電壓不平衡與風(fēng)電廠運(yùn)行之間相互影響的探討

苗寶平

（中廣核（烏蘭察布）風(fēng)力發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布 012000）

0 引 言

能源對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了非常關(guān)鍵的作用。風(fēng)能作為一種再生能源，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。20世紀(jì)80年代以來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了更多的發(fā)展機(jī)會(huì)，風(fēng)力發(fā)電成本大幅下降，促進(jìn)了中型風(fēng)電廠以及大型風(fēng)電廠的發(fā)展［1］。目前，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為了最經(jīng)濟(jì)的新型能源。但是由于風(fēng)力發(fā)電具有一定的特殊性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電壓不平衡的現(xiàn)象，因此需要對(duì)電壓不平與風(fēng)電廠運(yùn)行之間的相互影響進(jìn)行研究。

1 風(fēng)電廠運(yùn)行的特征

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)。典型的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括了風(fēng)能的轉(zhuǎn)化和吸收裝置以及支撐作用的搭架、起連接作用的低速軸以及增速齒輪箱、能量轉(zhuǎn)換裝置——發(fā)電機(jī)等。風(fēng)電廠的建設(shè)與運(yùn)行主要是受到了資源分布以及風(fēng)能隨機(jī)性的影響，具有以下特征:

（1）風(fēng)電廠運(yùn)行具有大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行的特點(diǎn)。由于風(fēng)能的能量密度是非常低的，要想獲得相同的發(fā)電容量，風(fēng)力機(jī)的尺寸比起水輪機(jī)大十幾倍，這就限制了風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，目前我國(guó)多數(shù)風(fēng)電廠采用了大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行的方式發(fā)電。

（2）風(fēng)電廠運(yùn)行具有不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。由于風(fēng)速具有間歇性以及波動(dòng)性，不能提前進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出具有一定的隨機(jī)性。因此，風(fēng)力發(fā)電只能夠提供電力，而不能夠提供高效的發(fā)電容量。風(fēng)力發(fā)電一般都需要接入電網(wǎng)的末端，已經(jīng)逐漸改變了配電網(wǎng)功率單向流動(dòng)的特征，同時(shí)也促使潮流流向以及分布產(chǎn)生變化。當(dāng)風(fēng)電注入的功率增加時(shí)，風(fēng)電廠臨近的局部電網(wǎng)的電壓以及聯(lián)絡(luò)線的功率就會(huì)超過(guò)安全的范圍，導(dǎo)致電壓崩潰。

（3）風(fēng)電廠運(yùn)行具有原動(dòng)力不可控的特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電是以自然風(fēng)為原動(dòng)力進(jìn)行發(fā)電的，自然風(fēng)是不可控制的，也是不能大量?jī)?chǔ)存的，因此，像常規(guī)能源發(fā)電一樣根據(jù)負(fù)荷要求而改變風(fēng)電機(jī)組的處理是非常困難的。在目前的條件下，只能夠在特定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如，通過(guò)改變風(fēng)力機(jī)葉片的槳距角來(lái)調(diào)整吸收的風(fēng)能等。影響風(fēng)力發(fā)電的因素主要是隨著風(fēng)速的不斷增大，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電壓波動(dòng)以及閃變就會(huì)增加，且風(fēng)電機(jī)組在切換發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)以及停止的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)以及閃變，導(dǎo)致電壓波形畸變，產(chǎn)生電壓不平衡的情況。

