考慮風(fēng)資源影響的風(fēng)電場電壓波動(dòng)和閃變評估

張宇，何維國，鄒正華，李新雄

（1上海市電力公司，上海，200025；2深圳市領(lǐng)步科技有限公司，廣東深圳，518055）

風(fēng)能雖然是一種清潔的可再生能源，但其隨機(jī)性與波動(dòng)性會(huì)使風(fēng)電機(jī)組輸出的功率波動(dòng)，可能引起有些節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)，電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一[1-3]。在中國，風(fēng)電資源豐富的地區(qū)，通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。所建設(shè)的大規(guī)模風(fēng)電場通常在過電網(wǎng)的末端接入，系統(tǒng)短路容量小，電壓波動(dòng)與閃變造成的影響可能更為顯著[3-4]。因此，在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行之前，必須對其可能帶來的電能質(zhì)量問題進(jìn)行評估。

閃變檢測從是否存在的角度，最簡單實(shí)用的方法是用白熾燈觀察，但直觀方法無法給出閃變的參數(shù)描述[6]。國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-21中根據(jù)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量的規(guī)定，分析了風(fēng)電場的閃變計(jì)算方法，這也是閃變評估的主要方法之一[5]。文獻(xiàn)[6]針對風(fēng)電場的實(shí)際情況，指出功率波動(dòng)有時(shí)候也應(yīng)該考慮為電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。文獻(xiàn)[7]對風(fēng)電場并網(wǎng)后的諧波進(jìn)行評估，并沒有給出電壓波動(dòng)和閃變的評估方法。還有一些方法也用于風(fēng)電場并網(wǎng)電能質(zhì)量的評估[8-10]。

本文在評估時(shí)考慮風(fēng)速變化帶來的影響，分別用所提方法和IEC標(biāo)準(zhǔn)對一個(gè)我國新建的風(fēng)電場進(jìn)行電壓波動(dòng)與閃變評估。基于PSCAD/EMTDC將風(fēng)電場機(jī)組在適當(dāng)簡化方式下進(jìn)行建模，依據(jù)風(fēng)電場的測風(fēng)數(shù)據(jù)建立風(fēng)速模型，建立了完整的風(fēng)電場評估系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果表明，所提方法不僅能有效地進(jìn)行電壓波動(dòng)與閃變評估，而且能更好地考慮風(fēng)速變化對風(fēng)電場帶來的潛在影響。

1 IEC方法的電壓波動(dòng)與閃變

1.1 電壓波動(dòng)計(jì)算方法

根據(jù)IEC61400-21，單臺機(jī)組切換運(yùn)行產(chǎn)生的相對電壓波動(dòng)可按式（1）進(jìn)行測算：式中，d為相對電壓波動(dòng)；ku（Ψk）為機(jī)組在電網(wǎng)連接點(diǎn)對應(yīng)Ψk時(shí)的電壓波動(dòng)率；Sn為機(jī)組額定視在功率；Sk為電網(wǎng)連接點(diǎn)的短路視在功率。對于電網(wǎng)連接點(diǎn)接入多臺機(jī)組的情況，同一時(shí)間不可能出現(xiàn)兩臺機(jī)組同時(shí)進(jìn)行切換運(yùn)行的情況，因此，評估多臺機(jī)組引起的電壓波動(dòng)時(shí)不需要考慮累積影響。

1.2 閃變計(jì)算方法

1.2.1 連續(xù)運(yùn)行

在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的單臺機(jī)組所產(chǎn)生閃變按式（2）進(jìn)行折算，取概率分布為0.99對應(yīng)的分布位數(shù)：

式中，c（Ψk·va）為給定輪轂高度年平均風(fēng)速va和給定電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電網(wǎng)阻抗角Ψk時(shí)，機(jī)組閃變系數(shù)，Sn為機(jī)組額定視在功率，Sk為電網(wǎng)連接點(diǎn)的短路視在功率。對于實(shí)際Ψk和va對應(yīng)的機(jī)組閃變系統(tǒng)可根據(jù)機(jī)組廠商提供的數(shù)據(jù)，用插值法得出。

