风力发电引起的电压波动和闪变

系数 得到闪变系数的累积概率分布函数 P (c < x) 满 足 P(c < c(ϕ k , va )) = 0.99 的 c(ϕk , va )
为测量的最终结果
为了评估一台风电机组引起的电压波动 可以
根据下式计算短时间闪变值 Pst 和长时间闪变值 Plt
Pst
= Plt
=
c(ϕk
,
va
)
⋅
Sn Sk
ｉｎｎｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ Ｏｆ山ｅ ｖＯ】ｔａｇｅ ｎｕｃｔｕａ６０ｎ卸ｄ ｎｉｃｋｅｒ
ｇｅｎｅ嘶ｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ
ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ Ｆｉｎａｌｌｙ，Ⅱ忙
ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ趾ｄ ｍｅ ｋｅｙ ｐｒＯｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
(5)
式中 Sk 为风电机组公共连接点的短路容量 如果多台风电机组连在公共连接点 则可按
（ｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｎｕｃｔＩｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｉｅｋｅｒ ０ｃｃｌｌｒ ａｎｄ ａ付ｂｃｔ血。ｐｏｗｅｒ
ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ吐ｌｅ ｌｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｔａ】ｎｉｎｇ ｆｒｏｍ血。
ｎｕｃｔＩｌａｄｏｎ ｏｆ山ｅ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｎＪｒｂｍｅｓ，血ｅ ｍａｉｌｌ
ＶｏＬＴＡＧＥ ＦＬＵＣＴＵＡＴＩｏＮ ＡＮＤ ＦＬＩＣＫＥＲ ＣＡＵＳＥＤ ＢＹ ＷＩＮＤ ＰＯＷＥＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩｏＮ
ＳＵＮ １ｈ０１，Ⅵｆ＾ＮＧ Ｗｅｉ。ｓｈｅｎ９１，ＤＡＩ Ｈｕｉ—ｚｈｕｌ，ＹＡＮＧ Ｙｉ＿ｈａｎ２ （１．ｃｈｊｎａ Ｅｌｅｃ埘ｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｎｔｌｌｔｅ，Ｂ叫ｉｎｇ １０００８５，ｃｈｉｎａ；２．Ｄ印ａｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃ廿ｊｃ Ｐｏｗｅｒ
64
Power System Technology
Vol. 27 No. 12
机组 且风电机组的额定容量可以是任意的 IEC 61400-21 的主要内容包括 描述并网风
电机组电能质量特征参数的定义或说明 电能质 量特征参数的测量过程 这些电能质量特征参数 是否满足电网要求的评估方法 IEC 61400-21 定 义的并网风电机组电能质量特征参数包括风电机 组额定参数 最大允许功率 最大测量功率 无 功功率 电压波动和谐波等 其中电压波动测量 和评估是 IEC 61400-21 的重点
五＝勰，ｖ
ｆ２１
式中国为叶轮转速，月为叶轮半径。 由式（１）可见，空气密度ｐ、叶轮转速脚、桨
距角卢和风速ｖ的变化都将对风电机组的输出功
率产生影响。风速ｖ的变化是由自然条件决定的， 随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正 比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输 出功率将随之快速变化。叶轮转速∞和桨距角口
的变化由风电机组类型和控制系统决定，先进的 控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。
此外，在并网风电机组持续运行过程中，由 于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响， 风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不 稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的 波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。 常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔 筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动 频度为３Ｐ（ｐ为叶轮旋转频率）时，最大波动幅 度约为转矩平均值的２０％ｆ５１。
考虑到电网中其他波动负荷可能在风电机组 公共连接点引起明显的电压波动 且风电机组引 起的电压波动依赖于电网特性 因此 为了在风 电机组公共连接点获得不受电网条件影响的测试 结果 IEC 61400-21 采用了一个无其他电压波源 的虚拟电网来模拟风电机组输出的电压 虚拟电 网的单相电路如图 2 所示
本文从并网风电机组输出的功率波动着手， 分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原 因，并介绍了关于并网风电机组电能质量的国际 电工标准ＩＥｃ ６１４００．２１【３】，总结了风力发电引起的 电压波动和闪变的计算方法和影响因素，最后对 未来的研究方向和研究重点进行了展望。
２机理分析
