苗寶平

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

0 引 言

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

1 風電廠運行的特征

風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，因此風力發(fā)電機組屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)。典型的并網(wǎng)型風力發(fā)電機組包括了風能的轉(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)電機等。風電廠的建設(shè)與運行主要是受到了資源分布以及風能隨機性的影響，具有以下特征:

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

（2）風電廠運行具有不穩(wěn)定性的特點。由于風速具有間歇性以及波動性，不能提前進行準確的預(yù)測，所以風力發(fā)電機組的輸出具有一定的隨機性。因此，風力發(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)功率單向流動的特征，同時也促使潮流流向以及分布產(chǎn)生變化。當風電注入的功率增加時，風電廠臨近的局部電網(wǎng)的電壓以及聯(lián)絡(luò)線的功率就會超過安全的范圍，導(dǎo)致電壓崩潰。

（3）風電廠運行具有原動力不可控的特點。風力發(fā)電是以自然風為原動力進行發(fā)電的，自然風是不可控制的，也是不能大量儲存的，因此，像常規(guī)能源發(fā)電一樣根據(jù)負荷要求而改變風電機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)進行調(diào)節(jié)，例如，通過改變風力機葉片的槳距角來調(diào)整吸收的風能等。影響風力發(fā)電的因素主要是隨著風速的不斷增大，風電機組產(chǎn)生的電壓波動以及閃變就會增加，且風電機組在切換發(fā)電機、啟動以及停止的過程中，也會出現(xiàn)電壓波動以及閃變，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

目前國際電工委員會（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功率決定的。電力系統(tǒng)平衡總功率瞬時值與時間的長短無關(guān)，而電力系統(tǒng)不平衡總功率瞬時值會隨著時間的改變而產(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。因為輸電線路出現(xiàn)絕緣老化、不對稱故障、線路破損以及不對稱負載等狀況，風電廠的接入點通常會出現(xiàn)三相電壓不平衡的情況。電網(wǎng)電壓中允許長時間出現(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序電壓與正序電壓的比值。風資源的不確定性以及風電機組自身的運行特性會直接對風電機組的輸出功率波動產(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。其中電壓波動以及閃變是影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要原因。目前風電廠規(guī)模不斷的擴大，風電廠在系統(tǒng)中所占的比例在不斷的增加，風電輸出的不穩(wěn)定對電網(wǎng)功率沖擊的效應(yīng)也在一直增加，同時對電力系統(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)將會失去穩(wěn)定性，甚至使整個系統(tǒng)瓦解。

3 電壓不平衡與風電廠運行之間的關(guān)系

3.1 綜合仿真的方法

將風力發(fā)電機中的異步發(fā)電機并入到電網(wǎng)當中后，它發(fā)出有功功率，吸收無功功率。與此同時，電網(wǎng)可以通過發(fā)電機的終端電壓，對風力發(fā)電機機組的運行產(chǎn)生影響。因此，電網(wǎng)和風力發(fā)電機機組之間的關(guān)系，實質(zhì)上就是電壓與功率之間存在的關(guān)系，將風力發(fā)電機機組與電網(wǎng)進行適當?shù)倪B接，使其變成可進行綜合仿真的模型［3］。

仿真的步驟為:（1）將仿真周期中的初始時間設(shè)置為t，同時提供各母線電壓的各相初始值；（2）應(yīng)用風力發(fā)電機機組的終端電壓t時刻數(shù)值和t時刻的風速，對風力發(fā)電機機組進行動態(tài)仿真，將風力發(fā)電機機組的有功功率和無功功率計算出來；（3）對電網(wǎng)中的三相潮流進行計算，以此得出修正后的電壓值；（4）應(yīng)用風力發(fā)電機機組的終端電壓t時刻數(shù)值和t時刻的風速，對風力發(fā)電機機組進行動態(tài)仿真，將風力發(fā)電機機組的有功功率和無功功率計算出來；（5）如若有功功率和無功功率的初始數(shù)值和修正之后的數(shù)值十分接近，則可以直接進行第6步；（6）用公式t＝△t＋t，其中△t表示時間的步長；（7）對t與仿真周期最終的截止時間之間的大小進行判斷［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，可以針對電網(wǎng)中電壓不平衡現(xiàn)象對風力發(fā)電機機組造成的影響，以及風力發(fā)電機機組會對電網(wǎng)產(chǎn)生動態(tài)影響進行初步評價。以綜合仿真模型為例，該算例中電力系統(tǒng)所包括的風力發(fā)電機機組以及電網(wǎng)容量是130MW，風力發(fā)電機機組的容量是300kW。其風速與時間之間的變化所形成的曲線如圖1所示。

將風速當做輸入的量，而風力發(fā)電機機組對電網(wǎng)所輸出的最終功率形成的曲線，如圖2、圖3所示。

圖1 風力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸出的功率曲線圖

圖2 電壓平衡時風力發(fā)電機組三相無功、有功功率輸出曲線圖

圖3 電網(wǎng)不平衡時，風力發(fā)電機組三相無功、有功功率輸出曲線圖

4 結(jié)束語

為了減少風電機組在頻繁投切時對接觸器產(chǎn)生的危害，在有風期間風電機組都應(yīng)當與電網(wǎng)相連。當風速產(chǎn)生改變時，可能使風電機組進行短時電動機運行，風電廠與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)的功率流向在某些情況下是雙向的，因此，風電廠繼電保護裝置的配置應(yīng)該考慮到電壓不平衡情況，保證風電廠的穩(wěn)定運行。

［1］劉忠仁，劉覺民，鄒賢求，等.電池系統(tǒng)對風電并網(wǎng)引起的頻率波動控制應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，（06）:62－66.

［2］鄭太一，嚴干貴，周志強，等.電網(wǎng)電壓跌落時風電機組運行仿真與實證分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2009，（03）:90－96.

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

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