并网风电机组输出电能闪变和谐波指标的比较与分析

0 引言

随着我国风力发电的快速发展和局部地区风电并网发电量的增加，风电机组输出电能的品质越来越受到关注。在风电场的实际运行中，已经出现了因风电电能质量问题对局部电网产生不良影响的情况，因而有必要对此类问题进行分析和研究。

为了保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电系统的运行应具备以下基本特性：

(1)以单一恒定的电网标称频率、规定的电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电，并且这些参数不受用电负荷特性的影响；

(2)始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡；

(3)电能供应充足。

国际电工标准IEC61400—21(该标准第一版出版于2001年12月，2008年8月进行了修订)对并网风电机组的有功、无功、谐波和闪变等电网特性的测试都做了细致的说明。但就我国目前风电场运行情况来看，由于风电机组远程控制的通讯标准不统一，风电场的有功和无功功率输出还不能实现自动化调度，因而现阶段行业内更关心的是风电机组长期运行中输出电能的谐波和闪变，以及机组的低电压穿越能力和对三相电压不平衡的适应能力。

本文中对四款风电机组的电能测试报告进行比较和分析，为便于表述，规定其中A为750kW定桨失速型机组，B为2MW变速恒频全馈机组，C为2．5MW变速恒频双馈机组，D为运达(WD77—1500A／1500kW)变速恒频双馈机组，以下分别对四款机组输出电能的闪变和谐波进行比较和分析。

l 闪变

并网风电机组引起的电压波动和闪变的根本原因是其输出功率的波动。影响风电机组输出功率的因素有很多，例如空气密度P、叶轮转速∞、桨距角β和风速v的变化，其中风速的自然变化是主要因素。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过程中会产生转矩不稳定，而转矩不稳定将造成风电机组输出功率的波动。

国际电工标准IEC61400—21要求对闪变进行测量的最终目的是评估风电机组对电网的影响。衡量闪变的指标有短时间闪变值和长时间闪变值。短时间闪变值是反映短时间闪变强弱的量值；长时间闪变值由短时间闪变值推出，是反映长时间闪变强弱的量值。闪变测量分为持续运行和切入过程时两种情况，切入过程又可分为在切入风速时、在额定风速时和大小发电机在最差条件下切换时的三种方式。

持续运行时，闪变是按照IEC61400—21的要求分别在不同的电网阻抗角(=30°、50°、70°、85°)和不同的年平均风速(V：6.0m／s、7.5m／s、8.5m／s、10.0rn／s)测量和计算得出的。

并网风电机组的公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小；当电路X／R比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大，在线路阻抗角为60°～70°时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小；随着年平均风速的增加，闪变会有所增加。对所测量的四款风电机组的闪变最大、最小值进行比较，得到的数据如表1。

风电机组切人有三种方式：切人风速、额定风速、大小发电机在最坏情况下切换。对四款风电机组给出最大、最小闪变阶跃因子和电压变化因子进行比较，比较结果如表2。通过对四型风电机组闪变测量(闪变系数值、闪变阶跃因子值、电压阶跃因子值)数值的比较，可以发现A型机组与其他风电机组的性能有很大的差距，这些巨大的差异来源于A型风电机组是定桨型风电机组，而其他厂家的风电机组均为变速恒频型机组，它们的功率控制方式和并网的方式都有很大差异。

同样是变速恒频机组，运行中的闪变大小取决于机组选用叶片的气动特性以及机组的控制能力，在满足电能指标要求的情况下，并非闪变越小越好。如果机组单纯以输出电能稳定为原则，那么在时变的风况作用下，必然需要对变桨系统和变频器进行更为频繁的控制，这会大幅度地增加传动系统的疲劳载荷，同时也可能导致传动系统转速波动范围的加大。

对于切入过程中的闪变指标，B型风电机组优于其他变速恒频机组，可见全功率变换的能量传递方式使机组在并网过程中，功率变化更为平稳。

2 谐波

传统的定桨风电机组采用感应发电机直接连接电网的方式，因而不被认为是谐波源。变速恒频机组不同程度地采用了大功率电力电子设备，对电力和信号传输都存在严重影响，所以进行谐波测量是必需的。谐波测量给出了每一次谐波电流10min平均值中的最大值以及在此期间的有功功率值，当单次谐波电流值小于0.1％额电电流，时不必报告，总的最大谐波电流总畸变率(谐波电流占额定电流的百分比，％)是一个衡量谐波大小比较重要而直观的参数，对于B、C、D型风电机组的比较见表3。

图1～图3分别给出B、C、D所测量的各次谐波电流值。

从上述比较可见，全馈或双馈并非对风电机组输出谐波指标有决定性的影响，比之更加重要的是机组选用的变流器与发电机的特性。和闪变指标不同，在任何情况下谐波都应被降低到最低限度，因为谐波除了使电能的产生、传输和利用的效率降低，对通信产生干扰外，对传动系统的振动也有很大的不利影响。

3 展望

随着风电事业的发展，现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。因此，国际电工委员会(IEC)于2008年8月对IEC61400—21标准进行了技术修订，新增加了如下项目：

(1)间谐波和高次谐波电流的失真(9kHz)；

(2)电压下降的反应；

(3)有功斜率的限制和控制点的设置；

(4)无功容量和控制点的设置；

(5)电网保护和电网故障后重接时间。

以上新增加的测量项目对风电机组并入电网有了更加严格的要求，在以后的测量和评估中，应该尽可能地涉及到这些项目，只有这样才能使风电机组所提供的电能质量最大限度地满足电气设备的正常工作，保证电能安全经济地输送、分配和使用。

在测风数据插补和修正中，错误数据必须更正，但是异常数据是否正确，这要视具体情况确定。例如：国家标准《风电场风能资源评估方法》对于风速标准偏差这一参数没做出合理的范围规定，技术人员在遇到风速标准偏差为零的情况就没有参考标准，而要根据具体情况和积累的经验来确定数据的正确与否。

在利用《风电场风能资源评估方法》推荐的参数范围对风场所测原始数据进行检验的过程中，应根据同塔各高度层的数据特点，结合自然规律对符合国家标准的数据认真分析，从而判断其合理性。对不在国标推荐的合理范围内的异常数据，判断时应根据风场地形、气象条件、风场风况变化及周围测风塔的资料变化趋势来综合分析数据是否合理。