陳慧杰,常 瀟,李勝文
(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司,山西 忻州 034000;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
典型風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)方法
陳慧杰1,常 瀟2,李勝文2
(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司,山西 忻州 034000;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
選取典型雙饋型風(fēng)電場(chǎng),闡述了各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的全面檢測(cè)方法,在分析傳統(tǒng)電能質(zhì)量測(cè)試項(xiàng)目及方法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于不同功率區(qū)間的并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試方法。結(jié)合望狐風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果,對(duì)提出的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,證明了該方法能夠全面、準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量水平。
電能質(zhì)量;分功率區(qū)間;測(cè)試;風(fēng)電場(chǎng)
近年來(lái),風(fēng)電在中國(guó)發(fā)展迅猛,2014年風(fēng)電累計(jì)總裝機(jī)容量超過(guò)114.609 MW,位居世界風(fēng)電裝機(jī)容量第一。預(yù)計(jì)到2020年,中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到200 GW[1]。隨著風(fēng)電的大規(guī)模接入,電網(wǎng)的調(diào)峰能力、電壓控制以及電能質(zhì)量等都面臨著巨大的挑戰(zhàn),電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法正常運(yùn)行的事件屢有發(fā)生[2]。目前,在風(fēng)電行業(yè)發(fā)展中仍然存在著整體質(zhì)量偏低、運(yùn)行管理缺乏經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范、大規(guī)模脫網(wǎng)事件頻發(fā)等問(wèn)題[3]。國(guó)內(nèi)外在風(fēng)電預(yù)測(cè)、接入、消納能力,以及風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)無(wú)功和經(jīng)濟(jì)性的影響等方面取得了較多研究成果[4-6],然而在風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響方面,尤其是針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量測(cè)試方法,仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),進(jìn)而開(kāi)展更深層次的討論和研究[7-9]。
從20世紀(jì)90年代起,我國(guó)就陸續(xù)推出了一系列電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),分別從電網(wǎng)頻率、電壓偏差、三相不平衡度、諧波、閃變等方面的具體指標(biāo)作了詳細(xì)的界定。
1.1 電網(wǎng)頻率
依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10],電網(wǎng)頻率的測(cè)量以1 s、3 s或10 s間隔內(nèi)檢測(cè)到的整數(shù)周期個(gè)數(shù)與所測(cè)整數(shù)周期累計(jì)時(shí)間之比作為電網(wǎng)基波頻率,其中與1 s、3 s或10 s時(shí)鐘重疊的單個(gè)周期應(yīng)舍棄。測(cè)量時(shí)間間隔不能重疊,每1 s、3 s或10 s間隔應(yīng)在1 s、3 s或10 s時(shí)鐘開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)。
1.2 諧波
諧波指周期性變化的交流量中含有頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量,該分量通常通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解得到。衡量諧波的主要指標(biāo)為總諧波畸變率THD(total harmonic distortion),以電壓為例,其THD可表達(dá)為[11]
式中:U1——基波電壓(方均根值);
UH——電壓諧波含量,,
Uh——第h次諧波電壓(方均根值)。
1.3 三相不平衡度
電壓的不平衡指的是三相電壓的幅值不同,或相位差不是120°,亦或兼而有之。三相不平衡度是表征電力系統(tǒng)中三相不平衡程度的指標(biāo),通過(guò)電壓、電流的負(fù)序或零序基波分量與正序基波分量的方均根值的百分比來(lái)表示[12]。任意一組不對(duì)稱(chēng)的三相相量(電壓或電流)A、B、C可分解為3組對(duì)稱(chēng)分量A0、A1和A2的組合,其中
其中a為相角旋轉(zhuǎn)120°的算子,a=ej120°。
相對(duì)應(yīng)的不平衡度表達(dá)式為
不平衡度測(cè)量要求記錄周期為3 s,3 s內(nèi)均勻間隔取值,取值次數(shù)大于等于6次,每次測(cè)量取10個(gè)周波為間隔計(jì)算三相不平衡度[12]
式中:εk——3 s內(nèi)第k次測(cè)得的不平衡度;
m——3 s內(nèi)均勻間隔取值次數(shù)。
1.4 閃變
