海上风电接入对电网电能质量的影响分析

钟才惠

摘  要：该文介绍了某个海上风电场的建设规模和基本情况，采用电网实际负荷数据、电网元件实际参数、参考近区电源实际出力和风电厂家提供的风电场资料，通过建模仿真搭建谐波源和闪变源模型，根据风电场连续运行、切入风速运行和额定风速启动时不同工况下，分析海上风电接入对电网的电能质量影响，判断谐波、闪变和电压波动值是否满足国标限值。

关键词： 海上风电  电力仿真  电能质量  谐波  闪变  电压波动

中图分类号： TM614       文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the construction scale and basic situation of an offshore wind farm. Using the actual load data of the power grid， the actual parameters of power grid components， referring to the actual output of near area power supply and the wind farm data provided by wind power manufacturers， harmonic source and flicker source models are built through modeling and simulation. According to the different working conditions of continuous operation， cut in wind speed operation and rated wind speed startup of the wind farm， Analyze the impact of offshore wind power access on power quality of power grid， and judge whether harmonic， flicker and voltage fluctuation meet the national standard limits.

Key Words： Offshore wind power; Power simulation; Power quality; Harmonics; Flicker; Voltage fluctuation

能源是人类社会发展的重要要素，在降低温室气体二氧化碳排放已经成为全球共识的情况下，作为清洁能源的风能是各国开发的重点领域之一[1]。海上风电产业在欧洲已发展了近30年，目前已成为欧洲最主要的可再生能源发电形式之一 [2]。我国政府已承诺力争2030年前实现碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和[3]。广东省强调要积极发展海上风电，同时需要加快速度建设开发近海风电场，此举对支撑当地经济稳定快步发展起到十分重要的意义。

1研究对象基本情况

以广东省某个海上风电项目作为海上风电研究对象，该风电场规划装机容量为500 MW，年上网电量为1 538 GWh，年等效满负荷小时数为3 056 h，计划于2021年底投产完毕。该风电场主要由风机、海上升压站、陆上升压站、送出海缆和集电海缆等部分组成，升压到500 kV后接入电网。

2研究方法简述

近年来，风力发电技术取得了长足的发展与进步，但仍存在许多问题有待进一步研究和探讨[4]。风能存在的间歇性和不确定性等问题，也使得高渗透率的入网风电对电网带来的沖击越来越大[5]。由于DIgSILENT/PowerFactory软件具备非常优秀的功能与特性，因此使用DIgSILENT/PowerFactory软件研究发电机组并网测试问题拥有一定的优势[6]。该项目提取南网BPA数据库中元件参数，收集风电场项目近区电网实际运行负荷和电源出力数据，在DIgSILENT PowerFactory中研究搭建电网等值网络，并调整好电网运行方式，风电场模型以委托方提供的风电场资料为依据，对风电场的谐波源和闪变源建模，根据风电场连续运行、切入风速运行和额定风速启动时不同工况下，分析计算风电场注入电网PCC节点闪变、电压波动值、谐波电压和谐波电流，并判断是否满足国标限值。

3研究内容

通过国标要求和换算，该风电场的电压波动限值按1.5%，闪变限值为0.8[7]。奇次电压限值为1.6%，偶次谐波电压限值为0.8%，电压总谐波畸变率限值为2.0%，谐波电流限值见表1[8]。

通过仿真计算，连续运行情况下陆上升压变500 kV侧产生的闪变值为PstΣ=PltΣ=0.00523，传递到PCC的闪变值为PstΣ=PltΣ=0.00358;切入风速启动时，陆上升压变500 kV侧产生的长时间闪变值为PltΣ=0.00742，短时间闪变值为PstΣ=0.00773;传递到PCC产生的长时间闪变值为PltΣ=0.00508，短时间闪变值为PstΣ=0.00529;额定风速启动时，陆上升压变500 kV侧产生的长时间闪变值为PltΣ=0.00364，短时间闪变值为PstΣ=0.00379;传递到PCC产生的长时间闪变值为PltΣ=0.00249，短时间闪变值为PstΣ=0.00259，对比国标关于闪变限值的规定可知，该风电场内的风电机组处于不同工况运行时所产生的闪变值是可以接受的。

根据仿真计算结果计算结果可知，在切入风速时启动时风电场引起PCC节点产生的电压波动值为0.005%;在额定风速时启动时风电场引起PCC节点产生的电压波动值为0.023%，满足标准电压波动小于1.5%的要求。

通过对比表2和表3中的最大谐波电流和经过换算的谐波电流允许值可以看出，风电注入PCC节点处可能产生的各次谐波电流最大值均远小于对应的谐波电流限值。图1给出了风电产生的谐波电流注入后，PCC节点的电压波形以及各次谐波电压含有率。同时，仿真计算表明，PCC节点的谐波电压总畸变率为0.168%。PCC节点谐波电压含有率较大值的谐波次数为2、4和7次，谐波电压畸变率分别为0.047%、0.11%和0.075%，PCC节点的谐波电压畸变率和电压总畸变率均未超出国标规定的范围。

3结论和建议

该项目的建设能有助于开发广东海上风能资源，提高地区能源供应能力，有利于缓解电力工业的环保压力，助力地区经济的低碳持续发展，社会效益显著。不论何种类型风力发电机组，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力发电机组中的电力电子变流环节。根据委托方提供的风力发电机组谐波电流实测数据，通过搭建电网模型并仿真计算不同运行工况下，该风电场并网运行引起的闪变和电压变动均在国标允许限值内。该风电场运行过程中PCC节点产生的各次谐波电流注入均在国标的允许范围内。

参考文献

[1] 吴昊天.基于永磁风机并网技术的微电网优化运行研究[D].北京：华北电力大学，2021.

[2] 杨光亚.欧洲海上风电工程实践回顾及未来技术展望[J/OL].电力系统自动化：1-10[2021-11-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210928.1608.009.html.

[3] 杨帆，张晶杰.碳达峰碳中和目标下我国电力行业低碳发展现状与展望[J].环境保护，2021，49（Z2）：9-14.

[4] 周飞航.永磁同步风能转换系统振动抑制及鲁棒控制研究[D].西安：西安理工大学，2020.

[5] 于泽洋.基于DIgSILENT软件的双馈风电场等值建模研究[D].大连：大连海事大学，2019.

[6] 刁哲偉.基于DIgSILENT的机组并网测试仿真及策略研究[D].南宁：广西大学，2018.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电能质量电压波动和闪变：GB/T 12326-2008[S].北京：中国质量标准出版传媒有限公司，2008.

[8] 国家技术监督局.电能质量公用电网谐波：GB/T 14549-1993[S].北京：中国标准出版社，1994.