陳慧杰，常 瀟，李勝文

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

典型風電場電能質(zhì)量測試評價方法

陳慧杰1，常 瀟2，李勝文2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

選取典型雙饋型風電場，闡述了各項電能質(zhì)量指標的全面檢測方法，在分析傳統(tǒng)電能質(zhì)量測試項目及方法的基礎上，提出了一種基于不同功率區(qū)間的并網(wǎng)運行電能質(zhì)量測試方法。結合望狐風電場實際測試結果，對提出的風電場電能質(zhì)量檢測方法進行了詳細說明，證明了該方法能夠全面、準確地評估風電場的電能質(zhì)量水平。

電能質(zhì)量；分功率區(qū)間；測試；風電場

0 引言

近年來，風電在中國發(fā)展迅猛，2014年風電累計總裝機容量超過114.609 MW，位居世界風電裝機容量第一。預計到2020年，中國風電裝機容量將達到200 GW[1]。隨著風電的大規(guī)模接入，電網(wǎng)的調(diào)峰能力、電壓控制以及電能質(zhì)量等都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，電能質(zhì)量問題導致風電場無法正常運行的事件屢有發(fā)生[2]。目前，在風電行業(yè)發(fā)展中仍然存在著整體質(zhì)量偏低、運行管理缺乏經(jīng)驗與規(guī)范、大規(guī)模脫網(wǎng)事件頻發(fā)等問題[3]。國內(nèi)外在風電預測、接入、消納能力，以及風電場接入對系統(tǒng)無功和經(jīng)濟性的影響等方面取得了較多研究成果[4－6]，然而在風電場對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響方面，尤其是針對風電場的電能質(zhì)量測試方法，仍需結合現(xiàn)場試驗，進而開展更深層次的討論和研究[7－9]。

1 電能質(zhì)量檢測

從20世紀90年代起，我國就陸續(xù)推出了一系列電能質(zhì)量國家標準，分別從電網(wǎng)頻率、電壓偏差、三相不平衡度、諧波、閃變等方面的具體指標作了詳細的界定。

1.1 電網(wǎng)頻率

依據(jù)相關國家標準[10]，電網(wǎng)頻率的測量以1 s、3 s或10 s間隔內(nèi)檢測到的整數(shù)周期個數(shù)與所測整數(shù)周期累計時間之比作為電網(wǎng)基波頻率，其中與1 s、3 s或10 s時鐘重疊的單個周期應舍棄。測量時間間隔不能重疊，每1 s、3 s或10 s間隔應在1 s、3 s或10 s時鐘開始時計時。

1.2 諧波

諧波指周期性變化的交流量中含有頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量，該分量通常通過傅里葉級數(shù)分解得到。衡量諧波的主要指標為總諧波畸變率THD（total harmonic distortion），以電壓為例，其THD可表達為[11]

式中：U1——基波電壓（方均根值）；

UH——電壓諧波含量，，

Uh——第h次諧波電壓（方均根值）。

1.3 三相不平衡度

電壓的不平衡指的是三相電壓的幅值不同，或相位差不是120°，亦或兼而有之。三相不平衡度是表征電力系統(tǒng)中三相不平衡程度的指標，通過電壓、電流的負序或零序基波分量與正序基波分量的方均根值的百分比來表示[12]。任意一組不對稱的三相相量（電壓或電流）A、B、C可分解為3組對稱分量A0、A1和A2的組合，其中

其中a為相角旋轉(zhuǎn)120°的算子，a=ej120°。

相對應的不平衡度表達式為

不平衡度測量要求記錄周期為3 s，3 s內(nèi)均勻間隔取值，取值次數(shù)大于等于6次，每次測量取10個周波為間隔計算三相不平衡度[12]