閃變是指人對(duì)白熾燈照明度波動(dòng)的主觀視感,由于一般用電設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度遠(yuǎn)低于白熾燈,因此,將電壓的波動(dòng)情況轉(zhuǎn)化為閃變值,將其作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。閃變的測(cè)量以連續(xù)的電壓信號(hào)作為輸入量,經(jīng)過(guò)一系列數(shù)學(xué)變換,包括平方解調(diào)、0.05~35 Hz帶通濾波、8.8 Hz中心頻率加權(quán)濾波、平方,時(shí)間常數(shù)為300 ms的低通濾波,最終得出瞬時(shí)閃變視感度函數(shù)S(t)。該信號(hào)可以認(rèn)為是將不同頻率的信號(hào)折算到8.8 Hz后的值,可以直接反映電壓波動(dòng)引起燈光閃爍對(duì)人視覺(jué)的影響。通過(guò)累計(jì)概率函數(shù)CPF(cumulative probability function) 的方法對(duì)S(t)進(jìn)行分析,繪制出該段S(t)的CPF曲線,其短時(shí)間閃變值可由以下公式計(jì)算[13]
其中K0.1=0.031 4;K1=0.052 5;K3=0.065 7;K10=0.28; K50=0.080;P0.1、P1、P3、P10、P50為CPF曲線上等于0.1%、1%、3%、10%和50%時(shí)間的S(t)值。
長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt的計(jì)算通過(guò)將測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的短時(shí)間閃變值Pst計(jì)算,公式如下
式中:Pstj——2 h內(nèi)第j各短時(shí)閃變值。
1.5 電壓偏差
電壓偏差是指以系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓為基準(zhǔn),實(shí)際運(yùn)行電壓與基準(zhǔn)值的偏差相對(duì)值,通過(guò)百分?jǐn)?shù)形式表示。電壓偏差的測(cè)量要求,電壓有效值的測(cè)量時(shí)間窗口應(yīng)為10個(gè)周波;同時(shí),每個(gè)測(cè)量時(shí)間窗口應(yīng)接近相鄰的測(cè)量時(shí)間窗口且不重疊,通過(guò)連續(xù)測(cè)量并計(jì)算電壓有效值的平均值,最終得出電壓偏差值,計(jì)算公式如下[14]
式中:DU——電壓偏差;
VM——電壓測(cè)量值;
VS——系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓。
風(fēng)力發(fā)電是國(guó)家政策鼓勵(lì)和技術(shù)較為成熟的可再生清潔能源,發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。為促進(jìn)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)管理,提高大規(guī)模風(fēng)電接入下電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平,根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T 19963—2011)、《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》 (Q/GDW 392—2009)、《風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量測(cè)試規(guī)程》 (Q/GDW 630—2011),對(duì)通過(guò)110(66 kV)及以上電壓等級(jí)線路與電網(wǎng)連接的新建或擴(kuò)建風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試。
2.1 測(cè)試方法及測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法
測(cè)點(diǎn)選擇:一般為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)。
測(cè)試信號(hào):三相相電壓、三相電流。
測(cè)試過(guò)程為以下幾方面。
a)風(fēng)電場(chǎng)背景電能質(zhì)量測(cè)試。背景電能質(zhì)量測(cè)試期間,風(fēng)電場(chǎng)各集電線路、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置均停止運(yùn)行,測(cè)試時(shí)間至少24 h。
b)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試。并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試期間,風(fēng)電場(chǎng)各集電線路、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置均正常運(yùn)行,測(cè)試時(shí)間至少24 h。
c)不同功率區(qū)間并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試。風(fēng)電場(chǎng)功率區(qū)間由風(fēng)電場(chǎng)額定容量的80%降到0%(亦可由0%上升至80%),以10%~20%的步長(zhǎng),每個(gè)區(qū)間持續(xù)時(shí)間1 h,針對(duì)每一區(qū)間,分別分析對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量(長(zhǎng)時(shí)閃變除外)。
數(shù)據(jù)記錄:測(cè)量數(shù)據(jù)依照電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中,諧波數(shù)據(jù),以測(cè)量時(shí)段內(nèi)三相實(shí)測(cè)量值的95%概率值中的最大值相作為判斷諧波是否超過(guò)允許值的依據(jù)。95%概率值的選取,通過(guò)將實(shí)測(cè)值由大到小次序排列,舍棄排在前5%的大值,取剩余數(shù)值中的最大值作為該測(cè)試點(diǎn)測(cè)量值。
2.2 限值要求
對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的要求限值,參考了國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的要求限值;另外,對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)供電區(qū)域內(nèi)存在對(duì)電能質(zhì)量有特殊要求的重要用戶,風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量則按實(shí)際情況相應(yīng)提高。