风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是 并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网 风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机
３国际电工标准ｌＥＣ ６１４００—２１
３．１风电机组输出电压 国际电工标准正ｃ ６１４００一２ｌ是关于并网风电
机组电能质量测量与评估的标准，旨在为并网风 电机组电能质量测量与评估提供一个统一的方 法，以确保其一致性和正确性。ＩＥｃ ６１４００．２１提 供的测量过程适用于任何与电网三相连接的风电
万方数据
塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻 碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。 远离塔筒时风速是恒定的，接近塔简时风速开始 增加，而更接近时风速开始下降。塔影效应对下 风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以 用频率为３ｐ倍数的傅立叶级数表示嘲。由于叶片 扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切同样会 引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毂为极 点的极坐标下的二项式级数表示睁”。从风轮的角 度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频 率为３ｐ的倍数。
ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｎｇｅ ｗｈｉｃｈ ０ｃｃｕｒｓ ｄｕ五ｎｇ ｍｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒ撕ｏｎ 蛐ｄ ｍｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ一０ｐｄｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｒｅ ｇｉＶｅｎ Ｔｈｅ
ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎ乜ｉｎ ｔｈｅ ｃａＩｃｕｌａ６０ｎⅡｌｅｍｏｄｓ ａｎｄ血ｅ
ufic
(t)
=
u0 (t) +
Rfic
⋅ im (t)
+
Lfic
⋅
dim (t) dt
(3)
3.2 持续运行过程
评估持续运行过程中的电压波动时必须涵盖
不同的电网阻抗角ϕk 和风速分布情况 其中风速 分布按不同年平均风速 va 的瑞利分布[9]来考虑 以不同情况下的电压 电流测量数据作为虚拟电
网的输入量 计算出风电机组的输出电压ufic (t)
电压波动为一系列电压变动或工频电压包络 线的周期性变化。闪变是人对灯光照度波动的主 观视感。人对照度波动的最大觉察频率范围为 ０ ０５～３５Ｈｚ，其中闪变敏感的频率范围约为 ６～１２Ｈｚ…。衡量闪变的指标有短时间闪变值Ｐ。和 长时间闪变值只，。短时间闪变值是衡量短时间（若 干分钟）内闪变强弱的一个统计量值。短时间闪 变值的计算不仅要考虑电压波动造成的白炽灯照 度变化，还要考虑到人的眼和脑对白炽灯照度波 动的视感。长时间闪变值由短时间闪变值推出， 反映长时间（若干小时）闪变强弱的量值。
６Ｊｍｒｅ ａＩ℃ｖｉｅｗｅｄ．
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ：ｍｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｄｏｎ；Ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ；
ｖｏｌｔａｇｅ ｎｕｃｎＪ撕ｏｎ；Ｈｉｃｋｅｒ
摘要：并网风电机组在持续运行和切换操作过程中部会产 生电压波动和闪变，对当地电网的电能质量有不良影响。 从并网风电机组输出的功率波动出发，分析了风力发电引 起电压波动和闪变的主要原因。介绍了关于并网风电机组 电能质量的国际电工标准ＩＥｃ ６１４００．２ｌ，给出了风电机组 在持续运行与切换操作期间引起的闪变值和相对电压变动 的计算公式。然后综述了有关风力发电引起的电压波动和 闪变的计算方法和影响因素等方面的研究成果，最后展望 了未来的研究方向和研究重点。
ｒｅａｓｏｎｓ ｃ卸ｓｉｎｇ ｎｌｅ ｖ０１ｔａｇｅ ｎｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｉｃｋｅｒ ｂｙ ｗｉｎｄ
ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｍｄｏｎ∽∞ａＩｙｚｅｄ，ｍｅｎ山ｅ ＩＥｃ Ｓｃ扭ｄａｒｄ ６１４００—
２１ ｆｏｒ ｍｅ ｐｏｗｅ‘ｑｕａｌｉｔｙ ０ｆ ｇｒｉｄ—ｃｏ曲ｅｃｔｅｄ ｗｉｎｄ ｔＩｌｒｂｉｎｅｓ ｉｓ ｉⅡ日ｏｄｕｃｅｄ Ｔｈｅ ｃａ】ｃｕｌａｂｏｎ ｆｏ加ｕ】ａｅ ｆｏｒ玎ｊｃｋｅｒ ａｎｄ ｒｅｌａｂｖｅ
由图１（ｂ）可见，蜀Ｌ是造成电压降落的主要 原因，弘。ｊ。与ｙ垂直，造成的电压降落可以忽略
不计。由图１（ｃ）可见，ｊｘ，，，是造成电压降落的主 要原因，Ｒ，，与ｙ垂直，造成的电压降落可
以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会造成
明显的电压降落，分别为Ｒ。ｊ。和ｊｘ。Ｊ，。当并网风
电机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流
关键词：风力发电：电能质量；电压波动；闪变
１ 引言
随着越来越多的风电机组并网运行，风力发 电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资 源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电
