風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變

1、風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變孫濤1，王偉勝1，戴慧珠1，楊以涵2（1中國電力科學研究院，北京 100085；2華北電力大學電力工程系，北京 102206）    摘  要：并網風電機組在持續(xù)運行和切換操作過程中都會產生電壓波動和閃變，對當?shù)仉娋W的電能質量有不良影響。從并網風電機組輸出的功率波動出發(fā)，分析了風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的主要原因。介紹了關于并網風電機組電能質量的國際電工標準IEC 61400-21，給出了風電機組在持續(xù)運行與切換操作期間引起的閃變值和相對電壓變動的計算公式。然后綜述了有關風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的計算方法和影響因素等方面的

2、研究成果，最后展望了未來的研究方向和研究重點。    關鍵詞：風力發(fā)電；電能質量；電壓波動；閃變1 引言    隨著越來越多的風電機組并網運行，風力發(fā)電對電網電能質量的影響引起了廣泛關注。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。電壓波動的危害表現(xiàn)在照明燈光閃爍、電視機畫面質量下降、電動機轉速不均勻和影響電子儀器、計算機、自動控制設備的正常工況等1，2。  &#

3、160; 電壓波動為一系列電壓變動或工頻電壓包絡線的周期性變化。閃變是人對燈光照度波動的主觀視感。人對照度波動的最大覺察頻率范圍為0.0535Hz，其中閃變敏感的頻率范圍約為612Hz1。衡量閃變的指標有短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt。短時間閃變值是衡量短時間（若干分鐘）內閃變強弱的一個統(tǒng)計量值。短時間閃變值的計算不僅要考慮電壓波動造成的白熾燈照度變化，還要考慮到人的眼和腦對白熾燈照度波動的視感。長時間閃變值由短時間閃變值推出，反映長時間（若干小時）閃變強弱的量值。    本文從并網風電機組輸出的功率波動著手，分析了風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的主要原因，并

4、介紹了關于并網風電機組電能質量的國際電工標準IEC 61400-213，總結了風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的計算方法和影響因素，最后對未來的研究方向和研究重點進行了展望。2 機理分析    風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網風電機組輸出功率的波動，下面將分析并網風電機組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機理4。    圖1為風電機組并網示意圖，其中為風電機組出口電壓相量，為電網電壓相量，R1、X1分別為線路電阻和電抗，分別為線路上流動的有功電流和無功電流相量。一般而言，有功電流要遠大于無功電流。  

5、  由圖1(b)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。由圖1(c)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。所以有功電流和無功電流都會造成明顯的電壓降落，分別為和。當并網風電機組的輸出功率波動時，有功電流和無功電流隨之變化，從而引起電網電壓波動和閃變。    影響風電機組輸出功率的因素很多，其中風速的自然變化是主要因素。風電機組的機械功率可以表示為式中 P為功率；為空氣密度；A為葉片掃風面積；v為風速；CP為功率系數(shù)，表示風電機組利用風能的效率，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)，葉尖速比定義為式中&

6、#160;為葉輪轉速，R為葉輪半徑。    由式(1)可見，空氣密度、葉輪轉速、槳距角和風速v的變化都將對風電機組的輸出功率產生影響。風速v的變化是由自然條件決定的，隨機性比較強，且功率與風速的三次方近似呈正比，因此當風速快速變化時，并網風電機組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉速和槳距角的變化由風電機組類型和控制系統(tǒng)決定，先進的控制系統(tǒng)能夠減小風電機組輸出功率的波動。    此外，在并網風電機組持續(xù)運行過程中，由于受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，風電機組在葉輪旋轉一周的過程中產生的轉矩不穩(wěn)定，而轉矩波動也將造成風電機組輸出功

