鄔立新

（內蒙古烏蘭察布電業(yè)局，內蒙古 烏蘭察布 012000）

風力發(fā)電在我國已經成為很重要的可再生能源?，F(xiàn)階段我國絕大多數風電場都是接入電網運行，隨著風力上網電量的增加，風電的電能質量日益受到關注，風電場的電能必須要滿足電力系統(tǒng)的電能質量要求，而衡量電能質量的主要指標通常為電壓諧波、三相電壓不平衡度、頻率偏差等，因此有必要從電壓諧波、三相電壓不平衡度、頻率偏差等 3個方面來測試風電場的電能質量。

風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率是波動的，可能影響電網的電能質量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等。電壓波動和閃變是風力發(fā)電對電網電能質量的主要負面影響之一。另外，風電機組中的電力電子控制裝置如果設計不當，就會向電網注入諧波電流，引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變，并可能引發(fā)由諧振帶來的潛在問題[1]。

本文通過烏蘭察布電網的工程實例對風電場并網的各種電能質量問題進行了分析，并根據國家相關標準，對電能質量的分析方法進行了說明，提出相應的建議和措施。

1 系統(tǒng)概況

以烏蘭察布地區(qū)風電場為研究對象。烏蘭察布位于內蒙古自治區(qū)的中部，平均風速5.0～6.5m/s，年平均風能功率密度 150～200W/m2，年平均可利用小時數約 4000～7800h，年最長連續(xù)無有效風速小時數小于 100h，風能豐富區(qū)和較豐富區(qū)面積大，分布范圍廣，且具有穩(wěn)定度高，連續(xù)性好的風能品味，無破壞性臺風和颶風，具備大規(guī)模開發(fā)風電的自然條件。

目前，共有26座風電場接入烏蘭察布電網，總裝機容量達243.115MW，經烏蘭察布電業(yè)局所屬10座變電站并網送電。其中，經烏蘭察布電業(yè)局德勝220kV變并網的風電場共有5座風電場。其風力發(fā)電場并網接線圖如圖1所示。

圖1 德勝變風電場并網接線圖

其中，京能風場裝機100.5MW，華電風場裝機121.5MW，北方龍源風電場裝機 89.5MW，京能國際察右中風電場裝機 99.5MW，匯通能源展成風電場裝機48MW。

經烏蘭察布電業(yè)局高順220kV變并網的風電場共有兩座風電場，其風電場并網接線圖如圖2所示。

圖2 高順變風電場并網接線圖

其中，草垛山風電場裝機68.5MW， 大唐風電場裝機88MW。

2 測試結果

本次測試測量設備采用國電中科電氣有限公司生產的電能質量在線監(jiān)測裝置，測試對象為經德勝變德化線并網的華電風電場及經高順變高唐線并網的大唐風電場。

綜上所知，德華風電場220kV母線諧波電壓畸變率最大值為 1.017%，低于國家標準限值 2%；三相電壓不平衡度 0.733%，低于國家標準限值 2%；實測頻率為 49.97Hz，偏差 0.03Hz，低于國家標準限值0.2Hz;但是電壓波動為9.216%，高于國家標準限值7%，超標24.6%；長時閃變值為0.48～0.54均小于《電能質量電壓波動和閃變》（GB 12326-2008）標準要求0.8。母線諧波電壓畸變率及短時、長時閃變數據見表 1、表 2，母線三相電壓/電流實時波形及各次諧波最大值頻譜圖如圖3圖4所示。

表1 德華風電場220kV母線諧波電壓畸變率

表2 德華風電場220kV母線短時、長時閃變

圖3 德華風電場220kV母線三相電壓/電流實時波形

圖4 德華風電場220kV母線三相電壓/電流各次諧波最大值頻譜圖

綜上所知，高唐風電場110kV母線諧波電壓畸變率最大值為 1.063%，低于國家標準限值 2%；三相電壓不平衡度 0.731%，低于國家標準限值 2%；實測頻率為 49.95Hz，偏差 0.05Hz，低于國家標準限值0.2Hz;但是電壓波動為7.203%，高于國家標準限值7%，超標20.3%；長時閃變值為0.54～0.60均小于《電能質量電壓波動和閃變》（GB 12326-2008）標準要求0.8。母線諧波電壓畸變率及短時、長時閃變數據見表 3、表 4，母線三相電壓/電流實時波形及各次諧波最大值頻譜圖如圖5圖6所示。

