考慮風(fēng)資源影響的風(fēng)電場電壓波動和閃變評估

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)性與波動性會使風(fēng)電機(jī)組輸出的功率波動，可能引起有些節(jié)點的電壓波動，電壓波動和閃變是風(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)電場的實際情況，指出功率波動有時候也應(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)對一個我國新建的風(fēng)電場進(jìn)行電壓波動與閃變評估?；赑SCAD/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)。計算結(jié)果表明，所提方法不僅能有效地進(jìn)行電壓波動與閃變評估，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方法的電壓波動與閃變

1.1 電壓波動計算方法

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

1.2 閃變計算方法

1.2.1 連續(xù)運行

在連續(xù)運行狀態(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)連接點處的電網(wǎng)阻抗角Ψk時，機(jī)組閃變系數(shù)，Sn為機(jī)組額定視在功率，Sk為電網(wǎng)連接點的短路視在功率。對于實際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)連接點處并有多臺風(fēng)電機(jī)組，則其閃變系數(shù)按式（3）計算：

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)連接點機(jī)組的數(shù)量。

1.2.2 切換運行

單臺機(jī)組切換運行產(chǎn)生的閃變可按式（4）和式（5）計算：

式中，kf（Ψk）為機(jī)組在電網(wǎng)連接點處對應(yīng)Ψk的閃變階躍系數(shù)，對于實際的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)的電壓波動情況進(jìn)行了仿真計算，采用Matlab閃變計算程序，獲得對應(yīng)于所測得電壓波動的短時間閃變水平值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，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)速引起的電壓波動和閃變情況，可以對這些機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，而不使用精確的詳細(xì)模型。圖1所示為2 MW風(fēng)機(jī)的實測風(fēng)速-功率曲線。

根據(jù)曲線生成的函數(shù)，可用一個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)點處電壓波動情況。

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)瞬時閃變視感度S（t）=1的各頻率電壓波動下對閃變儀輸出的S（t）進(jìn)行校正，減少低頻段電壓波動的測量誤差。

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)由兩個臨近的風(fēng)電機(jī)組群組成，每個機(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。此次評估點是系統(tǒng)公共聯(lián)結(jié)點PCC處的電壓波動與閃變的情況。

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)引起的電壓波動進(jìn)行計算，判斷是否超出國家標(biāo)準(zhǔn)中電壓波動的限值。由于電壓波動與機(jī)組的出力大小有關(guān)，所以對90%、50%和30%機(jī)組出力時的情況進(jìn)行仿真。

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

表1 電壓波動限值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?？紤]陣風(fēng)周期選波動頻度為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電壓波動的影響。電壓波動的仿真值見圖4。

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

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

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閃變限值選為0.77。用閃變計算程序計算電壓波動評估時得到的不同出力時由不同幅值陣風(fēng)引起的電壓波動，得到的短時間閃變值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)，對電壓波動和閃變的評估是基于對此風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運行和切換運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行的電壓階躍系數(shù)不同，在計算時分別選擇風(fēng)機(jī)在切入風(fēng)速時啟動（ku最大值為0.07），額定風(fēng)速時啟動（ku最大值為0.91），S-L啟動時（ku最大值為0.55）的計算結(jié)果如下：切入風(fēng)速啟動的電壓波動d1=0.006%，額定風(fēng)速啟動的電壓波動d2=0.0083%，S-L啟動時的電壓波動d3=0.05%。考慮多臺機(jī)組的累積影響，最大電壓波動率0.05%即為整個風(fēng)電場在PCC處引起的電壓波動?？芍妷翰▌硬怀瑯?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，能得到與IEC標(biāo)準(zhǔn)評估相同的結(jié)論，驗證了所提方法的可行性。另外可以看出，用所提的方法計算得到的電壓波動和閃變值要比由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)的計算方法是基于從實驗測得的風(fēng)機(jī)自身的電壓波動和閃變系數(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)速變化的電壓波動和閃變的評估方法。通過一個新建的風(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)引起的電壓波動和閃變進(jìn)行了評估，所得結(jié)果與IEC標(biāo)準(zhǔn)方法計算的結(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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