如果電網(wǎng)連接點(diǎn)處并有多臺風(fēng)電機(jī)組，則其閃變系數(shù)按式（3）計(jì)算：

ci（Ψk·va）為單臺機(jī)組的閃變系數(shù)；Sn,i為單臺機(jī)組的視在功率；Nwt為連接于電網(wǎng)連接點(diǎn)機(jī)組的數(shù)量。

1.2.2 切換運(yùn)行

單臺機(jī)組切換運(yùn)行產(chǎn)生的閃變可按式（4）和式（5）計(jì)算：

式中，kf（Ψk）為機(jī)組在電網(wǎng)連接點(diǎn)處對應(yīng)Ψk的閃變階躍系數(shù)，對于實(shí)際的Ψk對應(yīng)的機(jī)組閃變系數(shù)可根據(jù)機(jī)組廠商提供的數(shù)據(jù)，用插值法得出。

如果電網(wǎng)連接點(diǎn)處并有多臺機(jī)組，則其閃變階躍系數(shù)可按式（6）和式（7）計(jì)算：

式中，N10,j和N120,j為各臺機(jī)組在10 min和120 min內(nèi)切換運(yùn)行的次數(shù)，kf,j（Ψk）為單臺機(jī)組的閃變階躍系數(shù)，Sn,j為單臺機(jī)組的額定功率。

2 考慮風(fēng)速變化的評估方法

這種評估方法的核心是對風(fēng)電場的工程進(jìn)行調(diào)研，了解有關(guān)風(fēng)電場風(fēng)能分布、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、風(fēng)電場的接線方式及參數(shù)和系統(tǒng)的等值參數(shù)，然后在PSCAD/EMTDC中建立整個(gè)風(fēng)電場的模型。對風(fēng)電場在不同出力下由陣風(fēng)引起系統(tǒng)的電壓波動(dòng)情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，采用Matlab閃變計(jì)算程序，獲得對應(yīng)于所測得電壓波動(dòng)的短時(shí)間閃變水平值Pst。

2.1 風(fēng)速模型

為了評估陣風(fēng)引起的風(fēng)電場電壓波動(dòng)和閃變情況，需要對風(fēng)電場的風(fēng)力資源進(jìn)行測量，并建立相應(yīng)的風(fēng)速模型。為了較精確的描述風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，采用PSCAD中的wind source模塊，其中包括平均風(fēng)速、陣風(fēng)和噪聲風(fēng)3個(gè)成分（不考慮漸變風(fēng)的影響），即

式中，Vwind為總的模擬風(fēng)速，VM為平均風(fēng)速，VG為陣風(fēng)，VN為噪聲。根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)資源的具體情況進(jìn)行取值。評估時(shí)改變平均風(fēng)速的值即可改變風(fēng)電場的功率輸出。

2.2 簡化的雙饋風(fēng)機(jī)模型

實(shí)際風(fēng)電場中有很多臺風(fēng)機(jī)，由于評估的內(nèi)容主要是風(fēng)速引起的電壓波動(dòng)和閃變情況，可以對這些機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕皇褂镁_的詳細(xì)模型。圖1所示為2 MW風(fēng)機(jī)的實(shí)測風(fēng)速-功率曲線。

根據(jù)曲線生成的函數(shù)，可用一個(gè)受控電流源來模擬風(fēng)電機(jī)組的輸出特性，如式（9）所示。

圖1 2 MW風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)速-功率曲線Fig.1 The 2 MW fan of the measured wind speed-Power curve

式中，IDFIG為一臺風(fēng)機(jī)輸出的電流值；P為受平均風(fēng)速Vwind和風(fēng)機(jī)終端電壓U控制的有功功率。

風(fēng)電系統(tǒng)中的其他模型，如變壓器模型、輸電線模型可以從PSCAD中得到。建立完整個(gè)風(fēng)電場系統(tǒng)模型后，改變風(fēng)速即可得到風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處電壓波動(dòng)情況。

