电能质量体系评价(5)

2019-08-17 13:31

④各网公司(分部)及省公司有关规定。安全性评价规定;新能源发电场(厂)验收规定;调度运行规定等。

(4) 风电电能质量标准化

为了适应风电稳步发展和智能电网建设的要求,应从以下几个方面建立和完善集群风电电能质量标准。

1)风电电能质量术语,要按风电特点加以区分,如大规模集群风电、分布式风电等。

2)区分不同风电特点的电能质量限值、基本要求系列;包括电压偏差、频率偏差、谐波(包括间谐波)、三相电压平衡度、电压波动和闪变、电压暂升和暂降、短时和长时断电、暂时过电压和瞬态过电压等。

3)区分不同风电特点的监视、测量和评估方法系列标准。 4)区分不同风电特点的监视、测量和分析设备仪器系列标准。

5)区分不同风电特点的电能质量控制装置及应用导则系列标准。包括风电谐波治理、改善风电静动态电能质量特性的设备、 装置及其应用的标准,如 SVC(静止无功补偿装置)、PF(无源电力滤波兼无功补偿装置)、TSC(TSR)(晶闸管投切电容器或电抗器)、APF(有源电力滤波兼无功补偿装置)、SVG(静止无功发生器)等。

6)区分不同风电特点的电能质量管理的系列标准等。

标准制定过程中,还要特别考虑到大规模集群风电并网的特点,如直接接入输电网,就地无用电负荷,常规电源弱,单个接入变电站容量大等。[39]

2 关于风力发电引起电压波动和闪变的电能质量问题

(1) 机理分析

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。

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理。图1为风电机组并网示意图, 其中E为风电机组出口电压相量,V为电网电压相量,R1X1分别为线路电阻和电抗,Ia、Ir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。

????

由图1(b)可见, a I R &1 是造成电压降落的主要原因,R1Ia 与jX1Ia垂直,造成的电压降落可以忽略不计。由图 1(c)可见,jX1Ir是造成电压降落的主要原因,R1Ir与V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R1Ia和jX1Ir。当并网风 电机组的输出功率波动时, 有功电流和无功电流随之变化,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

P?1?CP(?,?)Av3 (1) 2???????式中P为功率;?为空气密度;A为叶片扫风面积;v为风速;CP为功率系数,表示风电机组利用风能的效率,它是叶尖速比?和桨距角?的函数,叶尖速比?定义为

???R/v (2)

式中?为叶轮转速,R为叶轮半径。

由式(1)可见,空气密度? 、叶轮转速?、桨距角?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? 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%。

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,接近塔筒时风速开始增加,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。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。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。

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。[40-44]

(2) 影响因素

影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多,如风况(平均风速和湍流强度等) 、风电机组类型、控制系统(桨距和速度控制等)和电网状况(风电机组公共连接点的短路容量、电网线路X/R 比和公共连接点所连接的负荷特性)等。

风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响很大,尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大, 风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时,恒速风电机组产生的电压波动和闪变继续增大, 而变速风电机组因为能够平滑输出功率的波动, 产生的电压波动和闪变却开始减小。 湍流强度对电压波动和闪变的影响较大,两者几乎成正比例增长关系。

并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大。 例如, 恒速风电机组对p和3p频率比较敏感,会产生较大的电压波动和闪变;但变速风电机组却可以减轻3p频率的影响, 变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组,几乎是恒速风电机组的1/4。

并网风电机组公共连接点短路比和电网线路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。风电机组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。合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功


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