7、率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。常見的轉矩和輸出功率的波動頻率與葉片經過塔筒的頻率相同。對于三葉片風電機組而言，波動頻度為3P（P為葉輪旋轉頻率）時，最大波動幅度約為轉矩平均值的20% 5。    塔影效應是指風電機組塔筒對空氣流動的阻礙作用，當葉片經過塔筒時，產生的轉矩減小。遠離塔筒時風速是恒定的，接近塔筒時風速開始增加，而更接近時風速開始下降。塔影效應對下風向類型風電機組的影響最嚴重。塔影效應可以用頻率為3P倍數(shù)的傅立葉級數(shù)表示6。由于葉片掃風面積內垂直風速梯度的存在，風剪切同樣會引起轉矩波動。風剪切可用以風電機組輪轂為極點的極坐標下的二項式級數(shù)

8、表示6-8。從風輪的角度看，風廓線是一個周期性變化的方程，變化頻率為3P的倍數(shù)。    除了塔影效應和風剪切引起的輸出功率波動外，在風電機組輸出功率中還可檢測到頻率為p的波動分量，其出現(xiàn)的主要原因可能是葉片結構或重力不完全對稱。此外，頻率為塔筒諧振頻率的波動分量也比較明顯，它可能是由于輪轂的橫向擺動引起的。    并網風電機組不僅在持續(xù)運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組。這些切

9、換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。3  國際電工標準IEC 61400-213.1  風電機組輸出電壓    國際電工標準IEC 61400-21是關于并網風電機組電能質量測量與評估的標準，旨在為并網風電機組電能質量測量與評估提供一個統(tǒng)一的方法，以確保其一致性和正確性。IEC 61400-21提供的測量過程適用于任何與電網三相連接的風電機組，且風電機組的額定容量可以是任意的。    IEC 61400-21的主要內容包括：描述并網風電機組電能質量特征參數(shù)的定義或說明；電能質

10、量特征參數(shù)的測量過程；這些電能質量特征參數(shù)是否滿足電網要求的評估方法。IEC 61400-21定義的并網風電機組電能質量特征參數(shù)包括風電機組額定參數(shù)、最大允許功率、最大測量功率、無功功率、電壓波動和諧波等，其中電壓波動測量和評估是IEC 61400-21的重點。    考慮到電網中其他波動負荷可能在風電機組公共連接點引起明顯的電壓波動，且風電機組引起的電壓波動依賴于電網特性。因此，為了在風電機組公共連接點獲得不受電網條件影響的測試結果，IEC 61400-21采用了一個無其他電壓波源的虛擬電網來模擬風電機組輸出的電壓，虛擬電網的單相電路如圖2所示。 &#

11、160;  圖2中的虛擬電網由一個理想的相對地電壓源u0(t)、線路電阻Rfic和電感Lfic組成，u0(t)的幅值等于電網相電壓的標稱值，相角等于風電機組輸出電壓基波分量的相角，線路阻抗角等于電網阻抗角，im(t)為風電機組輸出電流的測量值，ufic(t)為計算出的風電機組的瞬時電壓。ufic(t)可以表示為3.2  持續(xù)運行過程    評估持續(xù)運行過程中的電壓波動時必須涵蓋不同的電網阻抗角k和風速分布情況，其中風速分布按不同年平均風速va的瑞利分布9來考慮。以不同情況下的電壓、電流測量數(shù)據(jù)作為虛擬電網的輸入量，計算出風電機組的輸出電壓ufi

12、c(t)。根據(jù)國際電工標準IEC 61000-4-1510提供的閃變值算法，由ufic(t)計算短時間閃變值Pst,fic。然后，由下式計算閃變系數(shù)c(k)組的額定視在功率。    根據(jù)服從瑞利分布的風速和計算得出的閃變系數(shù)，得到閃變系數(shù)的累積概率分布函數(shù)為測量的最終結果。    為了評估一臺風電機組引起的電壓波動，可以根據(jù)下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中 ci(k,va)為單臺風電機組的閃變系數(shù)；Sn,i為單臺風電機組的額定視在功率；Nwt為連接到公共連接點的風電機組的數(shù)目。3.3  切換操作

