并網(wǎng)風(fēng)電機組輸出電能閃變和諧波指標的比較與分析

0 引言

隨著(zhù)我國風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展和局部地區風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電量的增加，風(fēng)電機組輸出電能的品質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注。在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運行中，已經(jīng)出現了因風(fēng)電電能質(zhì)量問(wèn)題對局部電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響的情況，因而有必要對此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。

為了保證電能安全經(jīng)濟地輸送、分配和使用，理想供電系統的運行應具備以下基本特性：

(1)以單一恒定的電網(wǎng)標稱(chēng)頻率、規定的電壓等級和以正弦函數波形變化的交流電向用戶(hù)供電，并且這些參數不受用電負荷特性的影響；

(2)始終保持三相交流電壓和負荷電流的平衡；

(3)電能供應充足。

國際電工標準IEC61400—21(該標準第一版出版于2001年12月，2008年8月進(jìn)行了修訂)對并網(wǎng)風(fēng)電機組的有功、無(wú)功、諧波和閃變等電網(wǎng)特性的測試都做了細致的說(shuō)明。但就我國目前風(fēng)電場(chǎng)運行情況來(lái)看，由于風(fēng)電機組遠程控制的通訊標準不統一，風(fēng)電場(chǎng)的有功和無(wú)功功率輸出還不能實(shí)現自動(dòng)化調度，因而現階段行業(yè)內更關(guān)心的是風(fēng)電機組長(cháng)期運行中輸出電能的諧波和閃變，以及機組的低電壓穿越能力和對三相電壓不平衡的適應能力。

本文中對四款風(fēng)電機組的電能測試報告進(jìn)行比較和分析，為便于表述，規定其中A為750kW定槳失速型機組，B為2MW變速恒頻全饋機組，C為2．5MW變速恒頻雙饋機組，D為運達(WD77—1500A／1500kW)變速恒頻雙饋機組，以下分別對四款機組輸出電能的閃變和諧波進(jìn)行比較和分析。

l 閃變

并網(wǎng)風(fēng)電機組引起的電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是其輸出功率的波動(dòng)。影響風(fēng)電機組輸出功率的因素有很多，例如空氣密度P、葉輪轉速∞、槳距角β和風(fēng)速v的變化，其中風(fēng)速的自然變化是主要因素。在并網(wǎng)風(fēng)電機組持續運行過(guò)程中，由于受塔影效應、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響，風(fēng)電機組在葉輪旋轉過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生轉矩不穩定，而轉矩不穩定將造成風(fēng)電機組輸出功率的波動(dòng)。

國際電工標準IEC61400—21要求對閃變進(jìn)行測量的最終目的是評估風(fēng)電機組對電網(wǎng)的影響。衡量閃變的指標有短時(shí)間閃變值和長(cháng)時(shí)間閃變值。短時(shí)間閃變值是反映短時(shí)間閃變強弱的量值；長(cháng)時(shí)間閃變值由短時(shí)間閃變值推出，是反映長(cháng)時(shí)間閃變強弱的量值。閃變測量分為持續運行和切入過(guò)程時(shí)兩種情況，切入過(guò)程又可分為在切入風(fēng)速時(shí)、在額定風(fēng)速時(shí)和大小發(fā)電機在最差條件下切換時(shí)的三種方式。

持續運行時(shí)，閃變是按照IEC61400—21的要求分別在不同的電網(wǎng)阻抗角(=30°、50°、70°、85°)和不同的年平均風(fēng)速(V：6.0m／s、7.5m／s、8.5m／s、10.0rn／s)測量和計算得出的。

并網(wǎng)風(fēng)電機組的公共連接點(diǎn)短路比越大，風(fēng)電機組引起的電壓波動(dòng)和閃變越??；當電路X／R比很小時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機組引起的電壓波動(dòng)和閃變很大，在線(xiàn)路阻抗角為60°～70°時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機組引起的電壓波動(dòng)和閃變最??；隨著(zhù)年平均風(fēng)速的增加，閃變會(huì )有所增加。對所測量的四款風(fēng)電機組的閃變最大、最小值進(jìn)行比較，得到的數據如表1。

