风电场功率调节能力和电能质量测试及分析

张明江，师广志，任 强

(黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150030)

风电的大规模接入对区域电网的调峰能力、电压控制特性及电能质量提出较大挑战，电能质量的低劣导致风电场无法正常运行的事件屡有发生［1－3］。而且，当电网发生故障造成并网点电压跌落时，风电机组会自动脱网，造成电网电压和频率的崩溃，严重影响电网的安全稳定运行，也限制了风力发电清洁能源的应用。因此，为了保障电网的安全稳定运行，本文以黑龙江省某风电场为例，对风电场有功功率变化、无功功率调节能力和电能质量进行了测试，并对测试结果进行了分析。

1 风电场介绍

风电场位于黑龙江省东南部，所处区域属寒温带大陆季节风气候，风资源较好。总装机容量为99．6 MW，共安装54台电机容量为 1．8 MW 和

2 MW的丹麦维斯塔斯V90型风电机组，配套建设一座220 kV升压站，接入系统变电所并网。在风电场的35 kV侧安装有额定容量为12 MVA的滤波电容器和额定容量为6 MVA的SVG，主接线示意图如图1所示。测试期间，滤波电容器因故障退出运行，SVG正常运行，风机全部正常运行。

图1 风电场主接线示意图

表1 风电场正常运行时有功功率0．2 s平均值 kW

2 测试分析

测试地点为风电场升压站220 kV出线，测试仪器为奥地利公司DEWE5000数据采集仪。测试内容包括:风电场有功功率变化测试、风电场无功功率调节能力测试和风电场电能质量测试。测试期间风速变化和有功功率变化如图2和图3所示。

图2 测试期间风电场风速变化

图3 测试期间风电场三相总有功率变化

2．1 有功功率变化测试

2．1．1 风电场正常运行工况

1)有功功率0．2 s平均值。风电场连续运行时，在风电场并网点采集三相电压和三相电流，采样频率不低于800 Hz。输出功率从0至额定功率的100%，以10%的额定功率为区间，每个功率区间、每相至少应采集风电场并网点5个10 min时间序列瞬时电压和瞬时电流值的测量值;通过计算得到所有功率区间的风电场有功功率的0．2 s平均值。风电场正常运行时有功功率0．2 s平均值测试结果如表1所示。

2)1 min和10 min有功功率变化。以测试开始为零时刻，计算零时刻至60 s时间段内风电场输出功率最大值和最小值，两者之差为1 min有功功率变化;同样计算0．2 s至60．2 s时间段内风电场输出功率最大值和最小值，得出1 min有功功率变化，依此类推，计算出1 min有功功率变化，测试结果如表2所示。10 min有功功率变化的计算方法与1 min有功功率变化的计算方法相同，测试结果如表3所示。

由表2和表3可以看出，风电场正常运行情况下，1 min和10 min有功功率变化满足标准［4］要求。

2．1．2 风电场并网工况

当风电场的输出功率达到或超过额定容量的75%时，切除全部运行风电机组;之后风电场重新并网，此时为测试开始零时刻，用与正常工况相同的方法计算出1 min和10 min的有功功率变化，测试结果如表4所示。风电场并网时有功功率曲线如图4所示。

表2 正常运行情况下风电场1 min有功功率变化MW

表3 正常运行情况下风电场10 min有功功率变化MW

表4 风电场并网情况下1 min和10 min有功功率变化 MW

图4 风电场并网时有功功率曲线

2．1．3 风电场正常停机工况

当风电场的输出功率达到或超过风电场额定容量的75%时，切除全部运行风电机组，此时为测试开始零时刻，用与正常工况相同的方法计算出1 min和10 min的有功功率变化，测试结果如表5所示。风电场正常停机时有功功率曲线如图5所示。

2．2 风电场无功功率调节能力测试

设置风电场按照并网点电压恒定方式运行，在风电场并网点采集三相电压和三相电流，采样频率不小于800 Hz。输出功率从0至额定功率的80%，以额定功率的10%为区间，每个区间至少收集10个1 min有功功率和无功功率数据系列。计算风电场输出有功功率和无功功率，其有功功率和无功功率为1 min平均值，测试结果如表6所示。风电场的无功功率、有功功率相对于并网点电压的变化曲线如图6－图13所示。

