版权信息
省级大型综合性科技类期刊
主管部门:自治区科技厅
主办单位:自治区科学技术信息研究院 
协办单位:自治区科学技术情报学会
编辑出版:科技期刊编译室
刊社地址:呼和浩特新城西街149号本刊杂志社
邮政编码:010000
电      话:0471-2536371

E-mail  :

nmgkjzz@vip.163.com 

网站地址:www.nmgkjzz.com


往期杂志
当前位置: 首页>往期杂志>详细介绍

大型风电场并网对电网性能的影响分析

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 242次



(1. 酒泉职业技术学院甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室,甘肃 酒泉;735000 2. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 甘肃 兰州 730050;)

摘要: 分析了风电场正常运行状态下的电压稳定性,风电场故障时的暂态电压稳定性,并对风电场并网引起的电能质量问题进行了深入分析,主要分析了谐波和电压闪变等问题,进一步阐述了无功补偿在改善风电场电能质量问题的重要作用,并对风电场无功特性进行了分析。

关键词:谐波;电压闪变;无功补偿

The impact analysis of grid performance about the large wind farm interconnection

Abstact: It analyzed the voltage stability of wind farm under the normal operation, and the transient voltage stability of wind power failure. It analyzed the power quality problems caused by the wind farm gridding, and mainly analyzed the harmonic and voltage flicker. Further in this paper, the reactive power compensation to improve the important role of wind power quality problem, and analyzed the wind farm reactive power characteristics.

Keywords: harmonic; voltage flicker; reactive power compensation

引言

风力发电的波动性和间接性,直接导致了风电场并网运行时的电能质量问题,其中电压闪变可以导致风力发电机组跳闸,进而产生更大的电压波动。大规模风电场接入较高电压等级电网时,由于风电场中各种电气设备需要建立和维护磁场与电场的电功率,凡是具有电磁线圈的电气设备,要建立磁场,就必须从电网吸收无功功率。风电场无功功率是影响电压的主要因素,通过无功功率的补偿可以实现电压控制。

1风电场电压稳定性分析

1.1风电场的静态电压稳定性分析

风电场正常稳定运行状态下,当风电机组的出力水平较高时会引起风电场电压水平下降,此时电压稳定域度也随之降低。

图1 风电场接入无穷大系统等效示意图

风电场通过等值线路接入无穷大系统,为风电场出口电压,为无穷大系统节点电压,是等值线路阻抗。

风电场并网系统中两个节点之间的电压差为:

                      (1)

                               (2)

                           (3)

在一般的工程实际中,由于

                (4)

所以将式(2.3)简化为:

                                                     (5)

    根据风电场并网的功率流向可得出:

         (6)

其中,是风电场发出的有功功率和吸收的无功功率;为风电场并联电容器组提供的无功功率;为线路的充电功率;为输电线路的有功、无功损耗。

对于恒速恒频风电机组而言,当其输出的有功功率增加时,其从系统吸收的无功功率也随着增加,同时由于线路输送电磁功率的增加,还导致了线路、变压器等无功功率损耗的增加。当之和大于机端并联电容器提供的无功功率与线路充电功率之和时,由式(2.5)可以看出,风电场出口电压值将会小于系统电压值,而且随着风电场出力的增加,风电场出口电压值还会继续下降。而且由于风电场的无功电源均为并联电容性质,其输出的无功功率与电压的平方成正比。当电压降低时,风电场的无功电源为风电机组提供的无功功率将迅速较少,不能给予风电机组有效的无功支持,这进一步导致了风电机组电压稳定域度的下降。从上面的分析可以看出,风电机组电压静态稳定性较差的原因在于当风电机组出力变化时没有足够的无功支撑。

1.2风电场的暂态电压稳定性分析

1.异步发电机的暂态电压稳定性分析

普通异步发电机转速和电磁转矩之间的关系如下式所示:

        (7)

其中,为风电机组极端电压,为从机端看进去的等效电阻和电抗,都是异步发电机转速的函数。

由上式可知,异步发电机的电磁转矩是机端电压二次方和转速的函数。当风电机组的机端电压变化时,其电磁转矩也随之变化。在风电场或者大电网发生故障时,随着风力发生较大变化时,风电机组的机械转矩与其电磁转矩就会失去功率的平衡,会引起风电机组输出端电压的大幅跌落,使发电机自身的电磁功率减小,使风电机组转子在不平衡状态下加速,从而吸收更多的无功功率用于励磁,将导致机端电压进一步下降。

当异步发电机接入实际电网中时,异步发电机吸收的无功为:

          (8)

发电机吸收的无功会随着转速的改变而改变,发电机机端电压也随着异步发电机吸收的无功而变化,相同的异步发电机接入不同的电网时,会表现出不同的特性,当发生三相短路故障电压跌落较大时,风电机组的电磁转矩会小于其输入机械转矩,会引起风电机组的超速运行,进一步会影响风电机组的电压稳定,最终导致大规模风电场电网电压的不稳定。

2.双馈感应发电机的暂态电压稳定性分析

    双馈感应发电机能够通过变频器控制系统将大电机有功、无功功率实现解耦控制,改善风电场功率因数及电压稳定性,所以其暂态电压稳定性远远好于普通异步发电机组。

正常控制策略下双馈风电机组控制系统在电网侧发生大扰动故障时,无法提供动态电压支撑。由于故障线路切除导致电网结构更弱,发电机机端电压降低,有功功率无法完全送出,导致整个风电场内所有风电机组超速保护动作将风电机组切除,从而影响风电场的运行及电网安全。

使用双馈发电机转子侧变频器控制双馈发电机,当电网发生故障电压跌落过程中和故障后的电压恢复过程中发出无功功率参与系统的暂态电压控制,使发电机出口电压能在故障后恢复并保持在故障前的值。一般通过给定的电压参考值和故障过程实测的电压值比较,其误差信号经过PI控制器,从而获得转子侧变频器需要发出的无功参考值,通过内环控制来调整风电机组实际发出无功功率以帮助双馈感应发电机在故障后重建机端电压到给定参考值。

2 风电场并网对电能质量影响

并网风电场引起的电能质量问题主要包括:谐波问题、电压闪变和电压偏差等。以下对其进行了详细分析:

2.1谐波问题

 谐波问题是风电并网引起的主要电能质量问题。风电场中大量电力电子的使用是产生谐波的主要原因。双馈式异步电机和永磁直驱同步风力发电机自身都有大量电力电子进行调节,所以风电场中风电机组自身就会有谐波的产生。

国标GB/T14549-93给出了不同电压等级下谐波电流注入点的基准短路容量和谐波电流允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时,谐波电流允许值计算如下:

                                                           (9)

其中,是短路容量为时的第h次谐波电流允许值;为国标规定的第h次谐波电流允许值;为公共连接点的最小短路容量;为基准短路容量。

根据IEC61000-3-6所给出的由负荷引起的谐波电流畸变和计算方法,IEC 61400-21给出了连接在公共节点上的多台风电机组引起的谐波电流计算公式表示为:

                                                   (10)

其中,为公共连接点上的次谐波电流畸变;为连接到公共连接点上的风电机组的数目;为第台风电机组变压器的变比;为第台风电机组次谐波电流畸变;为谐波次数的指数。

根据国家电网相关标准,对酒泉某风电场谐波测试如下:

图2 风电场出力变化曲线

图3 风电场并网点谐波电压含量柱状图

风电场的有功出力变化曲线和谐波含量柱状图如图2.2、2.3所示。从测试的结果可以看出:从测试的结果可以看出:风电场内3次、5次谐波含量较大,三次谐波含量约为0.42%,三次谐波含量约为1.25%。风电场的谐波注入电网,会增加输电线路和变压器的损耗,加速设备的绝缘老化,减少使用寿命甚至使设备损坏报废;谐波还会引起电网中局部的并联或者串联谐振,从而使谐波进一步的放大;谐波还会影响线路中的保护元件,使保护装置误动作,电气测量仪表不准确等。

2.2电压闪变

风电场所接入的公共连接点的闪变干扰值应满足GB12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》所提出的要求。风电场电压的波动和电压闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动,并网风电机组输出功率波动的原因主要是受到塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响造成的。风电场公共连接点的短路比和电网线路的电源阻抗电感和电阻比(X/R)是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。当风电机组或者风电场电力电子设备的投切也会引起风电场并网点电压闪变,同时并网点短路容量也会引起电压闪变。

风电场接入的大电网可以看做无穷大电源,当风电机组输出的有功和无功分别为P和Q,可以得到:

            (11)

                                  (12)

其中,为机端电压;并网点电压;为电网系统电压;分别为风电场送出线路、变压器以及风电场内集电线路的等效电阻和电抗;分别为大电网等效后的电阻和电抗。

从(2.12)式可知,在电网电压不变情况下,风电机组出力发生较大波动时,机端电压和并网点电压也将发生波动,最终风电场电网电压会发生波动。

风电场带来的电压闪变计算和评估分为两种运行状态下进行,即连续运行和切换运行。在连续运行状态下,电网连接点处并的多台风电机组产出的闪变系数按公式(2.13)计算:

                                (13)

其中,为单台机组闪变系数,为单台风机的视在功率,为电网连接点风电机组数量。

在切换运行状态下,由于风电场内多台机组切换操作所产出的总的闪变可由公式(2.14)计算:

             (14)

为各台机组在120min内切换的次数,为单台风机的闪变阶跃系数,为单台机组的额定视在功率。

便于对风电场在正常运行时的电压闪变问题进行研究分析,对酒泉风电基地风电场进行了闪变测试。根据国家电网公司企业标准Q/GDW630-2011《风电场功率调节能力和电能质量测试规程》中的相关条目,确定风电场闪变测试方法。于风电场并网点进行测试,输出功率从0到额定功率的100%,以额定功率10%为区间,每个区间、每相至少收集5个10min数据。风电场停运时,测量并网点的背景长时闪变值,测试时长24h。

1风电场并网点电压闪变

风电场投运时长时闪变Plt1

电网背景长时闪变Plt0

风电场单独引起长时闪变Plt2

限值

A

0.30093

0.29005

0.14178

0.6

B

0.30924

0.30138

0.13002

0.6

C

0.31182

0.30395

0.13081

0.6

3风电场无功特性

目前国内风电场主流风电机组的机端输出电压一般为690V,单机容量不过几兆瓦,所以要有风电场内部的集电系统,将多个风电机组输出的电能汇集起来,在风电场升压站内统一升压送入大电网。将风电机组690V的出口电压通过低压电缆接到箱式变压器低压侧,经一机一变的单元接线方式升到35kV 。分组由集电系统进行电能汇集,送到风电场升压站。经升压站主变将电压升高到330kV,统一送入大电网。风电场无功容量需求主要包括三部分:风电场变压器、风电场架空集电线路和风电机组的无功需求。

3.1风电机组无功功率分析

目前风电场常用的风电机组类型主要有普通异步风电机组、直驱风电机组、双馈风电机组。

1.普通异步风电机组

普通异步发电机工作时,需要从电网吸收无功功率,用于风电机组的励磁等,这是有感应电机本身的结构及运行方式决定的。异步电机的定子绕组和转子绕组都具有电抗参数,在有电流通过的情况下,必然会吸收感性的无功功率。

图4 异步发电机T型等值电路

异步发电机转子电流为:

                                               (16)

忽略定子电阻项,令,则:

      (17)

定子侧的电磁功率为:

       (18)

由以上公式可计算的转差率为:

                                            (19)

发电机机端输出的有功功率、吸收的无功功率和功率因数分别为:

                             

                             

                                                      (20)

由此可得异步发电机转差率与功率因数角大小关系:

                                             (21)

异步发电机吸收的无功功率与发出的有功功率的关系:

                                               (22)

其中,为定子绕组的电阻和电抗;为转子绕组的电阻和电抗(折算到定子侧);为励磁电阻和电抗;为励磁电流;分别为定子和转子电流;为极端电压;为电机的转差率。  

异步发电机的功率因数和转差率密切相关,在偏离额定转差率时,发电机的功率因数迅速下降,相对应一定的有功出力,发电机吸收的无功功率增加。在电压一定时,随着发出有功功率增加,无功功率的吸收也会增加,如果未装设补偿设备,发电机会从大电网中吸收大量无功。

2.双馈感应式变速恒频风电机组

    双馈感应式变速恒频风电机组的功率关系如图2.5,为风力发电机组输入的机械功率;为定子发出的有功和无功功率;为网侧变换器从电网输入的有功和无功功率;为双馈电机流入电网的有功功率和无功功率。

图5 双馈感应变速恒频风电机组功率关系

双馈电机定子、转子无功功率之间的关系为:

                                    (23)

其中:分别为定子、转子电流的峰值;为定子、转子电感;为定子电流角频率;为转差角频率。

由以上的分析可知,在双馈风电机组中转子变换器提供的无功功率主要用于双馈发电机工作时的励磁和定子侧无功控制。

风电机组系统输入到电网的无功功率为:

                                                  (24)

双馈电机转子电流和定子功率之间的关系为:

                                  (2.25)

式中为转子电流轴分量。

因此对于给定有功功率,定子无功功率的范围为:

                                              (26)

其中:

                              (27)

           (28)