万方数据
机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能 质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。 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。电压波动的危害表现在照明灯 光闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均 匀和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正 常工况等【１·２】。
根据国际电工标准 IEC 61000-4-15[10]提供的闪变
值算法 由 ufic (t) 计算短时间闪变值 Pst,fic 然后
由下式计算闪变系数 c(ϕk )
式中
c(ϕk )
=
Pst,fic
⋅
Sk,fic Sn
Sk,fic 为虚拟电网的短路容量
(4) Sn 为风电机
组的额定视在功率
根据服从瑞利分布的风速和计算得出的闪变
随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。
影响风电机组输出功率的因素很多，其中风
速的自然变化是主要因素。风电机组的机械功率
可以表示为
、
１
பைடு நூலகம்
尸＝÷ｐｑ（五，∥）』４沪
（１）
‘
式中 Ｐ为功率；ｐ为空气密度；Ａ为叶片扫风
面积；ｖ为风速；Ｃ为功率系数，表示风电机组
利用风能的效率，它是叶尖速比丑和桨距角∥的
函数，叶尖速比五定义为
第２７卷第１２期 ２００３年１２月
文章编号：１０００－３６７３（２００３）１２—００６２—０５
电网技术
Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ
中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ
Ｖ０１ ２７Ｎｏ １２ Ｄｅｃ ２００３
风力发电引起的电压波动和闪变
孙涛１，王伟胜１ 戴慧珠１，杨以涵２
（１．中国电力科学研究院，北京１０００８５；２ 华北电力大学电力工程系，北京１０２２０６）
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｏｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ｕｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅ巧ｉ“ｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣ Ｔ．Ｄｌｌｒｉ“ｇⅡｌｅ ｃｏ“ｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｂｏｎ ａｎｄ廿ｌｏ
ｓ、ｖｌｔｃｈｉｎｇ—ｏｐｎｏｎ ｏｆｗｉｎｄ ｔｕｒｂｌｎｅｓ ｃｏＩｌＩｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｍｏ ｐｏｗｅｒ ｇｄｄ，
理帆
图１为风电机组并网示意图，其中Ｅ为风电
第２７卷第１２期
电网技术
机组出口电压相量，矿为电网电压相量，Ｒ，、ｘ。 分别为线路电阻和电抗，？。、ｊ，分别为线路上流 动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功 电流要远大于无功电流。
墓对
Ｆｉｇ １
（ｃ）无功电流引起的电压降落
图ｌ风电机组并网示意图
ｓｋｅｔｃｌｌ ０ｆ鲫ｄ ｃ咖ｅｃ廿蚰ｏｆ稍ｎｄ ｔｌＩｒｂｉｎ髂
+
Rfic
u0(t) _
Lfic +
ufic(t) _
im(t)
图 2 模拟风电机组输出电压的虚拟电网单相电路 Fig. 2 Single phase diagram of fictitious grid for
simulation of fictitious voltage
图 2 中的虚拟电网由一个理想的相对地电压 源 u0 (t) 线路电阻 Rfic 和电感 Lfic 组成 u0 (t) 的 幅值等于电网相电压的标称值 相角等于风电机 组输出电压基波分量的相角 线路阻抗角等于电 网阻抗角 im (t) 为风电机组输出电流的测量值 ufic (t) 为计算出的风电机组的瞬时电压 ufic (t) 可 以表示为
除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动 外，在风电机组输出功率中还可检测到频率为ｐ 的波动分量，其出现的主要原因可能是叶片结构 或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率 的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横 向摆动引起的。
并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电 压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换 过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操 作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中 发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机 的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进 一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波 动和闪变。