式中：εk——3 s內(nèi)第k次測得的不平衡度；

m——3 s內(nèi)均勻間隔取值次數(shù)。

1.4 閃變

閃變是指人對白熾燈照明度波動的主觀視感，由于一般用電設備對電壓波動的敏感度遠低于白熾燈，因此，將電壓的波動情況轉(zhuǎn)化為閃變值，將其作為衡量電壓波動危害程度的評價指標。閃變的測量以連續(xù)的電壓信號作為輸入量，經(jīng)過一系列數(shù)學變換，包括平方解調(diào)、0.05～35 Hz帶通濾波、8.8 Hz中心頻率加權濾波、平方，時間常數(shù)為300 ms的低通濾波，最終得出瞬時閃變視感度函數(shù)S(t)。該信號可以認為是將不同頻率的信號折算到8.8 Hz后的值，可以直接反映電壓波動引起燈光閃爍對人視覺的影響。通過累計概率函數(shù)CPF（cumulative probability function） 的方法對S(t)進行分析，繪制出該段S(t)的CPF曲線，其短時間閃變值可由以下公式計算[13]

其中K0.1=0.031 4；K1=0.052 5；K3=0.065 7；K10=0.28； K50=0.080；P0.1、P1、P3、P10、P50為CPF曲線上等于0.1%、1%、3%、10%和50%時間的S(t)值。

長時間閃變值Plt的計算通過將測量時間段內(nèi)的短時間閃變值Pst計算，公式如下

式中：Pstj——2 h內(nèi)第j各短時閃變值。

1.5 電壓偏差

電壓偏差是指以系統(tǒng)標稱電壓為基準，實際運行電壓與基準值的偏差相對值，通過百分數(shù)形式表示。電壓偏差的測量要求，電壓有效值的測量時間窗口應為10個周波；同時，每個測量時間窗口應接近相鄰的測量時間窗口且不重疊，通過連續(xù)測量并計算電壓有效值的平均值，最終得出電壓偏差值，計算公式如下[14]

式中：DU——電壓偏差；

VM——電壓測量值；

VS——系統(tǒng)標稱電壓。

2 風電場電能質(zhì)量測試

風力發(fā)電是國家政策鼓勵和技術較為成熟的可再生清潔能源，發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)對優(yōu)化能源結構具有十分重要的意義。為促進加強風電場并網(wǎng)管理，提高大規(guī)模風電接入下電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平，根據(jù)《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》（GB/T 19963—2011）、《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》 （Q/GDW 392—2009）、《風電場功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測試規(guī)程》 （Q/GDW 630—2011），對通過110（66 kV）及以上電壓等級線路與電網(wǎng)連接的新建或擴建風電場進行電能質(zhì)量測試。

2.1 測試方法及測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

測點選擇：一般為風電場并網(wǎng)點。

測試信號：三相相電壓、三相電流。

測試過程為以下幾方面。

a)風電場背景電能質(zhì)量測試。背景電能質(zhì)量測試期間，風電場各集電線路、動態(tài)無功補償裝置均停止運行，測試時間至少24 h。

b)風電場運行電能質(zhì)量測試。并網(wǎng)運行電能質(zhì)量測試期間，風電場各集電線路、動態(tài)無功補償裝置均正常運行，測試時間至少24 h。

c)不同功率區(qū)間并網(wǎng)運行電能質(zhì)量測試。風電場功率區(qū)間由風電場額定容量的80%降到0%（亦可由0%上升至80%），以10%～20%的步長，每個區(qū)間持續(xù)時間1 h，針對每一區(qū)間，分別分析對應的風電場運行電能質(zhì)量（長時閃變除外）。

數(shù)據(jù)記錄：測量數(shù)據(jù)依照電能質(zhì)量國家標準的要求，其中，諧波數(shù)據(jù)，以測量時段內(nèi)三相實測量值的95%概率值中的最大值相作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。95%概率值的選取，通過將實測值由大到小次序排列，舍棄排在前5%的大值，取剩余數(shù)值中的最大值作為該測試點測量值。