表3 高唐風電場110kV母線諧波電壓畸變率

表4 高唐風電場110kV母線短時、長時閃變

圖6 高唐風電場110kV母線三相電壓/電流各次諧波最大值頻譜圖

3 存在的問題

通過以上實測數據，可以看出諧波含量、三相電壓不平衡度及頻率偏差、長時閃變均不超標，但是電壓波動明顯超標。探究其超標原因如下。

1）風電場距離負荷中心較遠，如華電風電場到德勝變的距離約16km，大唐風電場到高順變的距離約25km，大規(guī)模的風力發(fā)電無法就地消納，需要通過輸電網遠距離輸送到負荷中心。大量風電功率的遠距離輸送往往會造成線路壓降過大，并網風電場含有的大量的異步電機吸收的無功功率及電網線路的無功損耗增大，同時并聯(lián)的電容器組的無功功率反而減小。因此，并網風電場的無功不足，使得局部電網的電壓穩(wěn)定性受到影響、穩(wěn)定裕度降低。

2）風電機組所接入系統(tǒng)的網絡結構對其引起的電壓波動和閃變也具有較大影響。風電場公共連接點的短路比和電網線路的電源阻抗電感和電阻比（X/R）是影響風電機組引起電壓波動和閃變的重要因素。合適的X/R值可以使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起的電壓波動補償掉，從而使總的平均閃變值有所降低。

3）風力發(fā)電機組大多采用軟并網方式，但在起動時仍會產生較大的沖擊電流。再加上風電機組的一些固有特性，如風剪切、塔影效應、葉片重力偏差以及偏航誤差和風速的波動等，也會造成風電場的電壓波動，進而引發(fā)可察覺的電壓閃變。

4 提高電能質量的措施

針對存在的問題及原因探究，故建議采取如下措施來提高電能質量，抑制過大的電壓波動。

1）提高風力的可預測性。并網后的電壓波動問題是風力的間歇性引起輸出功率的波動而造成的。因此，通過預測風力，可以改善電壓質量問題。具體手段：①根據風電場的可靠歷史數據，綜合評估風電場的電量輸出，提高風電的保證系數；②利用附近氣象站的預報數據，預測風電場出力的變化，提高風力發(fā)電的可預見性。

2）并網風電機組引起的電壓波動與線路X/R比是非線性關系，當對應的線路阻抗角設定在 60°～70°時，電壓波動和閃變最小。

3）采用無功補償裝置。減小電壓波動量能有效抑制電壓閃變，主要方法：①裝設靜止無功補償器（SVC）。風電并網對電網造成的電壓波動及閃變，具有沖擊性負荷的特點。而SVC可以迅速地按負荷的變化而改變無功功率輸出的大小和方向，調節(jié)或穩(wěn)定系統(tǒng)的運行電壓；②通過改變系統(tǒng)的供電方式、提高供電電源的電壓等級、串聯(lián)電抗器等措施來提高系統(tǒng)的電抗[3]。

5 結論

為了使電網有效地接納風電，理解風電與電網之間的相互影響非常重要。本文針對烏蘭察布風電并網存在的電壓質量問題，提出了采用提高風力預測、改進系統(tǒng)阻抗及設定、裝設SVC等措施來改善電壓質量問題。但仍需進一步研究和完善合理有效地電能質量控制措施，對進一步改善風電場的電能質量提供依據，以使風電場和電網穩(wěn)定運行，從而最大限度利用風力資源。

[1]王承煦.風力發(fā)電[M].北京:中國電力出版社,2003.

[2]韓鵬.淺談電能質量[J].科學觀察,2008(1):51-53.

[3]孫淑琴.電壓波動與閃變[M].北京:中國電力出版社,1998.