13、過程    評估切換操作過程中的電壓波動必須涵蓋不同的電網阻抗角k情況，以及下面3種切換操作過程：    （1）風電機組在切入風速下啟動；    （2）風電機組在額定風速下啟動；    （3）發(fā)電機在最差條件下切換（只適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組），最差條件是指閃變階躍系數(shù)kf(k)最高和電壓變化系數(shù)ku(k)最高的情況。    由虛擬電網仿真所得的風電機組輸出電壓ufic(t)計算出短時間閃變值Pst,fic之后，可根據(jù)下式分別求得

14、閃變階躍系數(shù)kf(k)和電壓變化系數(shù)ku(k)式中 TP為測量持續(xù)時間；Ufic,max和Ufic,min分別為切換操作過程中ufic(t)有效值的最大值與最小值；Un為額定線電壓。    對計算所得的kf(k)和ku(k)分別取平均值，即為測量過程的最終結果。    為了評估單臺風電機組引起的電壓波動，可以根據(jù)下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中 N10為10min內切換操作次數(shù)最大值；N120為2h內切換操作次數(shù)最大值。    如果多臺風電機組連在公共連接點，則可按

15、下式估計它們在切換操作中引起的閃變    對于多臺風電機組連在公共連接點的情況，由于兩臺風電機組不可能在同一時間完成切換操作，因此沒有必要考慮多臺風電機組引起的相對電壓變動問題。短時間、長時間閃變值和相對電壓變化值不能超過電網允許的最大限值。國際電工標準IEC 61000-3-711提供了估算中高壓電網所允許的閃變和電壓變化最大限值的方法。4  研究成果4.1  特征參數(shù)和計算方法    從20世紀80年代起，世界上相關領域內的學者們就開始研究風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變問題，在實地測量、實驗和建模仿真等研究領域取

16、得了許多研究成果。    在國際電工標準IEC 61400-21出版以前，世界上沒有一套公認的描述并網風電機組電能質量的特征參數(shù)及其相應的計算方法。因此，許多研究工作圍繞此點展開，如丹麥Risø國家實驗室進行的電壓波動和閃變的計算方法研究12等。國際電工標準IEC 61400-21提供了一套完整的描述并網風電機組電能質量的特征參數(shù)及其相應的計算方法，填補了這個空白。    IEC 61400-21采用國際電工標準IEC 61000-4-15提供的閃變值仿真算法計算短時間閃變值，其原理框圖如圖3所示。  &

17、#160; 圖3中，IEC閃變儀將輸入的被測電壓u(t)適配成適合儀器的電壓數(shù)值，并產生標準的調制波電壓供儀器自檢用；經過燈-眼-腦環(huán)節(jié)的模擬；再對模擬環(huán)節(jié)輸出的瞬時閃變視感度S(t)恒速采樣，得出累積概率函數(shù)，最后計算出短時間閃變值Pst。    國際電工標準IEC 61000-4-15提供的閃變儀算法是時域算法，它有測量數(shù)據(jù)多、測量過程長和計算速度慢等缺點，因此文獻13、14提出了閃變儀的頻域算法。頻域算法的優(yōu)點十分明顯，如測量時間短、計算速度快和可以區(qū)分不同頻率對閃變的影響等。文獻14還在頻域內利用諧波分量法計算了風力發(fā)電引起的閃變在電網中的傳播，將閃變的計

18、算位置從風電機組公共連接點擴展到整個電網。4.2  影響因素    影響風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的因素很多，如風況（平均風速和湍流強度等）、風電機組類型、控制系統(tǒng)（槳距和速度控制等）和電網狀況（風電機組公共連接點的短路容量、電網線路X/R 比和公共連接點所連接的負荷特性）等。    風況對并網風電機組引起的電壓波動和閃變影響很大，尤其是平均風速和湍流強度。隨著風速的增大，風電機組產生的電壓波動和閃變也不斷增大。當風速達到額定風速并持續(xù)增大時，恒速風電機組產生的電壓波動和閃變繼續(xù)增大，而變速風電機組因為能夠平滑輸出功率的波

