风电场风力发电机类型对网侧电能质量特性的影响

2013-06-06黄永宁张爽周建丽周喜超

电力建设 2013年5期

黄永宁，张爽，周建丽，周喜超

（1.宁夏电力公司电力科学研究院，银川市 750001；2.甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州市 730050）

0 引言

近2年我国风力发电建设势头依然强劲［1］，2012年我国风电新增装机容量14.05GW［2］，占全球新增容量1／3以上，累计风电装机容量达到76.41GW，继续领跑全球风电装机规模［3］。由于风力发电以风作为动力源，受风能随时变化的自然特性、风电机组机理构造以及风速风向的时空分布等影响，风电大规模并入电网将会对网侧电能质量造成严重影响，如电压波动、风电机组风剪切、塔影效应导致的电压波动和闪变以及变速风电机组变流器导致的谐波等问题［4－7］。目前，我国投运的并网风力发电机组分为定桨定速型和变桨变速型2类［8］，其中后者的容量一般是1MW，是目前风力发电机的主流产品；前者为早期产品，机组容量多为1MW以下。由于机组结构和工作原理不同，不同类型的风力发电机对电能质量造成的影响特点亦不相同，因此有必要对这2种风力发电机类型对网侧电能质量造成的影响进行系统分析，为有针对性地进行风电场电能质量治理提供参考［9－11］。

本文针对变速机组和定速机组，分析不同类型风力发电机引起网侧电压偏差、电压波动和谐波等电能质量问题的原理；基于PSCAD／EMTDC分别建立定速风力发电机和变速风力发电机电能质量特性仿真模型，分别对变速风力发电机和定速风力发电机引起的电压偏差、电压波动和谐波问题进行仿真分析，得到不同风力发电机类型对网侧电能质量特性影响的结论。

1 风力发电机引发的电能质量问题

1.1 风力发电机引起电压偏差

电力系统中负荷增减、发电机出力变化、网架结构变化等因素均可引起系统功率不平衡，这就意味着系统中会有大量的功率流经输电线路和变压器。由于线路和变压器中存在阻抗，因此会在线路和变压器首、末端电压出现差值，这是引起系统电压偏差的根本原因。风电并网造成的电压偏差的等值电路图和相量图如图1所示。

图1 风电场接入系统简化等值电路Fig.1 Simplified equivalent circuit of wind farm integration

图1中，风电场经过输电线路（等效阻抗Z＝R＋j X）接入电网，和分别为风电场高压侧端电压和电网电压。当风电场运行时，向系统送出有功功率（P＞0），风电场出线上的压降为

由图2可知，线路上的压降可分为纵分量和横分量，由于线路首末端相角差较小，横分量可忽略不计，则线路压降可近似看作纵分量，即

在高压输电网中，X≫R，因此无功功率对电压降的影响远远大于有功功率。

如果不考虑线路分布电容的影响，对于由定速机组构成的风电场，当其输出有功功率增长时，其吸收无功功率也增长，同时由于线路送出有功功率的增长还会导致线路电抗消耗的无功功率也增长，当PR＋QX＞0时，风电场端电压就会低于电网电压。对于由变速机组构成的风电场，由于能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，风电场与电网之间不交换无功功率（Q＝0），但当变速机组出力较高时，由于传输有功功率而在线路上消耗无功功率，也可能会造成电压降落。若考虑线路分布电容的影响，风电场停发或者出力较低时，无论是哪种机组构成的风电场，线路上的容性充电功率将会使风电场端电压高于电网电压［12］。

1.2 风电场引起电压波动

由式（1）可以看出：当风电机组输出功率波动时，将会引起风电机组机端电压和风电场并网点电压波动，从而引起电网电压波动；当风电机组输出功率波动幅度较大时，甚至引起可察觉的闪变现象。另外，由风电机组的机械功率表达式可知

式中：ρ为空气密度，kg／m3；A 为叶片扫风面积，m2；v为风速，m／s；CP为风能利用系数，根据Betz理论，其理论最大值为0.593，CP是叶尖速比λ和桨距角β的函数。λ的表达式为

式中：ω是叶轮转速，rad／s；r是叶轮半径，m［13］。

由式（3）可知，风电机组的输出功率与风速、空气密度有关，其值随风况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。

另外，引起风力发电机输出机械功率波动的因素还有：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；典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他向量节点的电压波动和闪变。

1.3 风电场引起谐波

对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波主要来源于风电机组中采用的电力电子元件。对于直接和电网相连的定速风力发电机，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生，当机组软并网装置处于工作状态时，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，发生的次数也不多，这时的谐波注入通常可以忽略，因此直接采用异步发电机与电网连接的风力发电机谐波分量不大。

