基于风电场功率调节能力和电能质量测试及研究

基于风电场功率调节能力和电能质量测试及研究

陆爱华

（国网江苏省电力公司电力科学研究院江苏南京211103）

摘要：本文运用文献研究法、举例论证法和比较论证法等研究方法，通过对风电场功率调节和电能质量测试的阐述和分析，进一步探究我国风电场功率调节和电能质量测试中的问题并尝试提出解决方案。

关键词：风电场；功率调节；电能质量；测试

引言

第二次工业革命以来，电能已经成为现代人类社会中不可或缺的能源之一，也是一种清洁方便、经济实用且易于传输、控制和转换的能源。我国传统的发电模式以火力发电为主，随着时代的进步，科技的发展，各种新型发电方式应运而生。其中，风力发电就是一种有效利用自然资源、节能、环保的清洁能源。风电的大规模介入对区域电网的调峰能力、功率调节能力以及电能质量提出较大的挑战。电能质量不过关会导致风电场无法正常运行，严重影响电网的安全和稳定运行，大大限制了风力发电的应用。

一、风电场相关概念和介绍

1.风电场的概念

风电场是指有一批风力发电机组成或风力发电机组群（包括机组单元变压器）、汇集线路、主升压变压器及其他设备组成的电站。是人类发明的一种发电工具，利用风能并结合一系列发电机器从而达到用风力发电的目的。

2.风电场的建造条件

风电场建设的选址是要考虑气象条件和社会自然条件等因素的。风电场对风能的质量要求高，所以风力发电场的地址选择的首要条件必须风能资源丰富。年平均风速在5m/s以上，30m高处的有效风力时数在6000h以上，有效风能密度在240w/m^2以上时才适合建设大型风电场。而影响风能质量的因素除了年平均风速还有平均风功率密度、风频分布、有效风速可利用小时数、风向稳定度等。

风力发电场的场址盛行风向要稳定。风向稳定不仅可以增大风能利用率，还可以延长风机寿命。风力发电场湍流程度要小。风是随机的，并受场地表面粗糙度和附近障碍物的影响。风场湍流的形成一般是由于风道过于粗糙、或者因障碍物而产生的风速及风向的急剧变化而引起的。它不仅会影响风力发电机的出力，还会使风力发电机产生振动和受载不均，降低风力发电机使用寿命，严重时还会造成桨叶飞出的事故。风力发电场址的自然灾害要少。强风、冰雹、雷暴、地震等都会对风力发电机等造成影响。

当然，以上这些都属于对气象条件的要求，在社会自然条件上，还要求地势平坦，土质条件好，以便土建施工。要求交通便利，应考虑到拟建风电场的设备供应和主要建筑材料的运输。要求尽可能少占耕地，离开候鸟迁徙路线和动物的栖息地等，减少生态破坏。还要尽可能接近电网接入点，例如靠近现有的10KV和66KV变电所和线路，以减少电能损耗和送出工程的费用。

二、风电场功率调节能力

1.风电场有工功率与无功功率

有功功率(P)是指保持设备运行所需要的电功率，也就是将电能转化为其它形式的能量(机械能，光能，热能等)的电功率，比如：6.0千瓦的电动机就是把6.0千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒。

无功功率比较抽象，它主要用于电气设备内电场与磁场的能量交换，在电气设备(电路系统)中建立和维护磁场的功率，不表现对外做功。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如：40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。

2.风电场的有功功率控制与调节

在常规的水火电系统中，通过借助自动发电控制系统，在线调节机组出力，实时跟踪电力调度机构下达的发电计划曲线，但是由于风速的不可控性，风电机组只能运行在最大捕获功率或低于该出力水平情况下，难以和常规的水火电机组一样，跟踪特定的发电计划曲线，为解决风力常出力的不确定性带来的影响，国家能源局已经要求风电场装设功率预测系统，风电场也将同常规电厂一样跟踪调度机构下达的发电计划曲线，均方根误差大于0.2者将受到考核。

风电场通常包含多台风机，风电场有功功率调节必须借助风电场集中功率控制系统来实现，当风电场有功功率超过调度机构下达的计划曲线或者接到调度机构要求风电场降出力运行指令时，风电场集中控制系统可以通过变桨或者切机方式调节风电场出力。

尽管如此，风电场功率调节的还存在问题。风电场有功功率只能单向控制，功率控制系统只能控制风电场出力在低于最大风能捕获功率水平以下运行。

3.风电场的无功功率控制与调节

通过过去对内蒙古风力场风力发电机群调节无功能力的测试，从试验数据分析可得，在风电场30%工况下，单由风力发电机群可调控风电场无功±22Mvar，调节220kV母线电压范围在±6kV；在风电场50%工况下，可调控风电场无功±23Mvar，调节220kV母线电压范围在±5kV。表明1.5MW永磁直驱风力发电机机组群具备一定的无功调节能力，单投风电机组能量综合管理平台控制风电机组群吸、发无功，可以有效调节整个风电场的无功水平，控制母线电压。。但仅投SVC的电抗器调节风电场无功功率，可以吸收无功，降低母线电压，220kV母线的谐波总畸变率符合要求，但35kV母线会产生以奇次谐波为主的谐波畸变，总畸变率超出国家标准要求。SVC可以对风电场进行快速无功补偿，控制母线电压，但由于电网公司要求风电场以恒电压方式控制SVC运行，部分SVC制造厂家进行了技术改造，取消恒功率控制方式，只保留恒电压控制方式模块，造成选择控制方式的障碍

三、电能质量测试

1.国内外电能质量测试的发展研究状况

电能质量监测装置是电网管理者实现对电网系统有效监管的必需设备，只有对反映电能质量指标的参量进行准确、实时的测量，才能为实现对电能质量问题的有效解决提供可靠的数据依据。

国外对于电能质量研究起步较早，而且对电能质量检测设备的开发和研究非常重视，因此在电能质量检测设备方面占有很大的技术优势。

国外的电能质量检测设备不但技术水平高，而且种类多样，例如日本日置开发的PW3198系列电能质量分析仪，美国福禄克公司的Fluke430系列电能质量分析仪、1760系列三相电能质量记录仪，瑞典LEM公司的TOPAS1000系列电能网络分析仪和PQFIX电能质量远程监测装置等，这些产品代表了当今世界电能质量分析的最高水平，具有检测指标丰富，测试精准度高等特点。

相比之下，我国对于电能质量的研究起步较晚，上世纪八十年代一些科研院所才开始相应的研究工作，后来随着科学技术的发展，一些公司开始致力于电能质量检测装置的开发和研究工作，并取得了一定的成果。目前国内致力于电能质量检测装置开发的公司还不多，比较有代表性的为上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、台湾泰仕电子工业股份有限公司等，这些产品大多数以检测稳态参数为主，也具有测量某些瞬态参数的功能，具有一定的数据存储和通信功能，但总体而言与国外的差距比较大。

2.我国电能质量测试的主要问题

电能质量测试检测指标单一，没有明确的全面的检测标准；精准度距离国际先进水平还有很大差距；缺少良好的操作经验；相应的设备和产品研究和开发不够受到重视，技术水平较为落后，产品的生产标准缺乏严格规范；配套设施不完善，软件功能单一，不能对数据进行丰富而可靠的分析。

结束语

通过以上对风电场功率调节能力和电能质量测试的分析，了解了风电场功率调节和电能质量检测的原理和方法，并发现其中的问题，为我国功率调节和质量检测能力的发展提供了理论依据。

参考文献

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