風電場功率調節能力和電能質量測試及分析

張明江，師廣志，任 強

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

風電的大規模接入對區域電網的調峰能力、電壓控制特性及電能質量提出較大挑戰，電能質量的低劣導致風電場無法正常運行的事件屢有發生［1－3］。而且，當電網發生故障造成并網點電壓跌落時，風電機組會自動脫網，造成電網電壓和頻率的崩潰，嚴重影響電網的安全穩定運行，也限制了風力發電清潔能源的應用。因此，為了保障電網的安全穩定運行，本文以黑龍江省某風電場為例，對風電場有功功率變化、無功功率調節能力和電能質量進行了測試，并對測試結果進行了分析。

1 風電場介紹

風電場位于黑龍江省東南部，所處區域屬寒溫帶大陸季節風氣候，風資源較好。總裝機容量為99．6 MW，共安裝54臺電機容量為 1．8 MW 和

2 MW的丹麥維斯塔斯V90型風電機組，配套建設一座220 kV升壓站，接入系統變電所并網。在風電場的35 kV側安裝有額定容量為12 MVA的濾波電容器和額定容量為6 MVA的SVG，主接線示意圖如圖1所示。測試期間，濾波電容器因故障退出運行，SVG正常運行，風機全部正常運行。

圖1 風電場主接線示意圖

表1 風電場正常運行時有功功率0．2 s平均值 kW

2 測試分析

測試地點為風電場升壓站220 kV出線，測試儀器為奧地利公司DEWE5000數據采集儀。測試內容包括:風電場有功功率變化測試、風電場無功功率調節能力測試和風電場電能質量測試。測試期間風速變化和有功功率變化如圖2和圖3所示。

圖2 測試期間風電場風速變化

圖3 測試期間風電場三相總有功率變化

2．1 有功功率變化測試

2．1．1 風電場正常運行工況

1)有功功率0．2 s平均值。風電場連續運行時，在風電場并網點采集三相電壓和三相電流，采樣頻率不低于800 Hz。輸出功率從0至額定功率的100%，以10%的額定功率為區間，每個功率區間、每相至少應采集風電場并網點5個10 min時間序列瞬時電壓和瞬時電流值的測量值;通過計算得到所有功率區間的風電場有功功率的0．2 s平均值。風電場正常運行時有功功率0．2 s平均值測試結果如表1所示。

2)1 min和10 min有功功率變化。以測試開始為零時刻，計算零時刻至60 s時間段內風電場輸出功率最大值和最小值，兩者之差為1 min有功功率變化;同樣計算0．2 s至60．2 s時間段內風電場輸出功率最大值和最小值，得出1 min有功功率變化，依此類推，計算出1 min有功功率變化，測試結果如表2所示。10 min有功功率變化的計算方法與1 min有功功率變化的計算方法相同，測試結果如表3所示。

由表2和表3可以看出，風電場正常運行情況下，1 min和10 min有功功率變化滿足標準［4］要求。

2．1．2 風電場并網工況

當風電場的輸出功率達到或超過額定容量的75%時，切除全部運行風電機組;之后風電場重新并網，此時為測試開始零時刻，用與正常工況相同的方法計算出1 min和10 min的有功功率變化，測試結果如表4所示。風電場并網時有功功率曲線如圖4所示。

表2 正常運行情況下風電場1 min有功功率變化MW

表3 正常運行情況下風電場10 min有功功率變化MW

表4 風電場并網情況下1 min和10 min有功功率變化 MW

圖4 風電場并網時有功功率曲線

2．1．3 風電場正常停機工況

當風電場的輸出功率達到或超過風電場額定容量的75%時，切除全部運行風電機組，此時為測試開始零時刻，用與正常工況相同的方法計算出1 min和10 min的有功功率變化，測試結果如表5所示。風電場正常停機時有功功率曲線如圖5所示。

