并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出電能閃變和諧波指標(biāo)的比較與分析

0 引言

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展和局部地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電量的增加，風(fēng)電機(jī)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(yùn)行中，已經(jīng)出現(xiàn)了因風(fēng)電電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)局部電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響的情況，因而有必要對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。

為了保證電能安全經(jīng)濟(jì)地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)具備以下基本特性：

(1)以單一恒定的電網(wǎng)標(biāo)稱頻率、規(guī)定的電壓等級(jí)和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電，并且這些參數(shù)不受用電負(fù)荷特性的影響；

(2)始終保持三相交流電壓和負(fù)荷電流的平衡；

(3)電能供應(yīng)充足。

國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61400—21(該標(biāo)準(zhǔn)第一版出版于2001年12月，2008年8月進(jìn)行了修訂)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的有功、無(wú)功、諧波和閃變等電網(wǎng)特性的測(cè)試都做了細(xì)致的說(shuō)明。但就我國(guó)目前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，由于風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程控制的通訊標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，風(fēng)電場(chǎng)的有功和無(wú)功功率輸出還不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度，因而現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)更關(guān)心的是風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行中輸出電能的諧波和閃變，以及機(jī)組的低電壓穿越能力和對(duì)三相電壓不平衡的適應(yīng)能力。

本文中對(duì)四款風(fēng)電機(jī)組的電能測(cè)試報(bào)告進(jìn)行比較和分析，為便于表述，規(guī)定其中A為750kW定槳失速型機(jī)組，B為2MW變速恒頻全饋機(jī)組，C為2．5MW變速恒頻雙饋機(jī)組，D為運(yùn)達(dá)(WD77—1500A／1500kW)變速恒頻雙饋機(jī)組，以下分別對(duì)四款機(jī)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(jī)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(jī)組輸出功率的因素有很多，例如空氣密度P、葉輪轉(zhuǎn)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(jī)組持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，由于受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。

國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61400—21要求對(duì)閃變進(jìn)行測(cè)量的最終目的是評(píng)估風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響。衡量閃變的指標(biāo)有短時(shí)間閃變值和長(zhǎng)時(shí)間閃變值。短時(shí)間閃變值是反映短時(shí)間閃變強(qiáng)弱的量值；長(zhǎng)時(shí)間閃變值由短時(shí)間閃變值推出，是反映長(zhǎng)時(shí)間閃變強(qiáng)弱的量值。閃變測(cè)量分為持續(xù)運(yùn)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(jī)在最差條件下切換時(shí)的三種方式。

持續(xù)運(yùn)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(cè)量和計(jì)算得出的。

并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的公共連接點(diǎn)短路比越大，風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變?cè)叫。划?dāng)電路X／R比很小時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變很大，在線路阻抗角為60°～70°時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變最??；隨著年平均風(fēng)速的增加，閃變會(huì)有所增加。對(duì)所測(cè)量的四款風(fēng)電機(jī)組的閃變最大、最小值進(jìn)行比較，得到的數(shù)據(jù)如表1。

風(fēng)電機(jī)組切人有三種方式：切人風(fēng)速、額定風(fēng)速、大小發(fā)電機(jī)在最壞情況下切換。對(duì)四款風(fēng)電機(jī)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(jié)果如表2。通過(guò)對(duì)四型風(fēng)電機(jī)組閃變測(cè)量(閃變系數(shù)值、閃變階躍因子值、電壓階躍因子值)數(shù)值的比較，可以發(fā)現(xiàn)A型機(jī)組與其他風(fēng)電機(jī)組的性能有很大的差距，這些巨大的差異來(lái)源于A型風(fēng)電機(jī)組是定槳型風(fēng)電機(jī)組，而其他廠家的風(fēng)電機(jī)組均為變速恒頻型機(jī)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(jī)組，運(yùn)行中的閃變大小取決于機(jī)組選用葉片的氣動(dòng)特性以及機(jī)組的控制能力，在滿足電能指標(biāo)要求的情況下，并非閃變?cè)叫≡胶谩Ｈ绻麢C(jī)組單純以輸出電能穩(wěn)定為原則，那么在時(shí)變的風(fēng)況作用下，必然需要對(duì)變槳系統(tǒng)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(tǒng)的疲勞載荷，同時(shí)也可能導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍的加大。

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

2 諧波

傳統(tǒng)的定槳風(fēng)電機(jī)組采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接連接電網(wǎng)的方式，因而不被認(rèn)為是諧波源。變速恒頻機(jī)組不同程度地采用了大功率電力電子設(shè)備，對(duì)電力和信號(hào)傳輸都存在嚴(yán)重影響，所以進(jìn)行諧波測(cè)量是必需的。諧波測(cè)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(dāng)單次諧波電流值小于0.1％額電電流，時(shí)不必報(bào)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的參數(shù)，對(duì)于B、C、D型風(fēng)電機(jī)組的比較見表3。

圖1～圖3分別給出B、C、D所測(cè)量的各次諧波電流值。

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

3 展望

隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)與負(fù)荷構(gòu)成出現(xiàn)了新的變化趨勢(shì)，由此帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起電力部門和電力用戶的高度重視。因此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2008年8月對(duì)IEC61400—21標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了技術(shù)修訂，新增加了如下項(xiàng)目：

(1)間諧波和高次諧波電流的失真(9kHz)；

(2)電壓下降的反應(yīng)；

(3)有功斜率的限制和控制點(diǎn)的設(shè)置；

(4)無(wú)功容量和控制點(diǎn)的設(shè)置；

(5)電網(wǎng)保護(hù)和電網(wǎng)故障后重接時(shí)間。

以上新增加的測(cè)量項(xiàng)目對(duì)風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)有了更加嚴(yán)格的要求，在以后的測(cè)量和評(píng)估中，應(yīng)該盡可能地涉及到這些項(xiàng)目，只有這樣才能使風(fēng)電機(jī)組所提供的電能質(zhì)量最大限度地滿足電氣設(shè)備的正常工作，保證電能安全經(jīng)濟(jì)地輸送、分配和使用。

在測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)和修正中，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)必須更正，但是異常數(shù)據(jù)是否正確，這要視具體情況確定。例如：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》對(duì)于風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差這一參數(shù)沒(méi)做出合理的范圍規(guī)定，技術(shù)人員在遇到風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差為零的情況就沒(méi)有參考標(biāo)準(zhǔn)，而要根據(jù)具體情況和積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定數(shù)據(jù)的正確與否。

在利用《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》推薦的參數(shù)范圍對(duì)風(fēng)場(chǎng)所測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)同塔各高度層的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合自然規(guī)律對(duì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)認(rèn)真分析，從而判斷其合理性。對(duì)不在國(guó)標(biāo)推薦的合理范圍內(nèi)的異常數(shù)據(jù)，判斷時(shí)應(yīng)根據(jù)風(fēng)場(chǎng)地形、氣象條件、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況變化及周圍測(cè)風(fēng)塔的資料變化趨勢(shì)來(lái)綜合分析數(shù)據(jù)是否合理。