風(fēng)電機組切人有三種方式：切人風(fēng)速、額定風(fēng)速、大小發(fā)電機在最壞情況下切換。對四款風(fēng)電機組給出最大、最小閃變階躍因子和電壓變化因子進(jìn)行比較，比較結果如表2。通過(guò)對四型風(fēng)電機組閃變測量(閃變系數值、閃變階躍因子值、電壓階躍因子值)數值的比較，可以發(fā)現A型機組與其他風(fēng)電機組的性能有很大的差距，這些巨大的差異來(lái)源于A(yíng)型風(fēng)電機組是定槳型風(fēng)電機組，而其他廠(chǎng)家的風(fēng)電機組均為變速恒頻型機組，它們的功率控制方式和并網(wǎng)的方式都有很大差異。

同樣是變速恒頻機組，運行中的閃變大小取決于機組選用葉片的氣動(dòng)特性以及機組的控制能力，在滿(mǎn)足電能指標要求的情況下，并非閃變越小越好。如果機組單純以輸出電能穩定為原則，那么在時(shí)變的風(fēng)況作用下，必然需要對變槳系統和變頻器進(jìn)行更為頻繁的控制，這會(huì )大幅度地增加傳動(dòng)系統的疲勞載荷，同時(shí)也可能導致傳動(dòng)系統轉速波動(dòng)范圍的加大。

對于切入過(guò)程中的閃變指標，B型風(fēng)電機組優(yōu)于其他變速恒頻機組，可見(jiàn)全功率變換的能量傳遞方式使機組在并網(wǎng)過(guò)程中，功率變化更為平穩。

2 諧波

傳統的定槳風(fēng)電機組采用感應發(fā)電機直接連接電網(wǎng)的方式，因而不被認為是諧波源。變速恒頻機組不同程度地采用了大功率電力電子設備，對電力和信號傳輸都存在嚴重影響，所以進(jìn)行諧波測量是必需的。諧波測量給出了每一次諧波電流10min平均值中的最大值以及在此期間的有功功率值，當單次諧波電流值小于0.1％額電電流，時(shí)不必報告，總的最大諧波電流總畸變率(諧波電流占額定電流的百分比，％)是一個(gè)衡量諧波大小比較重要而直觀(guān)的參數，對于B、C、D型風(fēng)電機組的比較見(jiàn)表3。

圖1～圖3分別給出B、C、D所測量的各次諧波電流值。

從上述比較可見(jiàn)，全饋或雙饋并非對風(fēng)電機組輸出諧波指標有決定性的影響，比之更加重要的是機組選用的變流器與發(fā)電機的特性。和閃變指標不同，在任何情況下諧波都應被降低到最低限度，因為諧波除了使電能的產(chǎn)生、傳輸和利用的效率降低，對通信產(chǎn)生干擾外，對傳動(dòng)系統的振動(dòng)也有很大的不利影響。

3 展望

隨著(zhù)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，現代電網(wǎng)與負荷構成出現了新的變化趨勢，由此帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起電力部門(mén)和電力用戶(hù)的高度重視。因此，國際電工委員會(huì )(IEC)于2008年8月對IEC61400—21標準進(jìn)行了技術(shù)修訂，新增加了如下項目：

(1)間諧波和高次諧波電流的失真(9kHz)；

(2)電壓下降的反應；

(3)有功斜率的限制和控制點(diǎn)的設置；

(4)無(wú)功容量和控制點(diǎn)的設置；

(5)電網(wǎng)保護和電網(wǎng)故障后重接時(shí)間。

以上新增加的測量項目對風(fēng)電機組并入電網(wǎng)有了更加嚴格的要求，在以后的測量和評估中，應該盡可能地涉及到這些項目，只有這樣才能使風(fēng)電機組所提供的電能質(zhì)量最大限度地滿(mǎn)足電氣設備的正常工作，保證電能安全經(jīng)濟地輸送、分配和使用。

在測風(fēng)數據插補和修正中，錯誤數據必須更正，但是異常數據是否正確，這要視具體情況確定。例如：國家標準《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評估方法》對于風(fēng)速標準偏差這一參數沒(méi)做出合理的范圍規定，技術(shù)人員在遇到風(fēng)速標準偏差為零的情況就沒(méi)有參考標準，而要根據具體情況和積累的經(jīng)驗來(lái)確定數據的正確與否。

在利用《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評估方法》推薦的參數范圍對風(fēng)場(chǎng)所測原始數據進(jìn)行檢驗的過(guò)程中，應根據同塔各高度層的數據特點(diǎn)，結合自然規律對符合國家標準的數據認真分析，從而判斷其合理性。對不在國標推薦的合理范圍內的異常數據，判斷時(shí)應根據風(fēng)場(chǎng)地形、氣象條件、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況變化及周?chē)鷾y風(fēng)塔的資料變化趨勢來(lái)綜合分析數據是否合理。