风电场并网运行电能质量分析

风电场并网运行电能质量分析　李　晖　（南宁市土木建筑工程公司，南宁　５３０００１）　

研究与开发　

摘要　在合理电网规划和电源规划的同时，进行无功规划分析和电能质量分析是维持电网电　压稳定不可缺少的工作。根据　风电场接入电力系统技术规范　要求，使用电力系统分析软件ＢＰＡ　和电力系统仿真软件ＰＳＣＡＤ对风电场进行仿真分析。提出的无功优化补偿配置并分析了风电场接　入电力系统后的电能质量，对电网规划具有良好的指导意义。　关键词：电能质量；无功优化；ＢＰＡ；ＰＳＣＡＤ　

Ｗｉｎｄ　Ｆａｒｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　三ｆ　ｆ　（Ｎａｎｎｉｎｇ　Ｃｉｖｉｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｗｈｉｌｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｗｏｒｋ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ‘‘Ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ’’ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＢＰＡ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＰＳＣＡＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｌａｎｎｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＢＰＡ；ＰＳＣＡＤ　

随着人类对能源需求的逐渐增加，全球能源日　益枯竭。由于煤炭、石油、天然气等化石能源储量　有限，且通过此类能源生产电力会产生有害气体，　严重污染环境。因此，人们逐渐将目光转向利用可　再生能源进行电力生产。风能清洁无污染且可再生，　利用风能发电不会对环境产生影响。由于风能易获　得、价格低廉，因而风力发电具有极大的推广价值。　近年来，风电在我国被逐渐开发利用，风电在电力　系统中所占比例也大幅上升。由于风能具有随机性　和波动性等特点，导致风电场接入电力系统时，对　电网电压、稳定性、电能质量、电网调节控制等一　系列问题产生影响。　风力发电通常通过电力电子设备构成的功率变　换器实现功率变化及并网，由于电力电子转换器增　加非线性负载，可能会引起电网电流、电压波形发　生畸变，造成电网谐波污染；同时风力发电的随机　性及不确定性，将会对电网电压造成影响；对风电　场的无功补偿也有一定的要求。因此为了保证电网　的安全稳定运行，有必要对风电场的无功配置和电　能质量进行分析。　为研究风电场接入电网后的无功消纳情况及并　网后电能质量情况，本文以某风电场为例，计算了　风电场无功补偿容量配置，分析了风电机组的低电　压穿越能力，研究了并网点的电压偏差、电压闪变　及并网点谐波电压畸变率以及谐波电流，并校验了　叠加背景谐波后的情况。对保证电网的安全稳定运　行具有良好的指导意义。　

１风电场并网无功分析　风电场并网无功分析计算采用ＢＰＡ电力系统分　析软件进行计算，风电场接入电力系统需要满足以　下要求：　无功电源：当风电机组运行在不同的输出功率　时，风电机组的可控功率因数变化范围应在一０．９５～　０．９５之间。　调节特性：风电场在任何运行方式下，应保证　其无功功率有一定的调节容量，该容量为风电场额　定运行时功率因数一０．９８～０．９８所确定的无功功率　

２ｏ１４年第１２期嘲｜＿Ｉ麓柬ｌ　１　７　研究与开发　容量范围，风电场的无功功率能实现动态连续调节，　保证风电场具有在系统事故情况下能够调节并网点　电压恢复至正常水平的足够无功容量。　无功容量配置：通过风电汇集升压站接入公共　电网的风电场，其配置的容性无功补偿容量能够补　偿风电场满发时送出线路上的无功损耗；其配置的　感性无功补偿容量能够补偿风电场空载时送出线路　上的充电无功功率。　风电场单台风机容量１５００ｋＷ，共装设３３台，　每台风力发电机接一台１６００ｋＶＡ箱式变电站，将机　端６９０Ｖ电压升至３５ｋＶ并接入３５ｋＶ集电线路，集　电线路每１１台风力机为一组，通过集电线路汇流将　电能送到２２０ｋＶ升压站，经升压站升压后接入电网。　风电场升压站２２０ｋＶ侧采用线路变压器组接线方　式，经３回３５ｋＶ电缆线路送至风电场２２０ｋＶ升压　站。　选取风电场２０１４年和２０１５年丰大方式，对风　电场发电机功率因数在超前０．９５和滞后０．９５两种情　况下，风电场由空载到满发时，风电场并网点和ＰＣＣ　点满足原有电压水平范围情况下所需无功损耗进行　计算。　经计算该风电场升压站３５ｋＶ侧需要补偿的无　功需求见表１所示。　表１　某风电场升压站３５ｋＶ侧需要补偿的无功需求　２０１４焦　２０１５笠　感性需求／ＭＶＡ　４．６５　２．６５　容性需求／ＭｖＡ　５．２９　６＿２５　由表１可知，２０１４年在风电场升压站３５ｋＶ侧　需分别加装４．６５Ｍｖａｒ的感性无功和５．２９Ｍｖａｒ的容　性无功；２０１５年在风电场升压站３５ｋＶ侧需分别加　装２．６５Ｍｖａｒ的感性无功和６．２５Ｍｖａｒ的容性无功。　因此，为满足风电场送出需求，应在风电场升　压站３５ｋＶ侧配置出力范围为一５．０～７．０Ｍｖａｒ的无功　补偿装以适应风电场出力动态变化的特点。　