对于采用变速技术的双馈异步发电机和同步发电机而言，机组采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用可控脉宽调制（pulse－width modulation，PWM）整流或不控整流后接DC／DC变换，在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电［14］；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网，转子绕组端接线由3只滑环引出接至1台双向功率变换器，电网侧同样采用PWM逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率。变速风电机组并网后变流器将始终处于工作状态，由于变流器的开关频率是不固定的，采用强制换流变流器的变速风电机组不但会产生谐波而且还会产生间谐波，而运用PWM开关变流器和合理设计的滤波器能够使谐波畸变最小化，甚至可以使谐波的影响忽略。谐波电流大小与输出功率基本呈线性关系，也就是与风速大小有关。在正常状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置的设计结构及其安装的滤波装置状况，同时与电网的短路容量有关。除此之外，如果风力发电机的并联补偿电容器与线路电抗发生谐振，对谐波会起到严重的放大作用［5］。

2 风电场仿真模型

风电场的电能质量特性受风力发电机类型、风力发电机结构及风速等多方面的影响，并且还受到所接入电网的结构参数影响。为了进一步研究不同风力发电机类型对网侧电能质量特性的具体影响，基于PSCAD／EMTDC，分别建立了用于分析定速风力发电机和变速风力发电机电能质量特性的仿真模型，对风电场并网产生的电能质量问题进行仿真分析。

定速风力发电机仿真系统模型如图2所示，设风电场容量为105MVA，等效了140台0.75MVA定速风力发电机。风力发电机额定电压690V，经0.69kV／11kV升压变接入风电场11kV／115kV主升压变。由于定速风力发电机均配备补偿电容，因此本仿真还加入了可根据所需无功功率进行投切的补偿电容器。该定速风力发电机的转矩可控，并且该转矩受风速变化的影响，可对阵风（gust wind）、干扰风（noise wind）以及渐变风（ramp wind）3种风速变化下风力发电机的电能质量特性进行仿真分析。

变速风力发电机仿真系统模型如图3所示。由于直驱式永磁同步风力发电机组的电压无功外特性与采用相同控制目标的双馈式异步风力发电机组相同，因此本文仅将双馈型风力发电机作为分析对象。

设定风电场容量为140MVA，等效了70台2MVA的双馈风力发电机。该仿真模型既可以实现定无功功率控制，也可实现定功率因数控制，但未采用变桨距控制。同时，也可对阵风、干扰风以及渐变风3种风速变化下风力发电机的电能质量特性进行分析。这2类风电场所接入的系统条件相同，均为110kV系统母线，并且该母线接有60MW＋j7MVar的负荷，为了排除系统参数对风电机组电能质量特性的影响，本仿真所设定的系统短路容量较大，等效为理想电源。

3 风电场网侧电能质量特性仿真分析

3.1 风电场电压偏差特性仿真分析

3.1.1 定速风力发电机风电场电压偏差特性分析

在基本风影响下，定速机组风电场在不同出力下与电网无功交换情况及110kV侧电压变化情况如图4所示，图中U为风电场出口电压。

图4 定速风力发电机风电场的电压偏差Fig.4 Voltage deviation of wind farm with fixed－speed wind turbine

由图4（a）可看出，当风电场输出功率在最大出力的30%以内时，无功交换量随风场出力的变化不大，基本维持在31Mvar左右；当风电场出力介于30%60%时，随着输出有功功率的增加风电场从电网汲取的无功功率量增至40Mvar；而当出力超过60%时，风电场汲取无功功率随有功输出功率的增加迅速增至70Mvar；网侧110kV侧电压标幺值由0.96pu降至0.95pu，继而骤降为0.91pu。风力发电机出力60%以下时投入30Mvar补偿电容，而高于80%时投入40Mvar补偿电容。

由图4（b）可看出：定速风场加装补偿装置后，当出力超过60%时，风电场与电网的无功交换量已明显减小，对应的110kV侧电压标幺值可维持在0.97pu左右。

3.1.2 变速风力发电机风电场的电压偏差特性分析

双馈变速风力发电机可实现定无功功率控制或定功率因数控制，因此在理想情况下无需加装任何无功补偿装置。采用定功率因数（110kV侧功率因数恒为0.98）控制和定无功控制（110kV侧无功功率恒为20Mvar）时，风电场出力变化情况下升压变110 kV侧的有功、无功和电压变化曲线如图5所示。

图5 变速风力发电机风电场的电压偏差Fig.5 Voltage deviation of wind farm with variable－speed wind turbine