2 電網(wǎng)電壓不平衡情況分析

目前國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission）制定的電磁兼容IEC－1000系列的規(guī)范中，電力系統(tǒng)就有平衡和不平衡的劃分。電力系統(tǒng)的平衡與否是由瞬時(shí)功率決定的。電力系統(tǒng)平衡總功率瞬時(shí)值與時(shí)間的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，而電力系統(tǒng)不平衡總功率瞬時(shí)值會(huì)隨著時(shí)間的改變而產(chǎn)生變化，電力系統(tǒng)的平衡狀況關(guān)系到功率以及電磁轉(zhuǎn)矩和供電質(zhì)量［2］。大規(guī)模的集中介入風(fēng)電廠通常位于電網(wǎng)的末端，與骨干電網(wǎng)有一定的距離，且周邊用電設(shè)備的情況非常復(fù)雜。因?yàn)檩旊娋€路出現(xiàn)絕緣老化、不對(duì)稱故障、線路破損以及不對(duì)稱負(fù)載等狀況，風(fēng)電廠的接入點(diǎn)通常會(huì)出現(xiàn)三相電壓不平衡的情況。電網(wǎng)電壓中允許長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)最大不平衡度為4%的小值穩(wěn)態(tài)不平衡的狀況，電網(wǎng)電壓的不平衡通常被定義為負(fù)序電壓與正序電壓的比值。風(fēng)資源的不確定性以及風(fēng)電機(jī)組自身的運(yùn)行特性會(huì)直接對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)產(chǎn)生影響，從而直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，出現(xiàn)閃變、電壓偏差以及諧波等。其中電壓波動(dòng)以及閃變是影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要原因。目前風(fēng)電廠規(guī)模不斷的擴(kuò)大，風(fēng)電廠在系統(tǒng)中所占的比例在不斷的增加，風(fēng)電輸出的不穩(wěn)定對(duì)電網(wǎng)功率沖擊的效應(yīng)也在一直增加，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響就更加明顯。假如電力系統(tǒng)出現(xiàn)了危急情況，系統(tǒng)將會(huì)失去穩(wěn)定性，甚至使整個(gè)系統(tǒng)瓦解。

3 電壓不平衡與風(fēng)電廠運(yùn)行之間的關(guān)系

3.1 綜合仿真的方法

將風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的異步發(fā)電機(jī)并入到電網(wǎng)當(dāng)中后，它發(fā)出有功功率，吸收無(wú)功功率。與此同時(shí)，電網(wǎng)可以通過(guò)發(fā)電機(jī)的終端電壓，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組之間的關(guān)系，實(shí)質(zhì)上就是電壓與功率之間存在的關(guān)系，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組與電網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，使其變成可進(jìn)行綜合仿真的模型［3］。

仿真的步驟為:（1）將仿真周期中的初始時(shí)間設(shè)置為t，同時(shí)提供各母線電壓的各相初始值；（2）應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的終端電壓t時(shí)刻數(shù)值和t時(shí)刻的風(fēng)速，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算出來(lái)；（3）對(duì)電網(wǎng)中的三相潮流進(jìn)行計(jì)算，以此得出修正后的電壓值；（4）應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的終端電壓t時(shí)刻數(shù)值和t時(shí)刻的風(fēng)速，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算出來(lái)；（5）如若有功功率和無(wú)功功率的初始數(shù)值和修正之后的數(shù)值十分接近，則可以直接進(jìn)行第6步；（6）用公式t＝△t＋t，其中△t表示時(shí)間的步長(zhǎng)；（7）對(duì)t與仿真周期最終的截止時(shí)間之間的大小進(jìn)行判斷［4］。

3.2 算例仿真的方法

通常情況下需要論證方法的正確性，可以針對(duì)電網(wǎng)中電壓不平衡現(xiàn)象對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組造成的影響，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。以綜合仿真模型為例，該算例中電力系統(tǒng)所包括的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組以及電網(wǎng)容量是130MW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的容量是300kW。其風(fēng)速與時(shí)間之間的變化所形成的曲線如圖1所示。

將風(fēng)速當(dāng)做輸入的量，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)所輸出的最終功率形成的曲線，如圖2、圖3所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的功率曲線圖

圖2 電壓平衡時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三相無(wú)功、有功功率輸出曲線圖

圖3 電網(wǎng)不平衡時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三相無(wú)功、有功功率輸出曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了減少風(fēng)電機(jī)組在頻繁投切時(shí)對(duì)接觸器產(chǎn)生的危害，在有風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組都應(yīng)當(dāng)與電網(wǎng)相連。當(dāng)風(fēng)速產(chǎn)生改變時(shí)，可能使風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)電廠與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)的功率流向在某些情況下是雙向的，因此，風(fēng)電廠繼電保護(hù)裝置的配置應(yīng)該考慮到電壓不平衡情況，保證風(fēng)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］劉忠仁，劉覺(jué)民，鄒賢求，等.電池系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)引起的頻率波動(dòng)控制應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，（06）:62－66.

［2］鄭太一，嚴(yán)干貴，周志強(qiáng)，等.電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真與實(shí)證分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2009，（03）:90－96.

［3］陸振綱，江宇恒，梅志堅(jiān)，等.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器低電壓穿越及電壓不平衡運(yùn)行仿真研究［D］.北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院，2010.

［4］鄧 英，吳 波，孫曉倩，等.大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化探討——FD24—200kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研制總結(jié)［J］.農(nóng)村能源，2009，（02）:21－23.