2．2 風電場無功功率調節能力測試

設置風電場按照并網點電壓恒定方式運行，在風電場并網點采集三相電壓和三相電流，采樣頻率不小于800 Hz。輸出功率從0至額定功率的80%，以額定功率的10%為區間，每個區間至少收集10個1 min有功功率和無功功率數據系列。計算風電場輸出有功功率和無功功率，其有功功率和無功功率為1 min平均值，測試結果如表6所示。風電場的無功功率、有功功率相對于并網點電壓的變化曲線如圖6－圖13所示。

表5 風電場正常停機情況下1 min有功功率變化MW

圖5 風電場正常停機時有功功率曲線

表6 有功功率和無功功率的1 min平均值

圖6 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(0～10%)

圖7 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(10%～20%)

圖8 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(20%～30%)

圖9 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(30%～40%)

圖10 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(40%～50%)

圖11 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(50%～60%)

圖12 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(60%～70%)

圖13 風電場無功功率和有功功率相對于并網點電壓的變化曲線(70%～80%)

由文獻［5］可知，當公共電網電壓處于正常范圍內時，風電場應當能夠控制風電場并網點電壓在額定電壓的97%～107%。即對于220 kV電壓等級，風電場應當能夠控制風電場并網點電壓在213．4～235．4 kV。

由圖6～圖13可以看出，風電場正常運行情況下，在0～80%的有功功率范圍內，均可以保證并網點電壓在標準允許范圍內。

2．3 風電場電能質量測試

2．3．1 諧波測試

1)背景諧波測試。風電場內的風電機組全部停機時，測試背景電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓和間諧波電壓，測試周期為24 h，測試結果如表7所示。

表7 背景主要諧波電壓和間諧波電壓

2)正常運行諧波測試。風電場正常運行時，測試諧波電流、電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓和間諧波電壓，測試結果如表8和表9所示。

表8 正常運行時各次諧波電壓和間諧波電壓

由表8和表9可以看出，風電場正常運行情況下，所產生的5、7、11和13次諧波電流超出國家標準［6］規定的允許值要求，間諧波電壓滿足國標［7］限值要求。

表9 正常運行時各次諧波電流

2．3．2 閃變測試

1)背景閃變測試。風電場內的風電機組全部停機時，測試背景長時間閃變值Plt0，測試周期為24 h，測試結果如表10所示。

表10 背景長時間閃變值Plt0

2)正常運行閃變測試。風電場正常運行時，測試長時間閃變值Plt1，測試結果如表11所示。

表11 正常運行時長時間閃變值Plt1

根據文獻［4，8］的規定，波動負荷單獨引起的長時間閃變值為

式中:Plt2為波動負荷單獨引起的長時間閃變值;Plt1為波動負荷投入時的長時間閃變測量值;Plt0為背景閃變值，是波動負荷退出時一段時期內的長時間閃變測量值。測試結果如表12所示。

表12 風電場單獨引起的長時間閃變值Plt2

由表12可以看出，正常運行情況下，風電場單獨引起的長時間閃變值滿足國家標準［8］規定限值要求。

3 結束語

通過對風電場的測試，掌握了風電場的有功功率特性、無功調節能力和電能質量等參數，同時，在測試中發現諧波電流超標，因此，建議將濾波電容器檢修后盡快投入運行或改變SVG的控制策略，使其具有有源濾波的功能，務必使電能質量合格，保證電網的安全穩定運行。

［1］張鵬，趙喜，尹柏清，等．大規模運行風機脫網事故調查分析［J］．內蒙古電力技術，2010，28(2):1－4．

［2］馬昕霞，宋明中，李永光．風力發電并網技術及其對電能質量的影響［J］．上海電力學院學報，2006，22(3):283－286．

［3］顧力，曹文，奚永巍，等．對風力發電機組并網的電能質量監測評估［J］．供用電，2011，28(1):71－72．

［4］國家電網公司標準 Q/GDW 630－2011風電場功率調節能力和電能質量測試規程［S］．

［5］國家電網公司標準 Q/GDW 392－2009風電場接入電網技術規定［S］．

［6］國家標準 GB/T 14549－1993電能質量．公用電網諧波［S］．

［7］國家標準 GB/T 24337－2009電能質量．公用電網間諧波［S］．

［8］國家標準 GB/T 12326－2008電能質量．電壓波動和閃變［S］．