2.2.1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值
公用電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。
表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值
2.2.2 電壓不平衡度限值
電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)小于2%,短時(shí)不得大于4%。
對(duì)于接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶,其對(duì)該公共點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度影響允許值一般為1.3%,短時(shí)不超過(guò)2.6%。
2.2.3 電壓偏差限值
對(duì)于35 kV及以上供電電壓等級(jí),正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和應(yīng)小于額定電壓的10%。
風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓參照35 kV及以上供電電壓偏差限值執(zhí)行,正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱(chēng)電壓的10%;同時(shí),正常運(yùn)行方式下,其電壓下、上偏差應(yīng)在標(biāo)稱(chēng)電壓的-3%~+7%范圍內(nèi)。
另外,電壓偏差限值也可由調(diào)度部門(mén)和風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)企業(yè),根據(jù)電網(wǎng)特點(diǎn)、風(fēng)電場(chǎng)位置及規(guī)模等因素共同確定。
2.2.4 頻率偏差限值
我國(guó)電力系統(tǒng)一般要求正常頻率偏差允許值為±0.2 Hz;當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí),頻率偏差允許值可以放寬到±0.5 Hz;孤立電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),可根據(jù)系統(tǒng)條件在保證發(fā)電機(jī)組和網(wǎng)內(nèi)電力用戶安全穩(wěn)定運(yùn)行及正常供電前提下,可適當(dāng)放寬頻率偏差限值。
2.2.5 電壓閃變限值
長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt的限值根據(jù)電壓等級(jí)劃分,對(duì)于電壓等級(jí)小于110 kV的系統(tǒng),其Plt應(yīng)不大于0.8;對(duì)于電壓等級(jí)大于或等于110 kV的系統(tǒng),其Plt應(yīng)不大于1。
以望狐風(fēng)電場(chǎng)為例,目前建設(shè)有24臺(tái)單機(jī)容量為2MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,總?cè)萘繛?9.5 MW。主變壓器容量為100 MVA,25臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)2回集電線路接入升壓站35 kV母線,經(jīng)1號(hào)主變壓器升壓后,以一回220 kV線路,接入廣靈甸頂山風(fēng)電場(chǎng)220 kV升壓站的220 kV母線。
3.1 測(cè)點(diǎn)位置
根據(jù)測(cè)試要求,在電能質(zhì)量測(cè)試環(huán)節(jié)中,測(cè)點(diǎn)選取為220 kV出線并網(wǎng)點(diǎn)。
3.2 風(fēng)電場(chǎng)背景電能質(zhì)量測(cè)試
望狐風(fēng)電場(chǎng)背景電能質(zhì)量測(cè)試期間,風(fēng)電場(chǎng)各集電線路、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置均停止運(yùn)行,在此期間對(duì)風(fēng)電場(chǎng)背景電能質(zhì)量狀況進(jìn)行測(cè)試。
背景電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果有以下幾個(gè)方面。
三相電壓不平衡度 (95%概率大值):測(cè)量值0.14%,國(guó)標(biāo)限值2.0%;
電壓總諧波畸變率 (95%概率大值):測(cè)量值0.89%,國(guó)標(biāo)限值2.0%;
頻率變化:最大值50.04 Hz,最小值49.96 Hz,95%概率大值50.03 Hz,國(guó)標(biāo)限值49.8~50.2 Hz;
長(zhǎng)時(shí)閃變測(cè)量值:0.08,國(guó)標(biāo)限值0.8;
電壓上偏差最大值5.73%,下偏差0%,國(guó)標(biāo)限值-3%~+7%;
由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,望狐風(fēng)電場(chǎng)退出電網(wǎng)期間,并網(wǎng)點(diǎn)處各項(xiàng)背景電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。
3.3 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試
并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量測(cè)試期間,風(fēng)電場(chǎng)各集電線路、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置均正常運(yùn)行,期間風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率為10.28~39.75 MW。
三相電壓不平衡度 (95%概率大值):測(cè)量值0.19%,國(guó)標(biāo)限值2.0%;
電壓總諧波畸變率 (95%概率大值):測(cè)量值0.8%,國(guó)標(biāo)限值2.0%;
頻率變化:最大值50.05 Hz,最小值49.96 Hz,95%概率大值50.03 Hz,國(guó)標(biāo)限值49.8~50.2 Hz;
長(zhǎng)時(shí)閃變測(cè)量值:0.17,國(guó)標(biāo)限值0.8;
電壓上偏差4.35%,下偏差0%,國(guó)標(biāo)限值-3%~+7%;
