张中力　安琪

摘要：近几年来，风电作为一种可再生能源获得广泛的应用。但风电并网技术还并不完善，风电机组并入电网后会对电网的电能质量产生影响，随着风电并网规模的扩大，这种影响日益加剧。本研究通过对风电并网模型的仿真分析，对模型在各种情况下各节点的电压波动、电流波动、功率变化以及对配电网的影响进行了分析。本研究在 MATLAB/Simulink 仿真环境下，以实际算例为基础，完成基于双馈型风电机组的风电场并网系统模型的建立，在系统运行中出现的几种情况下，分析风电场并网对配电网电能质量的影响。

关键词：风电;电能质量;并网;MATLAB

1.引言

风力发电是一种新能源技术，在各种可再生能源发电中除水电之外技术最成熟，商业化程度最高。中国在 2005 年颁布了一系列鼓励风电行业发展的政策，使中国的风电行业逐步进入快速发展的阶段。“十二五”期间，我国风电新增装机容量累计新增 9800 万千瓦，占同期新增装机总量的 18%，电源结构比例逐年上升。截至 2015 年底，全国风电并网装机达到 1.29亿千瓦，年发电量 1863 亿千瓦，占全国总发电量的 3.3%，比 2010 年提高了 2.1%。风力发电已成为继煤电、水电之后的中国第三大电源。

然而随着风电机组并网规模的扩大，也给电力系统带来了一系列问题。风力发电机组的稳态和暂态特性相比于传统的同步发电机组发生了很大变化。风电机组并入电网的位置往往处在电网的末端，风力发电和风电并网的相关技术都还没有完善，风力发电机的单机功率和风电场的容量日益增加，这些问题给风电并网系统带来了一系列问题，限制了风电技术的发展， 降低了系统的电能质量。风力发电产业的迅速发展，带动着风电并网规模的扩大，也使得电能质量问题日益严重。因此，研究风电场并网对电网的影响，解决风电场并网带来的电能质量问题，是十分重要的课题。

2.风电并网引发的电能质量问题的研究

2.1电压波动和闪变问题的研究

當风力发电机的输出功率波动时，电网电压将产生波动，这是电压波动和闪变产生的根本原因。风速和湍流强度对风力发电机的影响将导致风力发电机输出功率的波动，与电网的功率交换也会受到影响，导致风电机组与电网的连接点处附近的电压波动和闪变。同时，塔影效应、偏航误差和风剪切的影响也会对风电机组产生的影响，造成风力发电机输出的波动并使其产生电压波动。风速的随机性决定了风力发电机组的输出功率在机组的连续运行过程中会出现波动。风速的波动将直接影响风电机组的电压波动。当风速增大时，风力发电机产生的电压波动也会增加，风速与电压波动成正相关关系。并网风力发电机组不仅在机组切换过程中产生电压波动，而且在正常的连续运行过程中也会产生电压波动。此外，风力发电机的接入系统的网络结构也对风力发电机引起的电压波动有影响。电网线路的电源阻抗电阻和电感比值，还有风电场公共连接点的短路容量比值是引起风力发电机电压波动的重要因素。

电压波动会对实际的生产生活造成严重影响，突发的电压波动会影响企业生产的产品质量，严重的还可能使产品不合格，对于精确度要求较高的产品来说，一个十分轻微的电压波动就可能造成产品的不合格，对于企业来说损失是十分严重的。电压波动会影响普通照明设备的正常运行，使设备发生闪烁，还会引起一些电子设备和仪器的不正常工作，减少电力设备的寿命。因此，才要减少电压波动和闪变的产生。