在给定风速下,定子发出和吸收无功的能力是不对称的。双馈式风电机组具备的无功调节能力,但在大规模风电并网时,无法充分利用风电机组的无功容量,实现无功电压调节。所以在大规模风电并网时,风电机组需要大量无功功率。

3.2输电线路的无功特性

输电线路金属导体具有一定的电阻率,在导体中如果有电流流过,就会形成磁场,因此输电线路具有电感效应。输电线路在一定的电压等级下运行,存在对地电压,而且不同相的交流输电线路上,电压的瞬时值也不同。输电线路可以看做是又长又窄的金属极板,大地具有导电性,也可以看做是一个电极。所以在不同相的输电线路之间,以及各相输电线路与地之间,存在电容效应。

输电线路的分布式参数等效电路如下图所示,其中分别为单位长度输电线路的电阻、电抗、电导、电纳参数。

图6 输电线路的分布式参数等效电路

特性阻抗是分布式参数输电线路的一个重要参数,表示为:

                                                        (30)

线路的漏电流非常小,对于电压等级较高的输电线路而言,电阻参数远远小于电抗参数,所以高压输电线路的电阻可以忽略不计。此时线路特性阻抗为:

                                                             (31)

    高压输电线路的电阻参数远远小于电抗参数,忽略和电阻有关的项,线路压降可表示为:

       (32)

由上式可见,高压输电线路两端电压大小主要受无功功率的影响,而电压的相角差主要由有功功率确定。

低压输电线路的电阻参数远远大于电抗参数,忽略与电抗有关的项,线路的压降可表示为:

       (33)

低压输电线路的压降的横分量主要受有功功率的影响,而压降的纵分量主要受无功功率的影响。低压输电线路两端电压大小差别主要受有功功率的影响,而电压相角差主要由无功功率确定。

风电场的无功功率特性与风电场的有功功率特性有很大关系,当风电场有功功率输出较低时,输电线路轻载,线路充电功率过剩,风电场向电网注入无功功率;当风电场输出有功功率增大时,线路充电功率小于风电场与变压器等电网元件消耗的无功功率,风电场从大电网吸收无功功率。

4 结论

分析了风电场正常运行状态下的稳态电压稳定性、风电场故障时的暂态电压稳定性,对并网风电场引起的电能质量问题进行了深入分析。阐述了无功补偿在改善风电场电能质量问题的重要作用,并对风电场无功特性进行了介绍分析。并网风电机组工作时,需要大量无功进行风电机组的励磁,风电机组产生的电能至少经过两级升压,才能并入大电网,而大量变压器的存在同样需要大量无功建立磁场。同时输电线路的阻抗特性会造成无功的损耗,风电场大量无功需求的存在,更说明了风电场无功补偿的重要性和必要性。同时风电场无功功率补偿对风电场电压安全稳定以及提高风电场电能质量至关重要。

参考文献:

[1]孙伟.并网运行风电场电压稳定性研究[D].[硕士学位论文].燕山大学,2012.

[2]迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D].[博士学位论文].北京:中国电力科学研究院,2006.

[3]白鸿斌,王瑞红.风电场并网对电网电能质量的影响分析[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(1):120-124.

[4]高玉洁.风电场接入电网后的电能质量问题分析[J].南方电网技术,2009,3(4):68-72.

[5]白鸿斌,王瑞红. 风电场并网对电网电能质量的影响分析[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(1):120-124.

[6]白鸿斌,王瑞红,王真,迟永宁.风电场接入电网的电能质量分析方法研究及案例分析[J].东北电力大学学报,2008,28(6):33-37.

[7]赵海翔,陈默子,戴慧珠.风电并网引起闪变的测试系统仿真[J].太阳能学报,2005,26(1):28-33.

[8]王冬梅.大型风电场并网运行电能质量问题的研究[D].[硕士学位论文].华北电力大学,2010.

[9]王纯琦.大型风力发电场接入电网电能质量问题研究[D].[硕士学位论文].新疆大学,2007.

 

本刊创刊于1982年,是由自治区科技厅主管、自治区科技信息研究院主办,由自治区科技情报学会协办、国内外公开发行的省级综合性科技刊物,是反映内蒙古自治区科技与经济发展的窗口。杂志入选《中国期刊全文数据(CJFD)》全文收录期刊和《中国学术期刊综合评价数据(CAJCED)统计刊源期刊,《中国核心期刊(遴选)数据库》收录。本刊是公开发行的综合性科技期刊,为月刊,大16开本。本刊坚持以科技创新为目标,融科技、经济、信息、产业、市场为一体,是促进科技成果转化、推动科技进步、加强技术创新,促进经济发展的专业性期刊。