19、動，產生的電壓波動和閃變卻開始減小15。湍流強度對電壓波動和閃變的影響較大，兩者幾乎成正比例增長關系16,17。    并網風電機組類型和控制系統(tǒng)對風電機組的電能質量影響很大。例如，恒速風電機組對p和3p 頻率比較敏感，會產生較大的電壓波動和閃變；但變速風電機組卻可以減輕3p頻率的影響15，變速風電機組運行產生的電壓波動和閃變水平遠低于恒速風電機組，幾乎是恒速風電機組的1/416。    并網風電機組公共連接點短路比和電網線路X/R 比是影響風電機組引起的電壓波動和閃變的重要因素。風電機組公共連接點短路比越大，風電機組引起的電壓波動和

20、閃變越小13,16,18,19。合適的X/R比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?shù)?，從而使整個平均閃變值有所減輕。研究表明13,16，當線路X/R比很小時，并網風電機組引起的電壓波動和閃變很大。當線路X/R比對應的線路阻抗角為60°70°時，并網風電機組引起的電壓波動和閃變最小。    并網風電機組在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也產生電壓波動和閃變。文獻20分別計算了恒速定槳距和恒速變槳距風電機組在切換操作過程中產生的電壓波動和閃變，并與持續(xù)運行過程中產生的電壓波動和閃變作了比較。由于啟動時無法控制葉輪轉矩，而持續(xù)運行過程

21、中的功率波動較小，所以恒速定槳距風電機組在切換操作過程中產生的電壓波動和閃變要比持續(xù)運行過程中產生的電壓波動和閃變大。對于恒速變槳距風電機組，結論是相反的。在塔影、風剪切和有限的槳距調節(jié)范圍的聯(lián)合作用下，恒速變槳距風電機組持續(xù)運行過程中的功率波動幅值非常大，從而產生較大的電壓波動和閃變；而恒速變槳距風電機組可以控制葉輪轉矩，啟動時產生的電壓波動和閃變比較小。5  發(fā)展展望    風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的研究已經進行了很長時間，也取得了豐碩的成果。有些學者還采用靜止無功補償器21和感性儲能裝置22來減小并網風電機組產生的功率波動，從而減小電壓波動和閃

22、變。但由于風資源的不確定性、風電機組單機容量不斷增加，風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變還有待于進一步研究。主要研究方向和研究重點有：    （1）國際電工標準IEC 61400-21采用了一個無其他電壓波動源的虛擬電網來模擬風電機組輸出的電壓，根據(jù)此模擬電壓采用國際電工標準IEC 61000-4-15提供的閃變值仿真算法計算短時間閃變值。這種閃變計算方法比較煩瑣，能否找到更簡便且計算精度和速度滿足要求的電壓波動和閃變的計算方法還是有待解決的問題；計算范圍應從風電機組公共連接點擴展到整個電網，從而可以更方便地評估風力發(fā)電引起的電能質量。   

23、; （2）影響風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的因素很多，如風況、風電機組類型、控制系統(tǒng)和電網狀況等。應該明確各種因素對電壓波動和閃變的影響，盡可能量化這些影響，也應確定各種影響因素之間的相互關系和它們聯(lián)合作用下的效果。    （3）由于風電機組單機容量越來越大，風速波動較大時風電機組輸出功率會產生較大的波動。對于目前已成為世界主流機型的變速恒頻風電機組而言，應綜合應用變流器控制和槳距角控制來調節(jié)風電機組的輸出功率。如何確定變流器控制和槳距角控制的控制策略以使風電機組的輸出功率最優(yōu)，同時減小風電機組輸出功率的波動，從而減小風電機組引起的電壓波動和閃變，是迫切需要解決的

24、問題。    （4）研究風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的最終目的是減弱其對電網的影響，提高風電場所在電網的電能質量。一些輔助設備（如靜止無功補償器和儲能元件等）在風力發(fā)電中的應用可有效減小電壓波動和閃變，從而改善電能質量。目前輔助設備在風力發(fā)電中的應用才剛剛起步，還有待于進一步深入研究。 參考文獻1  孫樹勤電壓波動與閃變M北京：中國電力出版社，19982  林海雪（Lin Haixue）現(xiàn)代電能質量的基本問題（Main problems of modern power quality）J電網技術（Power System T

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