2.2 限值要求

對于風電場電能質(zhì)量指標的要求限值，參考了國家電能質(zhì)量標準對于電網(wǎng)公共連接點的要求限值；另外，對于風電場供電區(qū)域內(nèi)存在對電能質(zhì)量有特殊要求的重要用戶，風電場電能質(zhì)量則按實際情況相應提高。

2.2.1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

2.2.2 電壓不平衡度限值

電網(wǎng)正常運行時，負序電壓不平衡度應小于2%，短時不得大于4%。

對于接于公共連接點的每個用戶，其對該公共點的負序電壓不平衡度影響允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。

2.2.3 電壓偏差限值

對于35 kV及以上供電電壓等級，正、負偏差的絕對值之和應小于額定電壓的10%。

風電場并網(wǎng)點電壓參照35 kV及以上供電電壓偏差限值執(zhí)行，正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%；同時，正常運行方式下，其電壓下、上偏差應在標稱電壓的-3%~+7%范圍內(nèi)。

另外，電壓偏差限值也可由調(diào)度部門和風電場開發(fā)運營企業(yè)，根據(jù)電網(wǎng)特點、風電場位置及規(guī)模等因素共同確定。

2.2.4 頻率偏差限值

我國電力系統(tǒng)一般要求正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz；當系統(tǒng)容量較小時，頻率偏差允許值可以放寬到±0.5 Hz；孤立電網(wǎng)運行時，可根據(jù)系統(tǒng)條件在保證發(fā)電機組和網(wǎng)內(nèi)電力用戶安全穩(wěn)定運行及正常供電前提下，可適當放寬頻率偏差限值。

2.2.5 電壓閃變限值

長時間閃變值Plt的限值根據(jù)電壓等級劃分，對于電壓等級小于110 kV的系統(tǒng)，其Plt應不大于0.8；對于電壓等級大于或等于110 kV的系統(tǒng)，其Plt應不大于1。

3 案例分析

以望狐風電場為例，目前建設有24臺單機容量為2MW的雙饋型風力發(fā)電機組和1臺單機容量為1.5MW的雙饋型風力發(fā)電機組，總?cè)萘繛?9.5 MW。主變壓器容量為100 MVA，25臺風力發(fā)電機組通過2回集電線路接入升壓站35 kV母線，經(jīng)1號主變壓器升壓后，以一回220 kV線路，接入廣靈甸頂山風電場220 kV升壓站的220 kV母線。

3.1 測點位置

根據(jù)測試要求，在電能質(zhì)量測試環(huán)節(jié)中，測點選取為220 kV出線并網(wǎng)點。

3.2 風電場背景電能質(zhì)量測試

望狐風電場背景電能質(zhì)量測試期間，風電場各集電線路、動態(tài)無功補償裝置均停止運行，在此期間對風電場背景電能質(zhì)量狀況進行測試。

背景電能質(zhì)量測試結果有以下幾個方面。

三相電壓不平衡度 (95%概率大值)：測量值0.14%，國標限值2.0%；

電壓總諧波畸變率 (95%概率大值)：測量值0.89%，國標限值2.0%；

頻率變化：最大值50.04 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，國標限值49.8～50.2 Hz；

長時閃變測量值：0.08，國標限值0.8；

電壓上偏差最大值5.73%，下偏差0%，國標限值－3%～＋7%；

由實測數(shù)據(jù)可知，望狐風電場退出電網(wǎng)期間，并網(wǎng)點處各項背景電能質(zhì)量指標均滿足要求。

3.3 風電場運行電能質(zhì)量測試

并網(wǎng)運行電能質(zhì)量測試期間，風電場各集電線路、動態(tài)無功補償裝置均正常運行，期間風電場輸出有功功率為10.28～39.75 MW。

三相電壓不平衡度 (95%概率大值)：測量值0.19%，國標限值2.0%；

電壓總諧波畸變率 (95%概率大值)：測量值0.8%，國標限值2.0%；

頻率變化：最大值50.05 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，國標限值49.8～50.2 Hz；

