風電系統(tǒng)的接入對電網(wǎng)電壓波動與閃變的影響

風電場引起的電壓波動與閃變問題并網(wǎng)型風電場運行過程中可能會引起電網(wǎng)電壓波動，進而可能引起閃變現(xiàn)象。其主要的原因是風速的隨機變化特性，以及風電機組本身的一些固有特性的影響，如風剪切、塔影效應、葉片重力偏差以及偏航誤差等。風電場引起的電壓波動和閃變問題是又一個值得關(guān)注電能質(zhì)量問題。本章將首先介紹電壓波動和閃變的基本概念，然后詳細分析風電機組及風電場產(chǎn)生閃變的原因。一電壓波動與閃變的定義電壓波動定義為一系列電壓變動或者連續(xù)的電壓偏差。電壓波動值為電壓均方根值的兩個極值U和U?之差AU，常以額定電壓U的百分數(shù)表示其相對百分值，即maxmin NAV=AUx100%UN(1)U-U

=max ninX100%UN雖然電壓波動會引起部分電氣設(shè)備不能正常工作，但由于實際運行中出現(xiàn)的電壓波動值往往小于電氣沒備對電壓敏感度門檻值，可以說由于電壓波動使得電器設(shè)備運行出現(xiàn)問題甚至損壞的情況并不多見。但對于照明電光源來說，電壓波動會引起令人煩惱的燈光閃爍，嚴重時刺激人的視感神經(jīng)，使人們難以忍受而情緒煩躁，從而干擾了正常工作和生活。通常，白熾燈對電壓波動最為敏感。因此，在研究電壓波動帶來的影響時，通常選白熾燈光照設(shè)備受影響的程度作為判斷波動是否能被接受的依據(jù)。從而引進了閃變這一概念。閃變一詞是閃爍的廣義描述，可以理解為白熾燈的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定對人眼視感的反應。嚴格地講，閃變是電壓波動引起的有害結(jié)果，是指人對照度的波動的主觀視覺反映。二電壓波動與閃變的限值GB12326——2000給出了電壓等級下閃變的限值，如表1所示：表1各級電壓下的閃變限值電網(wǎng)電壓等級LVMVHVPst1.00.9(1.0)0.8Plt0.80.7(0.8)0.6注：1、GB12326——2000中P和P每次測量周期分別取10min和2h。stlt2、 MV括號內(nèi)的值僅適用于PCC連接的所有用戶為同電壓等級的場合。3、 GB12326——2000的電壓等級劃分：LV(UnW1kV)、MV(1kV<UnW35kV)、HV尺廠W220kV)三電壓波動與閃變產(chǎn)生的原因傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中閃變產(chǎn)生的原因是電弧爐、軋鋼機等大容量沖擊性功率的裝置運行造成的。風電機組引起電壓波動和閃變的根本原因是風電機組輸出功率的波動，研究電壓波動和閃變必須立足于對輸出功率波動的研究。圖1為風電機組并網(wǎng)示意圖，其中E為風電機組出口電壓相量，U為電網(wǎng)電壓相量，R、X分別為線路電阻和電抗，I為線路上流動的電流相量。IX圖1風電機組并網(wǎng)示意圖IX圖1風電機組并網(wǎng)示意圖如果風電機組輸出的有功功率和無功功率分別為P和Q，則u=u=e-PR+QX-jPX-QR