表5 风电场正常停机情况下1 min有功功率变化MW

图5 风电场正常停机时有功功率曲线

表6 有功功率和无功功率的1 min平均值

图6 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(0～10%)

图7 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(10%～20%)

图8 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(20%～30%)

图9 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(30%～40%)

图10 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(40%～50%)

图11 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(50%～60%)

图12 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(60%～70%)

图13 风电场无功功率和有功功率相对于并网点电压的变化曲线(70%～80%)

由文献［5］可知，当公共电网电压处于正常范围内时，风电场应当能够控制风电场并网点电压在额定电压的97%～107%。即对于220 kV电压等级，风电场应当能够控制风电场并网点电压在213．4～235．4 kV。

由图6～图13可以看出，风电场正常运行情况下，在0～80%的有功功率范围内，均可以保证并网点电压在标准允许范围内。

2．3 风电场电能质量测试

2．3．1 谐波测试

1)背景谐波测试。风电场内的风电机组全部停机时，测试背景电压总谐波畸变率、各次谐波电压和间谐波电压，测试周期为24 h，测试结果如表7所示。

表7 背景主要谐波电压和间谐波电压

2)正常运行谐波测试。风电场正常运行时，测试谐波电流、电压总谐波畸变率、各次谐波电压和间谐波电压，测试结果如表8和表9所示。

表8 正常运行时各次谐波电压和间谐波电压

由表8和表9可以看出，风电场正常运行情况下，所产生的5、7、11和13次谐波电流超出国家标准［6］规定的允许值要求，间谐波电压满足国标［7］限值要求。

表9 正常运行时各次谐波电流

2．3．2 闪变测试

1)背景闪变测试。风电场内的风电机组全部停机时，测试背景长时间闪变值Plt0，测试周期为24 h，测试结果如表10所示。

表10 背景长时间闪变值Plt0

2)正常运行闪变测试。风电场正常运行时，测试长时间闪变值Plt1，测试结果如表11所示。

表11 正常运行时长时间闪变值Plt1

根据文献［4，8］的规定，波动负荷单独引起的长时间闪变值为

式中:Plt2为波动负荷单独引起的长时间闪变值;Plt1为波动负荷投入时的长时间闪变测量值;Plt0为背景闪变值，是波动负荷退出时一段时期内的长时间闪变测量值。测试结果如表12所示。

表12 风电场单独引起的长时间闪变值Plt2

由表12可以看出，正常运行情况下，风电场单独引起的长时间闪变值满足国家标准［8］规定限值要求。

3 结束语

通过对风电场的测试，掌握了风电场的有功功率特性、无功调节能力和电能质量等参数，同时，在测试中发现谐波电流超标，因此，建议将滤波电容器检修后尽快投入运行或改变SVG的控制策略，使其具有有源滤波的功能，务必使电能质量合格，保证电网的安全稳定运行。

［1］张鹏，赵喜，尹柏清，等．大规模运行风机脱网事故调查分析［J］．内蒙古电力技术，2010，28(2):1－4．

［2］马昕霞，宋明中，李永光．风力发电并网技术及其对电能质量的影响［J］．上海电力学院学报，2006，22(3):283－286．

［3］顾力，曹文，奚永巍，等．对风力发电机组并网的电能质量监测评估［J］．供用电，2011，28(1):71－72．

［4］国家电网公司标准 Q/GDW 630－2011风电场功率调节能力和电能质量测试规程［S］．

［5］国家电网公司标准 Q/GDW 392－2009风电场接入电网技术规定［S］．

［6］国家标准 GB/T 14549－1993电能质量．公用电网谐波［S］．

［7］国家标准 GB/T 24337－2009电能质量．公用电网间谐波［S］．

［8］国家标准 GB/T 12326－2008电能质量．电压波动和闪变［S］．