部分风电机组在运行过程中产生的谐波电流是相同的。根据表3中所给出的谐波电流实测数据以及风电场的并网方式，可计算出这两部分风电机组在运行过程中产生的各次谐波的最大注入电流，计算结果如表4所示。

表4 风电场运行过程中产生的最大谐波电流

表5 某实际风电场的谐波电流允许值

根据GB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》中35 kV电压等级谐波注入电流限值的规定以及风电场两个接入点的短路容量，可以计算出风电场两部分风电机组的谐波电流限值，相关内容见表5。对比表4、表5可以看出，这两部分风电机组所产生的谐波注入都满足国标的相关规定。

4 结论

(1)闪变和谐波问题是电能质量的两个重要方面。本文对风电场并网运行所引起的闪变和谐波问题进行了分析研究，根据相关标准给出了具体的分析计算方法，并通过算例对该电能质量分析方法进行了说明。

(2)制定风电发展规划时，不但要考虑风电场对系统电能质量的影响，同时还要结合风电场风能资源的特性和风电机组的特性进一步分析风电场并网运行后对电网传输功率、无功功率和电压控制、机组组合方式和系统稳定性等方面的影响。

[1] 孙涛，王伟胜，戴慧珠，等(Sun Tao, Wang Weisheng, Dai Huizhu,etal)．风力发电引起的电压波动和闪变(Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generation) [J]．电网技术(Power System Technology)，2003，27(12)：62-70．

[2] 赵海翔，张义斌，陈默子(Zhao Haixiang，Zhang Yibin，Chen Mozi)．用于计算风电机组并网运行引起全电网电压波动的电流源等效法(Current source equivalent method to calculate voltage fluctuation of whole power network caused by interconnected wind turbines)[J]．电网技术(Power System Technology)，2004，28 (19)：77-80．

[3] 赵刚，施围，林海雪(Zhao Gang，Shi Wei，Lin Haixue)．闪变值计算方法的研究(A study on calculation of short term flicker severity)[J]．电网技术(Power System Technology)，2001，25(11)：15-18．

[4] 赵海翔，陈默子，戴慧珠(Zhao Haixiang，Chen Mozi，Dai Huizhu)．闪变值离散化计算的误差分析及其应用(Error analysis of discrete calculation method of flicker severity and its application)[J]．电网技术(Power System Technology)，2004，28(13)：84-87．

[5] 雷亚洲,Gordon Lightbody(Lei Yazhou，Gordon Lightbody)．国外风力发电导则及动态模型简介(An introduction on wind power grid code and dynamic simulation)[J]．电网技术(Power System Technology)，2005，25(12)：27-32．

[6] 马玉龙，刘连光，张建华，等(Ma Yulong，Liu Lianguang，Zhang Jianhua，etal)．IEC闪变测量原理的数字化实现方法(Research of digital flickermeter based on IEC standard)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2001，21(11)：92-95．

[7] 陈树勇，戴慧珠，白晓民，等(Chen Shuyong，Dai Huizhu，Bai Xiaomin，etal)．风电场的发电可靠性模型及其应用(Reliability model of wind power plants and its application)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2000，20(3)：26-29．

[8] 雷亚洲，王伟胜，印永华，等(Lei Yazhou，Wang Weisheng，Yin Yonghua，etal)．基于机会约束规划的风电穿透功率极限计算(Wind power penetration limit calculation based on chance constrained programming)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2002，22(5)：32-35．

[9] 雷亚洲，王伟胜，印永华，等(Lei Yazhou，Wang Weisheng，Yin Yonghua，etal)．一种静态安全约束下确定电力系统风电准入功率极限的优化方法(An optimization method for determining wind power penetration limit in power system under static security constraints)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2001，21(6)：25-28．

[10]郑国强，鲍海，陈树勇(Zheng Guoqiang，Bao Hai，Chen Shuyong)．基于近似线性规划的风电场穿透功率极限优化的改进算法(Amending algorithm for wind farm penetration optimization based approximate linear programming method)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2004，24(10)：68-71．

[11]赵海翔，陈默子，戴慧珠(Zhao Haixiang，Chen Mozi，Dai Huizhu)．风电并网引起闪变的测试系统仿真(Simulation of the flickermeter suitable for measuring the flicker produced by integrated wind power)[J]．太阳能学报(Acta Energiae Solaris Sinica)，2005，26(1)：28-33．

[12]邵如平，韩正伟，林锦国(Shao Ruping, Han Zhengwei, Lin Jinguo)．电能质量指标分析(Analysis of indexes of power quality)[J]．电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007，19(3)：118-121．

[13]Heier S. Grid Integration of Wind Energy Conversion System [M]. Chichester: Elsevier Science Ltd, 1998．

[14]何仰赞，温增银，汪馥瑛，等．电力系统分析 [M]．武汉：华中理工大学出版社，1996．

[15]Papadopoulos M P，Papathanassiou S A，Tentzerakis S T，etal．Investigation of the flicker emission by grid connected wind turbines[C]∥The 8th International Conference on Harmonics and Quality，Athens，Greece: 1998．

[16]Gandhare W Z, Bhagwatikar G R. Power pollution due to grid connected wind electric converter[C]∥IEEE Conference on Control Applications, Anchorage, USA: 2000.

白鸿斌(1968-)，男，工程师，学士，主要从事风电场建设管理及运营等方面的工作。Email:bhb20001968@126.com

王瑞红(1966-)，男，高级工程师，学士，主要从事电网生产管理等方面的工作。Email:ruihong.wang@tj.sgcc.com.cn

InfluenceoftheGrid-connectedWindFarmonPowerQuality

BAI Hong-bin1， WANG Rui-hong2

(1.Tianjin Jinneng Wind Power Co., Ltd, Tianjin 300221, China；2.Tianjin Chengxi Power Supply Co., Tianjin 300190, China)

It is necessary to analyze and compute power quality with the wind farm connected into the power grid. Firstly, the reasons causing flicker and harmonics by wind power generation are presented respectively. Then, the computation method of flicker and harmonics are analyzed based on IEC and relative national standards. Finally, taking a real power system as example, power quality problems caused by wind power generation are analyzed. Studies show that power quality problems caused by wind power generation are related to the types of wind generators and network structure. Evaluation of the power quality should be done in the stage of wind farm planning against power quality problem caused by wind power generation.

wind power generation； power quality； harmonics； flicker

TM614

A

1003-8930(2012)01-0120-05

2008-12-19；

2010-07-12