风电场集中接入对区域电网的影响分析

风电场集中接入对区域电网的影响分析

刘德福 1 刘明达 2

内蒙古北方龙源风力发电有限责任公司 内蒙古呼和浩特市 010020 1 华能新能源股份有限公司蒙西分公司 内蒙古呼和浩特市 010020 2

摘要：中国风能资源丰富，实现了大型风力发电厂的开发和建设。然而，随着风力发电在电力系统中风电装机的增加，风电场的装机容量也在增加。风电场对系统的影响越来越明显。特别是在风电场相对集中的地区，风电场随风速的变化是相似的，它还增加了对连接电网的影响。

关键词：风力发电；电能质量；闪变；谐波

由于风速和风向的随机变化，风电机组的输出功率与风速的立方成正比，与风电机组的固有特性和环境因素密切相关。因此，风电场的输出功率波动是随机注入的，风电的不稳定性会引起电网电压波动，使电网闪变。另外，变速电机组中含有大量的电力电子器件，在运行过程中会向电网注入谐波，因此变频器产生的谐波会影响电网的电能质量。由于风电场并网运行的电能质量问题，有必要对其进行电能质量分析。风电场接入后风电场应保证电能质量符合国家有关标准。

一、风电引起的电能质量问题

1.电压和闪变波动。风电引起的电压波动主要是由于输出功率的随机波动。图1总结了风电并网导致电网电压波动的主要原因。

图1风电场接入电网等值电路

图1中 分别为风电场主供电站高压侧电压和电网电压;z=R+JX是线路的等效阻抗。有功功率和无功功率流动的正方向是负荷通常在风电场中流动的方向。根据电力系统分析的知识，它们之间的电压差异如下:

（1）

在不考虑线路分布电容影响的情况下，风电场吸收的无功功率随着输出有功功率P的增大而增大，也会导致线路电抗消耗的无功功率增加。当PR+QX>0时，风电场终端电压U1将低于电网电压U2；如果考虑线路分布电容、电容器充电功率、风电场缺电或低功率输出对线路的影响，其效果是使两端电压U1高于电压U2。

（2）

式中:功率(W)P;空气密度(kg/m3)ρ;V为风速M/s;叶尖速比λ;ω是叶轮转速(R/s);R为叶轮半径;A为叶片扫掠面积;CP为风能利用系数。根据Betz理论，CP的理论最大值为0.593。由式（2）中电机捕捉到的风功率可以看出，影响输出功率的因素很多，如空气密度ρ、叶轮转速ω、桨距角β和风速v等，风速的随机波动以及风机的一些固有特性，如风切变、塔影效应等，叶片重力偏差和偏航误差，会导致风电机组输出功率的波动，从而引起节点电压波动和闪变。闪变是由电压波动引起的光不稳定引起的人眼感知反应。由于人眼检测到的闪变频率范围为0.1~35Hz，风速快速变化的频率一般在0.1 hz左右，所以在此频率范围内的电压波动不太可能产生可识别的闪烁。当风速波动较大时，缓慢变化引起的电压偏差可能超出系统允许的范围。在风力机运行过程中，由于风力机自身的一些固有特性，会引起1Hz左右的电压波动，即3P频率。这种恒定的电压波动可能会导致相对严重的闪变问题。并网风电机组不仅在连续运行时产生电压波动和闪变现象，而且在开关运行时也产生电压波动和闪变现象。典型的切换操作包括启动、停止和切换发电机。由于输出功率由变速、恒频风电机组控制，因此产生的电压波动较小，多台台风发电机同时运行，可以平滑输出功率波动。虽然波动范围减小了，但多台机组同时运行，将会有更多的风电注入电网，导致的电压波动会随着机组数量的增加而增大。风电并网引起的电压波动和闪变与并网的拓扑结构有关。电网短路容量和线路阻抗比X/R对风电并网引起的电压波动和闪变有很大影响。共点的短路容量越大，风电并网对电压波动和闪变的影响越小。通过选择一定的线路阻抗比，可以用无功功率引起的电压波动来抵消有功功率波动引起的电压波动，改善风电并网引起的电压波动和闪变。结果表明，当风电场的阻抗角在60~70°之间时，风力发电引起的电压波动和闪变最小。

