风电并网对电能质量的影响

风电并网对电能质量的影响石万清1,2，吴义纯1，冯黎1（1. 安徽电气工程职业技术学院安徽合肥 230022；2. 安徽大学安徽合肥 230022）摘要：风能属于绿色能源，风力发电技术日趋成熟，发电成本已得到大幅下降，已成为最具有规模化发展前景的新能源。

但风能存在随机性，大规模风电并网后对电力系统的安全稳定运行、电能质量等方面带来一定的影响。

本文从风电的特性出发，分析风电并网对电能质量带来的影响的原因，综述了有关风电引起的电压波动与闪变、谐波污染等方面的抑制方法和研究成果。

关键词：风力发电；电能质量；电压波动与闪变；谐波0 引言近些年来，风力发电技术迅猛发展，发电成本大幅下降，同时风力发电不消耗化石燃料、不排放温室气体、不会带来环境污染问题，风电已成为可再生能源中发展最快的、最具有规模和发展前景的一种发电方式。

风能因具有随机性、间歇性和不可调度性的缺点，随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，并网后对风电机组功率连续波动和本身产生电力脉动[1-2]给电力系统的电能质量带来负面影响，需要研究风电的特性[3]和评估其对电能质量的影响。

风力机输出功率随着风速随机变化，风电场注入电网的有功功率和吸收的无功功率也会有所改变，引起风电场母线及附近电网电压的波动；同时，风力发电机组并网和脱网、补偿电容器的投切等操作时对电网电压造成冲击。

另外，风电机组本身的一些固有特性也可能会引起电压波动和闪变超出国家有关标准，如风剪切、塔影效应、叶片重力偏差以及偏航误差等[4]。

电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一，电压波动和闪变通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、影响自动控制设备的正常工况、使白炽灯光发生闪烁等[5]。

风力发电机组本身配备的电力电子装置（如可控硅装置）可能带来谐波问题，势必造成谐波电流注入电网。

谐波会对电力网带来一定危害，如增加了电力网中发生谐振的可能；增加电气设备附加损耗；加速绝缘老化，缩短使用寿命；继电保护、自动装置不能正常动作；不能正确计量仪表；干扰通信系统。

如超过《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）的允许值，须装设滤波装置解决这个问题。

与闪变问题相比，在实际运行中风电并网带来的谐波问题不是很严重[6]。

本文从风电的特性出发，分析风电并网对电能质量带来的影响的原因，综述了有关风电引起的电压波动与闪变、谐波污染等方面的抑制方法和研究成果。

2 风电引起的电压偏差问题风力发电机组在其并网运行时需要从系统中吸收大量无功功率，所以风电场的电压往往很低，特别是当地方电力系统电压等级较低和系统容量较小时尤为严重，机端需要并联电容器，进行无功补偿。

通过模拟计算各种运行工况下的潮流，得出补偿电容器的容量[7]。

为了得到理想的补偿效果，大型并网风电机组可采用动态无功补偿装置[8]，机端电容器组可根据其输出的功率大小进行自动投切。

在负荷低谷和风电机组输出功率最大的情况下，电网电压会出现极大值，极有可能导致过电压而损坏设备。

文献[9]基于递推潮流计算方法研究位于边远地区风力发电机组的稳态运行。

如果按这种最严重情况采用决定性方法来设计风电场，会限制风电机组的发电容量，况且这种严重情况出现概率较低；同时，用于分析常规发电机组的确定性方法，往往忽视了风速及负荷预报的不确定性，为此采用概率性方法来考虑这个问题，可以更全面地分析和描述风电的随机性。

因而采用概率性方法考虑它，文献[10]在风速功率分布基础上，用概率的形式来描述约束条件，通过含风电场的电力系统概率潮流计算，可获得电压、功率等参数的概率期望值，通过计算电压出现过大或过小的概率来评估风电对电网运行的影响。

为了限制风电场母线稳态电压升高，可以根据实际情况采用一些措施，如：增强电网结构，减少并网线路的电抗；限制风电机组在配电网负荷低谷时出力，保证电压满足要求；通过负荷控制的方法来调节电压，如待充电蓄电池、水加热系统，以维持电压在允许的范围内，具有较好的实用性[11]。

3 风电引起的电压波动和闪变问题电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90％～110％)有规律或随即地变化，即称为电压波动。

闪变是由于电网电压的波动，所引起的灯光闪烁对人眼视觉产生刺激的响应。

它不仅和电压波动大小有关，而且和波动的频率(即对工频电压的调幅频率)、照明灯具的性能及人的视感因素有关。

电压波动和闪变是风力发电对电能质量的主要负面影响之一，电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、影响自动控制设备的正常工况、使白炽灯光发生闪烁等[5]。

从定性的角度来分析电压波动与闪变问题，采用潮流计算模型，忽略风力发电机组的动态特性。

图1为风电机组并网简化示意图，U为电网电压，R、X分别为风电场经变压器连接到电网回路的电阻和电抗，P和Q分别为风电场的发出有功功率和吸收无功功率。

图1 风电机组并网简化示意图一般而言，在作电压降的近似估算时，可以忽略电压降的横分量，即稳态电压降可用下面的公式近似表示：U QXPR U −=∆(1) 由公式(1)可以看出，当并网风电机组的输出功率波动时，电压损耗U∆也将发生变化，从而引起电网电压波动和闪变。