E(2)由上式可以看出，當風電機組輸出功率波動時，會引起電網(wǎng)的電壓波動。電壓波動有可能引起可察覺的閃變現(xiàn)象。P二0.5pAV3C(九,p)P(3)又由公式3可知，影響輸出功率的因素有很多，如空氣密度P、葉輪轉(zhuǎn)速?、槳距角卩和風速V等。一般較快的風速變化約在0.1Hz數(shù)量級，而一般能夠被人眼察覺的閃變頻率范圍在0.1Hz?35Hz,所以快速風速變化引起可察覺的閃變的可能性很小。葉輪轉(zhuǎn)速①和槳距角p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。并網(wǎng)風電機組輸出功率波動的原因主要是受到塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響造成的。風電機組連續(xù)運行的過程中，在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩波動將造成風電機組輸出功率的波動。風況對風電機組引起的電壓波動和閃變具有直接影響，尤其是平均風速和湍流強度。隨著風速的增大，風電機組產(chǎn)生的電壓波動和閃變也不斷增大。湍流強度對電壓波動和閃變的影響也較大，其與電壓波動和閃變成正比增長的關(guān)系。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(jīng)過塔筒時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減少，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。塔影效應可用頻率為3P倍數(shù)（P為葉片的旋轉(zhuǎn)頻率）的傅里葉級數(shù)表示。由于葉片掃風面積內(nèi)垂直風速梯度的存在，風剪切同樣會引起轉(zhuǎn)矩波動。風剪切可用風電機組輪轂為極點的極坐標下的二項式級數(shù)表示。常見的轉(zhuǎn)矩和輸出功率的波動頻率與葉片經(jīng)過塔筒的頻率相同。對于三葉片風電機組來說，波動的主要頻率為3P或3P的整數(shù)倍，這種頻率下的周期性電壓波動引起的閃變水平，有時會達到風電機組總閃變值的90%。一般情況下，3P頻率的范圍為1?3Hz，最大波動幅度約為轉(zhuǎn)矩平均值的20％。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以檢測到頻率為P的波動分量，其出現(xiàn)的主要原因可能是葉片結(jié)構(gòu)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。另外，不同類型的機型引起的閃變問題也不同，定速風電機組引起的閃變問題較為嚴重。變速風電機組能夠平滑功率輸出，一般來說，引起的閃變強度只相當于恒速風電機組的四分之一。并網(wǎng)風電機組不僅在連續(xù)運行過程中產(chǎn)生電壓波動和閃變，而且在機組切換操作過程中也會產(chǎn)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。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其它向量節(jié)點的電壓波動和閃變。除去風的自身形態(tài)和風電機組的特性，風電機組所接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)線路的電源阻抗電感和電阻比（X/R）是影響風電機組引起的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?shù)?，從而使總的平均閃變值有所降低。并網(wǎng)風電機組引起的電壓波動和閃變與線路X/R比呈非線性關(guān)系，當對應得線路阻抗角為60度至70度時，電壓波動和閃變最小。四電壓波動與閃變的危害當系統(tǒng)的短路容量較小時，若產(chǎn)生隨機地或周期性地大幅度電壓波動，將導致電網(wǎng)上其他用戶電壓以相同的頻率波動，危害其他饋電線路上用戶的電氣設(shè)備，嚴重時會使其他用戶無法正常工作。由于一般用電設(shè)備對電壓波動敏感度低于白熾燈，人們通常選擇人對白熾燈的主觀實感（即閃變），作為衡量電壓波動危害程度的評價指標。電壓波動的危害主要表現(xiàn)在以下方面：1） 照明燈光閃爍引起人的視覺不適和疲勞甚至難以忍受，從而降低了工作效率和生活質(zhì)量。2） 電視機畫面亮度變化，圖像垂直和水平擺動，從而刺激人們的眼睛和大腦。3） 造成對直接和交流電源相接的電動機轉(zhuǎn)速不均勻，不僅危害電機、電器正常運行及壽命，而且影響產(chǎn)品質(zhì)量。4） 電子儀器、電子計算機、自動控制設(shè)備等工作不正常。5） 影響對電壓波動較為敏感的工藝或者實驗結(jié)果。6） 導致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電子換流器換相失敗等。五電壓波動與閃變的評估IEC61400——21《并網(wǎng)風電機組電能質(zhì)量測試和評估》標準中給出了閃變計算與評估方法1）風電場連續(xù)運行過程閃變的評估為了更好地介紹IEC6140—21,這里將首先分析連續(xù)運行過程中風電機組長時間閃變系數(shù)和短時間閃變系數(shù)的關(guān)系作為鋪墊。根據(jù)IEC61000-3-7,長時間閃變值可以由12個連續(xù)短時間閃變值立方平均值的立方根計算出，一般認為，風電機組的閃變是風速的函數(shù)，而風的狀態(tài)一般很可能持續(xù)2h,所以12個連續(xù)的短時間閃變值可能相等。因此，對風電機組來說，長時間閃變系數(shù)等于短時間閃變系數(shù)。IEC61400——21首先給出了單臺風電機組閃變的評估公式。連續(xù)運行期間由單臺風電機組并網(wǎng)運行引起的第99分位點閃變值用式（4）估計4)S4)P=P=c(y,v).n