由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,望狐風(fēng)電場(chǎng)正常并網(wǎng)運(yùn)行期間,并網(wǎng)點(diǎn)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。
3.4 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果
風(fēng)電場(chǎng)功率區(qū)間由風(fēng)電場(chǎng)額定容量的0%增加至80%,每個(gè)區(qū)間持續(xù)時(shí)間1 h,有功功率變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。針對(duì)每一區(qū)間,分析對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量。
風(fēng)電場(chǎng)不同功率區(qū)間的電能質(zhì)量主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
圖1 有功功率變化趨勢(shì)圖
表2 不同功率區(qū)間電能質(zhì)量主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果
表2中各指標(biāo)最大值取三相中最大值,最小值取三相中最小值,95%概率大值取三相中最大值,電壓偏差平均值取三相中最大值。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果繪制出各功率區(qū)間下不同電能質(zhì)量指標(biāo)的變化趨勢(shì)圖。
由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,望狐風(fēng)電場(chǎng)正常并網(wǎng)運(yùn)行期間,并網(wǎng)點(diǎn)處各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)均滿足要求。如圖2至圖6可知,風(fēng)電場(chǎng)各項(xiàng)指標(biāo)除短時(shí)閃變隨有功輸出功率的減小而減小外,其余各指標(biāo)均一定范圍內(nèi)波動(dòng)。
圖2 不同功率區(qū)間電壓總諧波畸變率變化趨勢(shì)圖
圖3 不同功率區(qū)間短時(shí)閃變變化趨勢(shì)圖
圖4 不同功率區(qū)間頻率變化趨勢(shì)圖
圖5 不同功率區(qū)間電壓負(fù)序不平衡度變化趨勢(shì)圖
圖6 不同功率區(qū)間電壓偏差變化趨勢(shì)圖
a)風(fēng)電場(chǎng)在不同功率區(qū)間運(yùn)行狀態(tài)下,其諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)有差別。
b)風(fēng)電場(chǎng)與傳統(tǒng)電能質(zhì)量測(cè)試不同,應(yīng)采用不同功率區(qū)間的連續(xù)電能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試和分析等方法進(jìn)行測(cè)試分析,以求更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量水平。
c)通過(guò)對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展背景、隨機(jī)運(yùn)行和分功率區(qū)間運(yùn)行電能質(zhì)量實(shí)測(cè)的結(jié)果表明,本文中的方法適用于一般性風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電能質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)。
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Power Quality Testing and Evaluating Method for TypicalWind Farm
CHEN Huijie1,CHANG Xiao2,LIShengwen2
(1.State Grid Xinzhou Power Supply Company of SEPC,Xinzhou,Shanxi 034000,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China)
Based on a typical double-fed wind farm,comprehensive testingmethod for each index of wind farm power quality is elaborated.Besidesconventionalmeasuring itemsandmethods forpowerquality,thenew testingmethod couldmeasure the powerquality of thewind farm underdifferentpower conditions.According to theactual testing resultinWanghuwind farm,the powerquality testingmethod isillustrated in detail.Consequently,themethod isverified tobeaccurateand comprehensive forpowerquality testing inwind farm.
powerquality;differentpowerareas;powerquality test;wind farm
TM614
A
1671-0320(2016)06-0026-05
2016-07-22,
2016-10-18
陳慧杰(1973),男,山西靜樂(lè)人,2010年畢業(yè)于忻州師范學(xué)院計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè),學(xué)士,工程師,從事電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行工作;
常 瀟(1987),男,山西榆社人,2013年畢業(yè)于英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)電子與電力工程專(zhuān)業(yè),博士,工程師,從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗(yàn)工作;
李勝文(1986),男,山西朔州人,2013年畢業(yè)于天津大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè),碩士,工程師,從事電能質(zhì)量管理和新能源涉網(wǎng)試驗(yàn)工作。