2.谐波。无论风电机组的类型如何，发电机本身产生的谐波都可以忽略不计。谐波电流的主要来源是风力发电机的电力电子。对于恒速风电机组，电力电子设备不能连续运行，因此不能产生谐波电流;当恒速风车并网时，柔性并网装置应在短时间内运行，并将部分谐波电流注入并网。然而,由于运行时间不长,电网谐波电流都有相当影响,风力和变速恒频时,必须考虑到它们所产生的谐波电流,由于该转换器单元仍然在运作的整个过程的运作,根据风机的功率输出比例尺基本上是线性的，即与风速有关。由于变频器的开关频率不是固定的，使用强制变频器的变速风力发电机不仅产生谐波，而且产生谐波间谐波。使用PWM开关和设计良好的过滤系统的转换器可以将谐波失真降到最低，甚至可以忽略谐波电流的影响。

二、风电场电能质量的分析与评估

以IEEE-14节点系统为例。系统网络中共有14个节点，其中节点1为均衡节点，节点4为PV节点，节点9为PQ节点，形成20支支路。参考容量是100 MW。

1电压偏差。当风电场出力不同时，图2是风电场接入点与相邻节点的电压偏差。

图2节点电压变化曲线

图2显示，随着风电场功率的增加，节点内的电压差异增大。最大电压差约为+6%，满足GB/t12325-2008“大功率电源电压差”要求。节点14是风电场的入口点。造成电压差异的主要原因是风电场的功率大于节点的负荷。风电场不仅满足节点的负载需求，而且为网络中的其他节点提供动力。功率方向从吸收到注入电网，大大增加了节点的电压。风电场功率越大，供电量越大，输电线路越大，电压差越大。节点9和13与节点14相邻。多亏风电场接入系统供电,一方的两个节点都是当家作主的风电场,这减少了常规单元节点注入功率的网,降低电压陷落并引发小幅增加节点的电压。风力发电越多，共享的电力就越多。常规机组输出的功率越小，电压差越大。

2. 闪变。IEc61400-21标准给出了多台风发生器闪变的评价公式。连续运行时短时和长期闪变值计算如下：

（3）

式中，CI（ψk，va）为单个风电机组的闪变系数；Sn，i为单台台风发电机的额定视在功率；SK为并网点的短路容量；NWT为接入点的机组数。根据单台风电机组电能质量实测数据，当以切入风速启动时，短时和长期闪变值分别为0.032、0.005、0.006；以额定风速起动时，短时闪变值为0.011，长期闪变值为0.01。均小于gb12326-2000《电能质量电压波动和闪变》规定的0.8。

2. 谐波。当风电场连续运行时，由多台风力发电机组连接到公共连接点所产生的谐波电流按下式计算:

（4）

式中，nωt为连接到公共连接点的风电机组数量；Ih为公共连接点处的h次谐波电流畸变；ni为第i台风电机组变压器的变比；Ihi为第i台风电机组的h次谐波电流畸变；β是标准中给出的索引表。根据单台风电机组电能质量实测数据，计算了风电场谐波电流的产生值和允许值。风电场并网产生的谐波电流大小在国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的限值范围内。该风电场符合国家标准，已接入电网影响是可以接受的。

结束语：在研究国内外相关电能质量标准的基础上，详细研究了大型风电场引起的电网电压偏差、闪变和谐波的机理及评价。以单台风电机组电能质量测量参数为例，分析了风电并网后的电能质量问题。此外，风电集成有时需要额外的分析来支持，如大型风电场或弱电网下的系统稳定性分析，以及当系统中大部分负荷由风力发电供电时的电网频率分析。

参考文献：

［1］范力．风电场并网对电力系统稳定性影响［J］．电网与清洁能源，2018(6):33－36．

［2］王建．现代风力发电技术以及工程应用［M］．北京:电子工业出版社，2018．