２　风电场并网运行电能质量评估　２．１风电场低压穿越能力　通过电力系统仿真软件ＰＳＣＡＤ分析并评估简　单电压瞬时跌落故障下风电场风电机组的低电压穿　越能力。　风电机组应具备的低电压穿越能力，该能力是　指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱　离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定　

１　８　ｌ霹　技柬２０１４年第１２期　

无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越　能力的风力发电机可躲过保护动作时间，故障切除　后恢复正常运行。　这可大大减少风电机组在故障时　反复并网次数，减少对电网的冲击。风机低电压穿　越能力如图１所示。　

莛　０　９　

图１　风电场接入规定低电压穿越能力　如图１所示，风电场内的风电机组具有并网点　电压跌至２０％额定电压时能够保证不脱网连续运行　６２５ｍｓ的能力；风电场并网点电压在发生跌落后２ｓ　内能够恢复到额定电压的９０％时，风电场内的风电　机组能够保证不脱网连续运行。　依据上述要求，基于电力系统仿真软件ＰＳＣＡＤ　对电压瞬时跌落故障下风电机组的低电压穿越能力　进行分析。　

图２系统电压　短路时，电流增大，容量不变，所以发生电压　跌落现象，电压跌落至额定电压的２０％左右。然后　Ｃｒｏｗｂａｒ电路接入控制电路，主磁场按转子电流衰　减的时间常数衰减，机组输出无功，导致线路中的　电压有所回升。　经ＰＳＣＡＤ仿真，在发生电压跌落故障，风电　机组不脱网运行时，２ｓ后电压能够恢复到原额定电　压的９０％以上。　２．２风电场并网引起的谐波分析　１）风电场仿真　利用ＰＳＣＡＤ进行风电场接入仿真，仿真波形　如图３所示。　研究与开发　２０１５丰大方式　

０　０１　０　２　０　３　０　４　ｏ　５　０　６　０　７　Ｏ８　０９　ｌ　风电厂出力百分比　

图５　２０１５年丰大方式风电场不同出力下并网点、　ＰＣＣ点的电压情况　２．４风电场并网时引起的闪变　选取桂林５００ｋＶ变电站为无穷大电源，电压闪　变限值为０．８，由于短路容量越小，风电场所产生的　电压闪变对系统造成的影响相对越大，因此，此处　选择枯小方式对电压闪变进行评估。根据接入方案，　折算至ＰＣＣ节点时，网络阻抗角为８４．８。，取该风　电机组的闪变系数为３．９８，１０ｍｉｎ最大功率变化一　般不超过其装机容量的３３％。　连续运行过程中计算短时间闪变值的公式为：　：ｃｉ（￣ｋ＇Ｖａ）　／Ｓｋ　（１）　式中，　为单台风机的额定视在功率；　为公共连　接节点的短路视在功率；　（　，Ｖａ）为单台风机的闪　变系数。　根据上式可计算得到枯小方式下，风电场满发　时，风电场３５ｋＶ母线的闪变值为０．００２６，根据式　（１）计算得出。闪变传递系数为０．８，风电场传递　至并网点的闪变值为０．００２１。　１）闪变的第一级评估　按照最严重的情况，取风电场　＝４９．５／３　＝１６．５ＭＷ，则（△　／　ｋ）ｎｍｘ＝１６．５／１０４１．８＝１．６％，不满　足第一级规定中（△　／　）　ａｘ＜０．１％的要求。因此，　需要进行第二级评估。　２）闪变的第二级评估　考虑到风电是一种间歇性电源，且风机分布具　有一定的分散性，实际运行中风机出力同时率一般　取０．５～０．７之间。本项目以比较严格的条件出发，　取同时率Ｆ＝０．７。　并网点全部负荷产生的总闪变限值为　

ｒ—　——————　—＿　Ｇ：ｉ　Ｐ—Ｔ　睇　（２）　

带入参数求得并网点全部负荷产生的总闪变限　值为０．６２９８。　风电场二级评估闪变限值的表达式为　

Ｅｉ＝Ｇ　

２０　Ｊ　ｑｌ＝ｌｔｌｌｌｔ　２０１４／ｇ￣１２期　（３）　

式中，取风电场装机容量为４９．５ＭＷ，为并网点的短　路容量，其值是通过潮流方式计算得来的，值为　１０４１．８ＭＷ，求出风电场二级评估闪变限值为０．２５２７。　通过以上分析得出，并网点的闪变值为０．００２１，　小于二级评估中０．２５限值，即：按照第二级评估，　并网点的闪变值不超标。因为并网点的闪变值满足　第二级评估条件，不需要进行第三级评估。　

３　结论　本文某风电场为例，针对风电场工程的　功补　偿容量及风电场接入系统所引起的电压偏差、闪变、　谐波进行了分析计算，得到了风电场实际运行中的　电能质量指标的变化特性及其电能质量特征，计算　结果为无功规划工作提供一定参考价值。　

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