stltkaSk這里，c（y,v）為對于給定在公共連接點電網(wǎng)阻抗角屮，給定的現(xiàn)場風電機組輪轂高kak度的年平均風速v的風電機組的閃變系數(shù)；S為風電機組的額定視在功率；S為公共連接a n k點的短路容量；P為短時間閃變值；P為長時間閃變值。stlt對于現(xiàn)場實際的屮和v對應的風電機組的閃變系數(shù)，可對測量結(jié)果得到的各種數(shù)據(jù)ka表，應用線性插值求出。多臺風電機組連在公共連接點，IEC61400——21給出了式（5）用以估計。1IP=P= (c(屮,v).S)2st It S ikanik'i=1式中c(y,v)中為單臺風電機組的閃變系數(shù)；S為單臺風電機組的額定視在功率；Nikani為連接到公共連接點的風電機組的數(shù)目。2)切換操作風電機組的切換操作可分為在切入風速時啟動、在額定風速時啟動和在最差條件下切換，IEC61400——21給出切換操作過程中，單臺風電機組引起的閃變可用式(6)和式(7)估計：STOC\o"1-5"\h\zP二18.No.3i.k(y).-n (6)st 10fkSk-P二8.No.3i.k(y).f (7)lt 120fk-k式中k(y)是對于在公共連接點給定的y的閃變階躍系數(shù)。對于在現(xiàn)場實際y對應fk k k的風電機組的閃變階躍系數(shù)，可對測量結(jié)果得到的各種數(shù)據(jù)表，應用線性插值求出。假如更多的風電機組連在公共連接點，總的閃變可根據(jù)公式(8)(9)求得P二蘭.(迓N.(k(y).S)3.2)o.3i (8)st- 10ifikniki=1P=—.{Ln.(k(y)?-)3.2)0.31 (9)st- 120ifikniki=1式中N和N分別為在10min和120min內(nèi)第i臺風電機組切換操作的次數(shù)；10i 120ik(y)為第i臺風電機組的閃變階躍系數(shù)；-為第i臺風電機組的額定功率。fik ni我國風電場的裝機容量越來越大，位置也較為偏遠，一般通過較長的輸電線路將電力送往輸電網(wǎng)。由于風電場并網(wǎng)點附近并沒有負荷，因此，計算風電場產(chǎn)生的閃變對電網(wǎng)其它公共連接點的影響很有意義。GB12326——2000給出了電力系統(tǒng)不同母線節(jié)點上閃變的傳遞可按式(10)簡化計算，圖2為閃變傳遞示意圖。PstAAA-/PstAAA-/scB-/scAPstB圖2閃變傳遞計算示意圖P=TPstABAstBS/式中，T= -scA 為節(jié)點B短時間閃變值傳遞到節(jié)點A的傳遞系數(shù)；P為節(jié)點BBA-—-/ stAscAscB短時間閃變值傳遞到節(jié)點A，在節(jié)點A引起的短時間閃變值；P為節(jié)點B上的短時間閃變stB值；-/為節(jié)點B短路時節(jié)點A流向節(jié)點B的短路容量；-為節(jié)點A的短路容量；-/為scA scA scB節(jié)點A短路時節(jié)點B流向節(jié)點A的短路容量。六實例分析本文將研究在一個負荷總?cè)萘繛?59MW電網(wǎng)中，并入一個30MW的風電場所引起的電壓波動與閃變問題。接入點的短路容量經(jīng)計算為432.5MW，阻抗角為67.065度。風電場由15臺容量為2MW的風電機組組成，風電機組的具體參數(shù)如下表所示表2風電機組參數(shù)額定功率2000KW額定風速12m/s額定視在功率2002KVA額定無功100Kvar額定電流2890A額定電壓400V1)風電場連續(xù)運行過程閃變的評估根據(jù)表3并應用二元插值法可以計算出單臺風電機組的閃變系數(shù)c(y,v)為1.7989。ka表3風電機組連續(xù)運行時的認變系數(shù)電網(wǎng)阻抗角(度)30507085年平均風速(m/s)閃變系數(shù)6.02.62.11.51.17.52.92.41.71.28.53.02.51.71.310.03.22.61.71.4根據(jù)公式（5）可求得P二P二2八15x1.7989二0.032小于GB12326——2000規(guī)定值stlt432.50.8和0.6。根據(jù)公式（10）計算節(jié)點14傳遞到節(jié)點13和節(jié)點9的閃變值對節(jié)點9而言，-/、- 、-/分別為181.12MVA、880.77MVA和124.54MVA，則scAscAscBT= -cA 二18112 二0.24ba-—-/ 88077—12454scAscBP二P二0.24x0.032二0.008stlt

對節(jié)點13而言，S/、S八S/分別為198.3MVA、980MVA和123.17MVA,則scAscAscB1983980-12317二0-23TS/1983980-12317二0-23T二 scA——BAS-S/scAscBP二P二0.23x0.032二0.007stlt均小于小于GB12326——2000規(guī)定值。2）切換操作風電機組的切換操作可分為在切入風速時啟動、在額定風速時啟動和在最差條件下切換，本文只研究前兩種情況下引起的閃變問題，表4和表5分別為該風力發(fā)電機組在切入風速時啟動和在額定風速時啟動的閃變系數(shù)。表4風電機組在切入風速啟動時的閃變系數(shù)切換操作情況在切入風速啟動10min時段切換操作的最大數(shù)目3120min時段切換操作的最大數(shù)目35網(wǎng)絡(luò)阻抗相位角30507085閃變階躍系數(shù)0.040.030.020.02表5風電機組在額定風速