投產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)分析及控制措施研究

楊耀武

（中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司 重慶分公司新能源事業(yè)部，重慶 408500）

0 引 言

近年來(lái)，新能源發(fā)電高速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)成為電力能源中不可或缺的部分。風(fēng)電的快速發(fā)展雖然為能源安全和環(huán)境安全做出了巨大貢獻(xiàn)，但也給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。風(fēng)能資源具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性。目前，風(fēng)電場(chǎng)功率中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高，但難以控制風(fēng)速突變情況下的預(yù)測(cè)偏差，超短時(shí)預(yù)測(cè)存在較大誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)對(duì)波動(dòng)和實(shí)施負(fù)荷調(diào)整處于被動(dòng)局面，嚴(yán)重影響了電力可靠性[1]。系統(tǒng)通過(guò)參數(shù)優(yōu)化、功率跟蹤、并網(wǎng)控制、無(wú)功補(bǔ)充以及儲(chǔ)能技術(shù)等手段，提高了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可控性，但如何有效吸收大規(guī)模的間歇性能量仍然是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)[2]。風(fēng)能的波動(dòng)與間歇性特征給風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)帶來(lái)的不確定性會(huì)隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變而變化，尤其是風(fēng)場(chǎng)設(shè)備老舊且電網(wǎng)容量變小時(shí)，風(fēng)場(chǎng)電能質(zhì)量差將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)拖網(wǎng)。如何在不更換風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的前提下保證風(fēng)場(chǎng)安全可靠運(yùn)行是本文研究的重點(diǎn)[1]。

1 電量質(zhì)量指標(biāo)

電壓波動(dòng)指電壓有效值的快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動(dòng)大小可由相對(duì)電壓變動(dòng)特性d來(lái)描述：

式（1）中，ΔU為線路首末端電壓差，UN為線路額定電壓。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電時(shí)，出線上的壓降為：

式（2）中，P為線路有功功率損耗，Q為線路無(wú)功功率損耗，R為線路電阻，X為線路電抗，U1為線路首端電壓。由式（2）可以看出，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)過(guò)程中無(wú)功功率波動(dòng)時(shí)，出線電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)。

閃變現(xiàn)象在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組功率波動(dòng)較大時(shí)產(chǎn)生，功率計(jì)算公式為：

式（3）中：P為有功功率；ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；v為風(fēng)速；Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。

根據(jù)式（3）可知，風(fēng)機(jī)機(jī)組有功功率與風(fēng)速和空氣密度有關(guān)，其中風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)有功功率影響最大。此外，塔影效應(yīng)、尾流效應(yīng)以及偏航誤差等因素也會(huì)引起風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)。根據(jù)式（2）和式（3）可知，風(fēng)電場(chǎng)功率變化會(huì)引起電壓波動(dòng)，并導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。

2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后對(duì)電能質(zhì)量的影響

大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對(duì)系統(tǒng)的影響非常復(fù)雜。大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的需求是造成電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性下降的主要原因。當(dāng)前技術(shù)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采取的是直驅(qū)風(fēng)機(jī)或雙饋風(fēng)機(jī)，其中雙饋風(fēng)機(jī)為異步發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程在發(fā)出有功功率的同時(shí)需從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率。如果在并網(wǎng)過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)功率發(fā)生突變，將可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓暫降，從而引發(fā)電能質(zhì)量畸變和電壓崩潰。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)窮大或電網(wǎng)無(wú)功功率充足時(shí)，小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊有限。但是，系統(tǒng)較為薄弱或大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生功率突變時(shí)，小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行將對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大。正常運(yùn)行下，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提高了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，如電網(wǎng)強(qiáng)度、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)規(guī)模、風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)電壓穿透能力以及系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)纫蛩刈兓瘯r(shí)，都會(huì)引發(fā)系統(tǒng)電壓暫降。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響最大。對(duì)于雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組而言，風(fēng)能間歇性波動(dòng)的不確定性和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生波動(dòng)，從而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、波動(dòng)、閃變以及諧波等[3]。

如果風(fēng)電容量占電網(wǎng)總裝機(jī)容量的比例很小，那么風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響較小。當(dāng)前部分區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入的系統(tǒng)強(qiáng)度不足，尤其是西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)通過(guò)直流背靠背異步聯(lián)網(wǎng)后，西南電網(wǎng)系統(tǒng)抵御擾動(dòng)的能力變?nèi)酰沟蔑L(fēng)電場(chǎng)需要具備比以往更高的電能質(zhì)量才能保證穩(wěn)定并網(wǎng)[4]。

3 某風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量的檢測(cè)分析研究

西南區(qū)域某50 MW級(jí)山地風(fēng)電場(chǎng)的接入系統(tǒng)為110 kV，屬于早期投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)，且其風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越功能。在風(fēng)能間歇性波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)電壓常發(fā)生超過(guò)10%的暫降，造成風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的大面積脫網(wǎng)。為查明風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中引發(fā)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的原因，指導(dǎo)后續(xù)防范措施，本文開(kāi)展了風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試。

3.1 電量質(zhì)量檢測(cè)情況

該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量為0.85 MW，風(fēng)機(jī)出口電壓為690 V，經(jīng)整流逆變?yōu)?20 V后由風(fēng)機(jī)升壓變接入35 kV集電線。風(fēng)電場(chǎng)升壓站為110 kV單母線結(jié)構(gòu)，母線基準(zhǔn)短路容量為750 MVA、最小短路容量為448 MVA。為查明電壓波動(dòng)原因，了解該風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量情況，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，測(cè)量110 kV母線三相電壓諧波含有率，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。測(cè)量用的電壓信號(hào)取自母線或機(jī)端PT二次側(cè)，測(cè)量結(jié)果取95%概率值。

