風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)烏蘭察布電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響與分析

鄔立新

（內(nèi)蒙古烏蘭察布電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)已經(jīng)成為很重要的可再生能源。現(xiàn)階段我國(guó)絕大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)都是接入電網(wǎng)運(yùn)行，隨著風(fēng)力上網(wǎng)電量的增加，風(fēng)電的電能質(zhì)量日益受到關(guān)注，風(fēng)電場(chǎng)的電能必須要滿足電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求，而衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)通常為電壓諧波、三相電壓不平衡度、頻率偏差等，因此有必要從電壓諧波、三相電壓不平衡度、頻率偏差等 3個(gè)方面來(lái)測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量。

風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動(dòng)的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波等。電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一。另外，風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流，引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變，并可能引發(fā)由諧振帶來(lái)的潛在問(wèn)題[1]。

本文通過(guò)烏蘭察布電網(wǎng)的工程實(shí)例對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的各種電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，并根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電能質(zhì)量的分析方法進(jìn)行了說(shuō)明，提出相應(yīng)的建議和措施。

1 系統(tǒng)概況

以烏蘭察布地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象。烏蘭察布位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，平均風(fēng)速5.0～6.5m/s，年平均風(fēng)能功率密度 150～200W/m2，年平均可利用小時(shí)數(shù)約 4000～7800h，年最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)小于 100h，風(fēng)能豐富區(qū)和較豐富區(qū)面積大，分布范圍廣，且具有穩(wěn)定度高，連續(xù)性好的風(fēng)能品味，無(wú)破壞性臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)，具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的自然條件。

目前，共有26座風(fēng)電場(chǎng)接入烏蘭察布電網(wǎng)，總裝機(jī)容量達(dá)243.115MW，經(jīng)烏蘭察布電業(yè)局所屬10座變電站并網(wǎng)送電。其中，經(jīng)烏蘭察布電業(yè)局德勝220kV變并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)共有5座風(fēng)電場(chǎng)。其風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)接線圖如圖1所示。

圖1 德勝變風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接線圖

其中，京能風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)100.5MW，華電風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)121.5MW，北方龍?jiān)达L(fēng)電場(chǎng)裝機(jī) 89.5MW，京能國(guó)際察右中風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī) 99.5MW，匯通能源展成風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)48MW。

經(jīng)烏蘭察布電業(yè)局高順220kV變并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)共有兩座風(fēng)電場(chǎng)，其風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接線圖如圖2所示。

圖2 高順變風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接線圖

其中，草垛山風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)68.5MW， 大唐風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)88MW。

2 測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試測(cè)量設(shè)備采用國(guó)電中科電氣有限公司生產(chǎn)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)試對(duì)象為經(jīng)德勝變德化線并網(wǎng)的華電風(fēng)電場(chǎng)及經(jīng)高順變高唐線并網(wǎng)的大唐風(fēng)電場(chǎng)。

綜上所知，德華風(fēng)電場(chǎng)220kV母線諧波電壓畸變率最大值為 1.017%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值 2%；三相電壓不平衡度 0.733%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值 2%；實(shí)測(cè)頻率為 49.97Hz，偏差 0.03Hz，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值0.2Hz;但是電壓波動(dòng)為9.216%，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值7%，超標(biāo)24.6%；長(zhǎng)時(shí)閃變值為0.48～0.54均小于《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》（GB 12326-2008）標(biāo)準(zhǔn)要求0.8。母線諧波電壓畸變率及短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)閃變數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1、表 2，母線三相電壓/電流實(shí)時(shí)波形及各次諧波最大值頻譜圖如圖3圖4所示。

表1 德華風(fēng)電場(chǎng)220kV母線諧波電壓畸變率

表2 德華風(fēng)電場(chǎng)220kV母線短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)閃變

圖3 德華風(fēng)電場(chǎng)220kV母線三相電壓/電流實(shí)時(shí)波形

圖4 德華風(fēng)電場(chǎng)220kV母線三相電壓/電流各次諧波最大值頻譜圖

綜上所知，高唐風(fēng)電場(chǎng)110kV母線諧波電壓畸變率最大值為 1.063%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值 2%；三相電壓不平衡度 0.731%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值 2%；實(shí)測(cè)頻率為 49.95Hz，偏差 0.05Hz，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值0.2Hz;但是電壓波動(dòng)為7.203%，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值7%，超標(biāo)20.3%；長(zhǎng)時(shí)閃變值為0.54～0.60均小于《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》（GB 12326-2008）標(biāo)準(zhǔn)要求0.8。母線諧波電壓畸變率及短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)閃變數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3、表 4，母線三相電壓/電流實(shí)時(shí)波形及各次諧波最大值頻譜圖如圖5圖6所示。