2.3 IEC閃變儀模型

IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的閃變儀包括輸入電壓適配器，平方解調(diào)器，視感度加權(quán)濾波器，平方器，一階平滑平均濾波器和統(tǒng)計(jì)分析模塊。

在simulink中建立IEC閃變儀模型，框圖如圖2所示。其中的增益控制是為了在對應(yīng)瞬時(shí)閃變視感度S（t）=1的各頻率電壓波動(dòng)下對閃變儀輸出的S（t）進(jìn)行校正，減少低頻段電壓波動(dòng)的測量誤差。

圖2 閃變儀框圖Fig.2 Flicker instrument block diagram

3 算例分析

3.1 待評估的風(fēng)電場

圖3所示為待評估的風(fēng)電場系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)臨近的風(fēng)電機(jī)組群組成，每個(gè)機(jī)組群有25臺2 MW的雙饋風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)經(jīng)過一變壓器將機(jī)端電壓從0.69 kV升壓至35 kV。風(fēng)機(jī)輸出功率通過35 kV集電線路連接到風(fēng)電場110 kV變電站，由47 km長的110 kV雙回輸電線接入主變電站，與區(qū)域電力系統(tǒng)相聯(lián)。區(qū)域電網(wǎng)的等值模型及短路容量由110 kV側(cè)母線的三相短路電流值求得。此次評估點(diǎn)是系統(tǒng)公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)PCC處的電壓波動(dòng)與閃變的情況。

圖3 待評估的風(fēng)電場系統(tǒng)Fig.3 Waiting for the assessment of wind farm systems

3.2 考慮風(fēng)速變化的評估

3.2.1 電壓波動(dòng)評估

該風(fēng)電場主要受到陣風(fēng)的影響，由于平均風(fēng)速已知（8 m/s），需要對不同幅值的陣風(fēng)引起的電壓波動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，判斷是否超出國家標(biāo)準(zhǔn)中電壓波動(dòng)的限值。由于電壓波動(dòng)與機(jī)組的出力大小有關(guān)，所以對90%、50%和30%機(jī)組出力時(shí)的情況進(jìn)行仿真。

國標(biāo)GB12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》中規(guī)定了由波動(dòng)負(fù)荷產(chǎn)生的電壓變動(dòng)限值與變動(dòng)頻度和電壓等的關(guān)系，如表1所示。

表1 電壓波動(dòng)限值Tab.1 Voltage fluctuation limits

LV,MV和HV分別代表電壓等級：UN≤1 kV,1 kV＜UN≤35 kV，35 kV＜UN≤220 kV。考慮陣風(fēng)周期選波動(dòng)頻度為100＜r≤1000，根據(jù)PCC處的電壓等級和用戶協(xié)議容量，決定本次評估的電壓波動(dòng)限值選為0.97%。

風(fēng)電場陣風(fēng)的最大幅值在4 m/s左右，分別選取1～5 m/s風(fēng)速的陣風(fēng)進(jìn)行仿真，并改變風(fēng)電場的出力，分析陣風(fēng)對PCC電壓波動(dòng)的影響。電壓波動(dòng)的仿真值見圖4。

圖4 由陣風(fēng)引起的PCC電壓波動(dòng)值Fig.4 The value of PCC voltage fluctuations caused by gusty winds

由圖4可知，電壓波動(dòng)沒有超過限值，此風(fēng)電場電壓波動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)出力較小時(shí)，陣風(fēng)引起的電壓波動(dòng)值較大。

3.2.2 閃變評估

各級電壓下的閃變限值如表2所示。

表2 閃變限值Tab.2 Flicker limits

根據(jù)用戶協(xié)議和電壓等級，決定本次評估的短時(shí)閃變限值選為0.77。用閃變計(jì)算程序計(jì)算電壓波動(dòng)評估時(shí)得到的不同出力時(shí)由不同幅值陣風(fēng)引起的電壓波動(dòng)，得到的短時(shí)間閃變值Pst如圖5所示。