長時閃變測量值：0.17，國標限值0.8；

電壓上偏差4.35%，下偏差0%，國標限值－3%～＋7%；

由實測數(shù)據(jù)可知，望狐風電場正常并網(wǎng)運行期間，并網(wǎng)點各項電能質(zhì)量指標均滿足要求。

3.4 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量測試結果

風電場功率區(qū)間由風電場額定容量的0%增加至80%，每個區(qū)間持續(xù)時間1 h，有功功率變化趨勢圖見圖1。針對每一區(qū)間，分析對應的風電場運行電能質(zhì)量。

風電場不同功率區(qū)間的電能質(zhì)量主要指標測試結果見表2。

圖1 有功功率變化趨勢圖

表2 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量主要指標測試結果

表2中各指標最大值取三相中最大值，最小值取三相中最小值，95%概率大值取三相中最大值，電壓偏差平均值取三相中最大值。根據(jù)實測結果繪制出各功率區(qū)間下不同電能質(zhì)量指標的變化趨勢圖。

由實測數(shù)據(jù)可知，望狐風電場正常并網(wǎng)運行期間，并網(wǎng)點處各項電能質(zhì)量指標均滿足要求。如圖2至圖6可知，風電場各項指標除短時閃變隨有功輸出功率的減小而減小外，其余各指標均一定范圍內(nèi)波動。

圖2 不同功率區(qū)間電壓總諧波畸變率變化趨勢圖

圖3 不同功率區(qū)間短時閃變變化趨勢圖

圖4 不同功率區(qū)間頻率變化趨勢圖

圖5 不同功率區(qū)間電壓負序不平衡度變化趨勢圖

圖6 不同功率區(qū)間電壓偏差變化趨勢圖

4 結論

a)風電場在不同功率區(qū)間運行狀態(tài)下，其諧波等電能質(zhì)量指標有差別。

b)風電場與傳統(tǒng)電能質(zhì)量測試不同，應采用不同功率區(qū)間的連續(xù)電能質(zhì)量進行測試和分析等方法進行測試分析，以求更全面、準確地評估風電場電能質(zhì)量水平。

c)通過對實際風電場開展背景、隨機運行和分功率區(qū)間運行電能質(zhì)量實測的結果表明，本文中的方法適用于一般性風電場并網(wǎng)電能質(zhì)量測試評價。

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Power Quality Testing and Evaluating Method for TypicalWind Farm

CHEN Huijie1，CHANG Xiao2，LIShengwen2

（1.State Grid Xinzhou Power Supply Company of SEPC,Xinzhou,Shanxi 034000,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001，China）

Based on a typical double-fed wind farm,comprehensive testingmethod for each index of wind farm power quality is elaborated.Besidesconventionalmeasuring itemsandmethods forpowerquality,thenew testingmethod couldmeasure the powerquality of thewind farm underdifferentpower conditions.According to theactual testing resultinWanghuwind farm,the powerquality testingmethod isillustrated in detail.Consequently,themethod isverified tobeaccurateand comprehensive forpowerquality testing inwind farm.

powerquality;differentpowerareas;powerquality test;wind farm

TM614

A

1671-0320（2016）06-0026-05

2016-07-22，

2016-10-18

陳慧杰（1973），男，山西靜樂人，2010年畢業(yè)于忻州師范學院計算機專業(yè)，學士，工程師，從事電網(wǎng)生產(chǎn)運行工作；

常 瀟（1987），男，山西榆社人，2013年畢業(yè)于英國斯特拉思克萊德大學電子與電力工程專業(yè)，博士，工程師，從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗工作；

李勝文（1986），男，山西朔州人，2013年畢業(yè)于天津大學電氣工程專業(yè)，碩士，工程師，從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗工作。