表3 高唐風(fēng)電場(chǎng)110kV母線諧波電壓畸變率

表4 高唐風(fēng)電場(chǎng)110kV母線短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)閃變

圖6 高唐風(fēng)電場(chǎng)110kV母線三相電壓/電流各次諧波最大值頻譜圖

3 存在的問(wèn)題

通過(guò)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出諧波含量、三相電壓不平衡度及頻率偏差、長(zhǎng)時(shí)閃變均不超標(biāo)，但是電壓波動(dòng)明顯超標(biāo)。探究其超標(biāo)原因如下。

1）風(fēng)電場(chǎng)距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，如華電風(fēng)電場(chǎng)到德勝變的距離約16km，大唐風(fēng)電場(chǎng)到高順變的距離約25km，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電無(wú)法就地消納，需要通過(guò)輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心。大量風(fēng)電功率的遠(yuǎn)距離輸送往往會(huì)造成線路壓降過(guò)大，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)含有的大量的異步電機(jī)吸收的無(wú)功功率及電網(wǎng)線路的無(wú)功損耗增大，同時(shí)并聯(lián)的電容器組的無(wú)功功率反而減小。因此，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功不足，使得局部電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性受到影響、穩(wěn)定裕度降低。

2）風(fēng)電機(jī)組所接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)其引起的電壓波動(dòng)和閃變也具有較大影響。風(fēng)電場(chǎng)公共連接點(diǎn)的短路比和電網(wǎng)線路的電源阻抗電感和電阻比（X/R）是影響風(fēng)電機(jī)組引起電壓波動(dòng)和閃變的重要因素。合適的X/R值可以使有功功率引起的電壓波動(dòng)被無(wú)功功率引起的電壓波動(dòng)補(bǔ)償?shù)簦瑥亩箍偟钠骄W變值有所降低。

3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但在起動(dòng)時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。再加上風(fēng)電機(jī)組的一些固有特性，如風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、葉片重力偏差以及偏航誤差和風(fēng)速的波動(dòng)等，也會(huì)造成風(fēng)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)可察覺(jué)的電壓閃變。

4 提高電能質(zhì)量的措施

針對(duì)存在的問(wèn)題及原因探究，故建議采取如下措施來(lái)提高電能質(zhì)量，抑制過(guò)大的電壓波動(dòng)。

1）提高風(fēng)力的可預(yù)測(cè)性。并網(wǎng)后的電壓波動(dòng)問(wèn)題是風(fēng)力的間歇性引起輸出功率的波動(dòng)而造成的。因此，通過(guò)預(yù)測(cè)風(fēng)力，可以改善電壓質(zhì)量問(wèn)題。具體手段：①根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的可靠歷史數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的電量輸出，提高風(fēng)電的保證系數(shù)；②利用附近氣象站的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)出力的變化，提高風(fēng)力發(fā)電的可預(yù)見(jiàn)性。

2）并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)與線路X/R比是非線性關(guān)系，當(dāng)對(duì)應(yīng)的線路阻抗角設(shè)定在 60°～70°時(shí)，電壓波動(dòng)和閃變最小。

3）采用無(wú)功補(bǔ)償裝置。減小電壓波動(dòng)量能有效抑制電壓閃變，主要方法：①裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）。風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)及閃變，具有沖擊性負(fù)荷的特點(diǎn)。而SVC可以迅速地按負(fù)荷的變化而改變無(wú)功功率輸出的大小和方向，調(diào)節(jié)或穩(wěn)定系統(tǒng)的運(yùn)行電壓；②通過(guò)改變系統(tǒng)的供電方式、提高供電電源的電壓等級(jí)、串聯(lián)電抗器等措施來(lái)提高系統(tǒng)的電抗[3]。

5 結(jié)論

為了使電網(wǎng)有效地接納風(fēng)電，理解風(fēng)電與電網(wǎng)之間的相互影響非常重要。本文針對(duì)烏蘭察布風(fēng)電并網(wǎng)存在的電壓質(zhì)量問(wèn)題，提出了采用提高風(fēng)力預(yù)測(cè)、改進(jìn)系統(tǒng)阻抗及設(shè)定、裝設(shè)SVC等措施來(lái)改善電壓質(zhì)量問(wèn)題。但仍需進(jìn)一步研究和完善合理有效地電能質(zhì)量控制措施，對(duì)進(jìn)一步改善風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量提供依據(jù)，以使風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，從而最大限度利用風(fēng)力資源。

[1]王承煦.風(fēng)力發(fā)電[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[2]韓鵬.淺談電能質(zhì)量[J].科學(xué)觀察,2008(1):51-53.

[3]孫淑琴.電壓波動(dòng)與閃變[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998.