檢測(cè)表明，該風(fēng)場(chǎng)三相電壓不平衡度、電壓偏差、閃變以及頻率偏差分析結(jié)果均滿足國(guó)標(biāo)要求，如表1～表4所示。110 kV母線諧波電流最小短路容量為488 MVA。但諧波電壓測(cè)量結(jié)果表明，110 kV母線相鄰奇次諧波大于偶次諧波，其中5次電壓諧波存在超標(biāo)現(xiàn)象，最大值為1.851 1%。95%概率大值為1.735 9%，超出規(guī)定限值1.6%，主要以B、C相諧波電壓較為突出。其余各次諧波電壓和電壓總諧波畸變率均滿足國(guó)標(biāo)要求。

表1 三相電壓不平衡度

表2 電壓偏差

表3 閃 變

表4 頻率偏差

3.2 測(cè)試結(jié)論

圖1 110 kV母線三相電壓諧波含有率

通過(guò)測(cè)試，該風(fēng)電場(chǎng)110 kV母線諧波電壓和諧波電流主要集中在5次諧波上，相鄰的奇次諧波大于偶次諧波，各測(cè)點(diǎn)三相電壓不平衡度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。考慮到電壓閃變是電壓波動(dòng)的一種特殊反映，其嚴(yán)重程度與負(fù)荷變化引起的電壓變化有關(guān)，與電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷和短路容量的變化有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)短路容量一定時(shí)，電壓閃變主要是由無(wú)功負(fù)荷的劇烈變化引起的。該風(fēng)電場(chǎng)屬典型的山地風(fēng)電場(chǎng)，在風(fēng)能激烈變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)有功負(fù)荷及無(wú)功負(fù)荷均有大幅度的變化，加之接入系統(tǒng)為相對(duì)較小的電網(wǎng)末端電源點(diǎn)，相對(duì)薄弱，在系統(tǒng)同時(shí)有較大耗能設(shè)備投入或無(wú)功設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，疊加造成電網(wǎng)系統(tǒng)電壓閃變超過(guò)規(guī)定值，容易引發(fā)電壓暫降。因此，判斷該風(fēng)電場(chǎng)雖電能質(zhì)量合格，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)對(duì)風(fēng)能間歇性波動(dòng)能力不足，是引發(fā)系統(tǒng)電壓暫降的原因之一。

4 提高電能質(zhì)量措施

通過(guò)分析該風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試，認(rèn)為提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量，抑制電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)場(chǎng)應(yīng)解決的主要問(wèn)題。目前，行業(yè)上常用的方法是考慮安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC或SVG。新建風(fēng)電場(chǎng)中SVC或SVG裝置的投入，可以快速且平穩(wěn)地調(diào)節(jié)無(wú)功功率補(bǔ)償，提供動(dòng)態(tài)電壓支持，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能，達(dá)到改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量的作用。

對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的早期風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)電機(jī)組控制措施相對(duì)落后，加之風(fēng)場(chǎng)所處山地風(fēng)能間歇性波動(dòng)大，因此要提高風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性就需要采用更加有效的措施，為此提出安裝動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的解決方案。電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組之間安裝動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器后，在電網(wǎng)電壓正常情況下，系統(tǒng)處于旁路狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓下降時(shí)迅速分開(kāi)切換開(kāi)關(guān)，鏈?zhǔn)綋Q流器投入運(yùn)行，控制穩(wěn)定風(fēng)機(jī)側(cè)的電壓，確保風(fēng)電機(jī)組側(cè)電壓維持正常水平，避免發(fā)生電壓暫降。為了集中解決風(fēng)電場(chǎng)的電壓暫降問(wèn)題，采用中壓35 kV集中治理方案，功率部分采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 DVR運(yùn)行原理

該裝置在電網(wǎng)電壓正常情況下，可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔茫a(bǔ)償35 kV側(cè)功率因數(shù)，穩(wěn)定35 kV母線電壓，減少對(duì)電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。在電壓暫降時(shí)，能夠在1～2 ms內(nèi)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，抵消系統(tǒng)電壓所受的干擾，使風(fēng)機(jī)側(cè)電壓感受不到擾動(dòng)，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，以確保電源側(cè)不發(fā)生大面積的電源消失加劇電能質(zhì)量的畸變。抑制電壓閃變，借助DVR的無(wú)功補(bǔ)償功能控制電網(wǎng)系統(tǒng)中形成的異常電流，防止因受閃變現(xiàn)象的干擾而降低電能質(zhì)量。同時(shí)，還可依靠DVR裝置消除變流器的過(guò)載負(fù)荷，起到補(bǔ)償無(wú)功功率作用。增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性，保證風(fēng)電場(chǎng)電壓處于穩(wěn)定變化狀態(tài)下，調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)中生成的無(wú)功功率，由此避免電壓驟然變化造成電能質(zhì)量無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)諧波治理，利用設(shè)置諧波變化范圍的方式確保諧波不會(huì)對(duì)電能質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響，保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目中的電能質(zhì)量與風(fēng)能保持協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文總結(jié)和分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響因素，通過(guò)分析某已并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，闡述了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響和受系統(tǒng)波動(dòng)的影響。基于已投產(chǎn)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了提高電能質(zhì)量的措施。本文研究結(jié)果對(duì)改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)性作用。