由圖5可知，由陣風(fēng)引起的電壓閃變值沒有超過限值，風(fēng)電場閃變符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 由陣風(fēng)引起的短時(shí)間閃變值Fig.5 Short term severity by gusty winds

3.3 采用IEC標(biāo)準(zhǔn)評估

本風(fēng)電場使用的是G90 DA 2 MW風(fēng)機(jī)，對電壓波動(dòng)和閃變的評估是基于對此風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行和切換運(yùn)行所測得的電壓階躍系數(shù)和閃變階躍系數(shù)，數(shù)據(jù)可由風(fēng)機(jī)廠家提供。

3.3.1 電壓波動(dòng)評估

根據(jù)式（1），Sn=2 MW，Sk=2183 MW。由于風(fēng)機(jī)在不同情況下切換運(yùn)行的電壓階躍系數(shù)不同，在計(jì)算時(shí)分別選擇風(fēng)機(jī)在切入風(fēng)速時(shí)啟動(dòng)（ku最大值為0.07），額定風(fēng)速時(shí)啟動(dòng)（ku最大值為0.91），S-L啟動(dòng)時(shí)（ku最大值為0.55）的計(jì)算結(jié)果如下：切入風(fēng)速啟動(dòng)的電壓波動(dòng)d1=0.006%，額定風(fēng)速啟動(dòng)的電壓波動(dòng)d2=0.0083%，S-L啟動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)d3=0.05%。考慮多臺機(jī)組的累積影響，最大電壓波動(dòng)率0.05%即為整個(gè)風(fēng)電場在PCC處引起的電壓波動(dòng)。可知，電壓波動(dòng)不超標(biāo)。

3.3.2 閃變評估

根據(jù)式（6）和（7），取Sk=579.2 MVA，Sn,j=2 MVA，kf,j（Ψk）=0.91，ci（Ψk，va）＝5.6。評估結(jié)果如表3所示。

表3 IEC方法的閃變評估Tab.3 Flicker assessment of the IEC method

從表3可知，用IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的閃變值也符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

以上的算例表明，用所提考慮風(fēng)速變化的方法對風(fēng)電場并網(wǎng)進(jìn)行評估時(shí)，能得到與IEC標(biāo)準(zhǔn)評估相同的結(jié)論，驗(yàn)證了所提方法的可行性。另外可以看出，用所提的方法計(jì)算得到的電壓波動(dòng)和閃變值要比由IEC標(biāo)準(zhǔn)算得的值大，能更加明顯地反映風(fēng)電場并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量的潛在影響。IEC標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法是基于從實(shí)驗(yàn)測得的風(fēng)機(jī)自身的電壓波動(dòng)和閃變系數(shù)；而所提的方法是建立在對所評估風(fēng)電場進(jìn)行完整的建模并考慮風(fēng)電場風(fēng)速的變化對電網(wǎng)的影響。所提的方法可以做為IEC標(biāo)準(zhǔn)評估方法的一種補(bǔ)充，用于對風(fēng)電場并網(wǎng)前的電能質(zhì)量預(yù)評估。

4 結(jié)論

本文提出了一種考慮風(fēng)電場風(fēng)速變化的電壓波動(dòng)和閃變的評估方法。通過一個(gè)新建的風(fēng)電場的建模，應(yīng)用所提方法對不同風(fēng)電場出力下不同幅值的陣風(fēng)引起的電壓波動(dòng)和閃變進(jìn)行了評估，所得結(jié)果與IEC標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，所提方法能有效地對兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)評估。本文建立的評估模型以及所演示的風(fēng)電場電壓波動(dòng)和閃變的評估過程對類似風(fēng)電場電能質(zhì)量的評估具有一定的借鑒意義，可以作為IEC方法的一種補(bǔ)充。風(fēng)電場并網(wǎng)之后所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題及解決方法有待于進(jìn)一步研究。

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