由图5（a）可看出，当风电机组采取定功率因数控制时，风电场吸收的无功功率随输出有功功率的增加而增大，但由于设定的功率因数较大，风电场升压变压器110kV高压侧母线电压及经过7km传输线后的系统母线电压均能保持在1.0pu左右。

由图5（b）可看出，当风电机组采取定无功功率控制时，无功功率能够在风力发电机输出有功功率变化的情况下保持不变，从而保证系统侧母线电压也能基本恒定在1.0pu左右。可见，双馈变速风力发电机可灵活的实现定无功功率（超前和滞后）和定功率因数控制，因此其对电网的电压偏差影响较小。

3.2 风电场电压波动特性仿真分析

3.2.1 定速风力发电机风电场的电压波动特性

由定速风力发电机组成的风电场在阵风、渐变风、干扰风和混合风这4种风速干扰情况下输出有功功率、无功功率及110kV网侧母线电压的变化情况如图6所示。

由图6可看出，由定速风力发电机组成的风电场在4种风速扰动下均会产生不同程度的电压波动情况，其波动特性与风速的波动特性直接相关。

3.2.2 变速风力发电机风电场的电压波动特性

鉴于目前绝大多数双馈变速风力发电机均采用定功率因数控制方式，因此本节变速风力发电机风电场电压波动特性仿真以定功率因数方式控制。图7为由变速风力发电机组成的风电场在阵风、渐变风、干扰风和混合风这4种风速干扰情况下的输出有功功率、无功功率及110kV网侧电压的变化情况。

由图7可知，由于变速风力发电机可采取定功率因数方式运行，因此风速的变化对由变速风力发电机组成的风电场网侧电压影响不大，在4种风速扰动下，110kV网侧电压值能够维持在1.0pu左右。

3.3 风电场谐波特性仿真分析

直接和电网相连的定速风力发电机，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生。根据IEC相关标准，不考虑采用定速机组的风电场谐波影响，本节主要对变速机组组成的风电场谐波特性进行仿真分析。

风电场处于连续运行状态时，网侧并网点上多台风力发电机引起的谐波电流计算公式为

式中：Nwt为连接到并网点的风力发电机数目；Ih为并网点上的h阶谐波电流畸变；ni为第i个风力发电机变压器变比；Ihi为第i个风力发电机h次谐波电流畸变；β为标准中给出的指数。

图6 定速风力发电机风电场在4种风速干扰下的电压波动Fig.6 Voltage fluctuation of wind farm with fixed－speed wind turbine under four kinds of wind interference

由于双馈变速风力发电机存在大功率交直交变流器，因此变流器所采用的控制方法直接决定了风力发电机的谐波特性。仿真双馈风力发电机整流侧采用CRPWM控制方法，逆变侧采用SPWM控制方法，且未加装任何滤波装置。变速风力发电机风电场出力70%情况下，网侧110kV母线各次谐波电流值及含有率情况如表1所示。

图7 变速风力发电机风电场4种风速干扰下的电压波动Fig.7 Voltage fluctuation of wind farm with variable－speed wind turbine under four kinds of wind interference

表1 变速风力发电机风电场网侧各次谐波电流Tab.1 Grid－side harmonic currents of wind farm with variable－speed wind turbine

由表1可看出，在本文选取的整流侧和逆变侧控制方式下，变速风力发电机风电场网侧母线各次电流谐波含量均较高，其中3、5、7次谐波含量最大，并且存在丰富的偶次谐波。实际中，可进一步采用加装输入输出电抗器、LC滤波器、低通滤波器等措施减小风力发电机注入电网的谐波。

4 结语

（1）在不加补偿装置情况下，定速风力发电机构成的风电场网侧电压偏差受风电出力的影响较大，尤其当风电出力超过60%以后，风电场吸收无功随风电出力增长迅速，相应的网侧电压的下降幅度也非常明显；加装无功补偿装置后，可在一定程度上减轻电压的跌落，并将网侧电压稳定在国标水平。变速风力发电机构成的风电场由于可以采取定功率因素控制及定无功功率控制，因此网侧电压偏差受风电出力的影响不大。

（2）在阵风、渐变风、干扰风和混合风这4种风速干扰下，定速风力发电机构成的风电场会产生不同程度的电压波动情况，其波动特性与风速的波动特性直接相关；而变速风力发电机由于多采取定功率因素方式运行，因此风速的变化对由变速风力发电机组成的风电场网侧电压波动情况影响不大，110 kV网侧电压值能够保持在1.0 pu左右。

（3）由于定速风力发电机在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而基本不产生谐波；而变速风力发电机风电场由于在整流侧和逆变侧采用了大量电力电子元件，故网侧母线各次电流谐波含量均较高，其中3、5、7次谐波含量最大，并且存在丰富的偶次谐波。

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