从式中不难发现，合适的 X/R 比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，使平均闪变值有所降低，表明电网线路的 X /R 比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。

为了测试工作方便和标准统一，国际电工委员会颁布了并网风电机组电能质量标准IEC61400-21。

IEC 61400-21的主要内容是并网风力发电机组功率质量特性测试与评价，包括：描述并网风电机组电能质量特征参数的定义、测定过程（额定值、最大容许功率、最大测量功率、无功功率、电压波动等）、功率质量评估（稳定状态电压、电压波动等）。

影响并网风力发电机组输出功率的波动因素很多，如风况、风力发电机组类型、控制系统、电网状况（短路容量、线路X/R比和负荷特性）。

在运行过程中的电压闪变是由功率波动引起的，而功率波动主要源于风速的变动、塔影效应影响和风力机机械特性等[12]；在切换操作过程中也产生闪变，典型的切换操作是风电机组的启动、停机和发电机切换，输出功率发生一定的变化，将导致公共连接点的电压变化，而电压变化将产生闪变，因此，即使是切换操作也必须考虑风电机组的网络设计[13]。

文献［13］分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换过程中产生的电压波动和闪变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。

文献[14] 采用两种模型研究电压闪变，简化模型忽略风电机组的动态特性，机组用有功、无功功率来表示，通过潮流计算，找出系统中哪些节点的电压闪变最严重；复杂模型采用动态仿真的方法，风电机组采用发电机详细的动态模型，考虑电力网络的静态和动态负荷来预测闪变程度。

文献[15]对风电并网引起的电压波动和闪变问题进行分析，在已知风电场输出电流的情况下，通过对含电网参数的风电机组动态建模，提出了用于计算全电网电压波动的“定幅值工频电流源等效法”，可用于估算风电场运行引起的电压波动。

能够比较方便地计算得到电网各节点的电压波动。

而且，该文献首次将时变动态相量理论引入到风电引起的电压波动计算中。

它所建立的时变动态相量模型，不但可以计算风电机组连续运行情况下的节点电压波动，而且还可以计算风电机组切换引起的电压暂态过程。

4 风电引起的谐波污染问题风力发电机组会带来谐波问题，谐波会对电力网带来一定危害，如增加了电网的供电损耗，干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，影响仪表正确计量，用电设备发热增加，影响其使用寿命。

严重时需要对谐波必须进行治理。

恒速风电机组在运行过程中没有产生谐波电流，但当其在投入时，往往采用软并网可控硅装置并网，势必造成谐波电流注入电网，由于投入过程较短，发生的次数也不多，谐波电流注入实际上是可以忽略的。

南澳风电场存在一定的谐波分量，最大谐波电流是5次谐波和7次谐波，南澳风电场容量已达汕头电网容量的70%，但注入汕头电网的谐波电流远远小于国标允许值，未对汕头电力系统的电能质量造成不良影响[16]。

变速恒频风电机组通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题[6]，文献[17]中借助先进的、经济可行的电力电子技术来提高风电并网后电能质量，可以使电压波动和畸变率最小化，符合电网电能质量的要求。

随着电力电子器件的不断改进，这个问题正在逐步得到解决。

与闪变问题相比，在实际运行中风电并网带来的谐波问题不是很严重。

在电力系统中，电压波型是中心对称的，基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过变压器的Δ绕组进行隔离。

而11、13次以上高次谐波由于其频率比较高，在线路传输过程中衰减比较快，在电网中所占的比重也不大。

往往5次谐波和7次谐波成分较多。

因此需根据每台机的谐波发生量，计算出公共接入点上的谐波电压畸变值和谐波电流注入值,如计算值超过允许值需要采取措施，通过装设滤波装置使注入电网的谐波电流降低到国标允许值内，滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。

无源滤波器是通过电容、电抗和电阻等元件串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，达到对该次谐波治理的目的。

这种滤波器结构简单，价格低廉，运行可靠。

在出力虽风速变化，谐波也是在变化的，谐波治理有一定难度，同时无源滤波器可能对某次谐波在某个条件下会起放大作用，效果会收到限制。

有源滤波器(APF)的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，使流入电源的总谐波电流为零。

这是谐波治理的发展方向。

随着科学技术的发展，功率电子元件的成本下降，这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。

有些情况下，采用APF和传统的滤波装置组合而成的混合型滤波器，由电容吸收高次谐波，而APF提高滤波性能，具有较好的性价比。

5 结束语风能属于清洁的可再生能源，因其随机波动性会对并网点附近电能质量带来一定影响，尤其是接入薄弱电网，需要通过计算分析后评估影响程度，分析风电并网对电能质量带来的影响的原因，必要时采取一定的措施抑制电压波动与闪变、谐波污染等，降低影响，促进风电事业的良性、健康发展。

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