2.2电压偏差问题的研究

风力发电机组只有在发电机的转子转速处在额定转速附近时才会并入电网。在并入电网后短时间内会从电网中吸收大量的无功来保证发电机的正常启动，这会造成发电机输出电压降低，虽然在并联电容器组的作用下会使系统吸收的无功功率逐渐降至零，系统的输出电压回到额定值。但这种补偿不是完美的，因为电容器需要逐级的投入，每次投入不会正好能够补偿系统对于无功功率的吸收，就会出现欠补偿和过补偿现象。根据无功功率和电压的关系，可知欠补偿会导致电压降低，而过补偿则会导致电压升高，所以这种调节是呈阶梯性的，每次调节并不稳定，这就会造成系统吸收的无功功率不会稳定减少，会产生波动，这就导致了电压偏差的产生。

当系统的运行电压产生偏差时，会对电网造成不良影响。一种是系统运行电压较高，将会造成系统中的各种电气设备绝缘的损耗，造成铁芯设备的饱和，导致谐波产生，并可能引发铁磁谐振;另一种是系统运行电压较低，输电线路的功率极限大大降低，这可能导致系统频率的不稳定，甚至是系统频率的崩溃，电网的有功和无功损耗以及电压损失也将增加。

2.3谐波问题的研究

在控制以及处理功率的过程中，电力系统中的电力电子设备时会由于电磁特性的作用受到非正弦波的干扰。当在电力系统注入谐波时，注入点的电压就会发生变形，进而对电力电子系统造成较强的电磁干扰。影响整个系统的稳定性，同时也给周边电气环境造成严重污染。

谐波的影响作用很强大，其涉及范围主要包括两大方面，一是对电力系统本身的正常运行造成了干扰，使一些对频率敏感的电力设备出现异常情况，导致其寿命减少、损耗增加;比如使发电机额外地增加了负载，导致效率低下;再如对继电保护设备的动作特性产生影响，可能导致误动;使通信线路产生干扰;造成电缆的老化加速，电缆随着时间推移，容量不断下降。风力发电机等设备会存在过多的损耗，并且存在严重的发热现象，会致使风力发电机的寿命不断下降。

3.风电场并网对电网影响仿真分析

3.1仿真系统描述

仿真模型中风电机组由 6 台相同型号的 1.5MW 双馈风力发电机构成，风电机组输出的是 690V 交流电压，经过 20km 的输电线路与升压变压器相连，将电压升至 35kV，然后经过 30km 架空线路，与一个普通发电机通过一个变比为 110kV/35kV 的变压器相连。该风电系统的接线图如图1所示，其中6台双馈风力发电机构成的风电机组可以认为是一个整体，即视为一个发电机。在正常运行过程中，风电机组向电网输出有功功率，并从电网中吸收一部分无功功率，其他的部分由自身的无功补偿解决。从电网侧看，风电机组就相当于一个输出有功， 吸收无功的“负荷”。

该风电系统的仿真分析可以通过调用 MATLAB 中的 SimPowerSystems 中的双馈风电机组并网模块来实现，双馈型风力发电机可以在风速发生改变的情况下，调节发电机转子的转速，输出恒频的交流电，使发电机在最佳状态下运行，提高了风能的利用率。

3.2扰动对电网的影响

在电压控制模式下，当电网中35kV 系统即节点 2、3之间出现扰动时，风电场输出的电压、电流、有功功率和无功功率变化如图2所示。仿真结果显示，扰动在t=5s出现，持续了0.5s。风电场在1处的电压在扰动出现后产生波动，波动最大时为电压下降至 0.9（p.u.），但基本上维持在额定值附近。节点电流在扰动出现后发生了变化，扰动结束后变回扰动前的电流值，风电场输出的有功功率也发生了波动，波动较电流来说剧烈一些，扰动结束后较扰动之前略微下降了一些。无功功率的波动较大一些，扰动期间上升到了 5MW，产生的这些无功用于维持发电机电压保持在门槛值0.9（p.u.）以上。

电网中节点 1、2 和 4 的电压、节点2的有功功率和无功功率变化如图3所示。从仿真曲线看出，各节点的电压均产生了波动，离风电场越远的节点，波动程度越大，节点 2 处的有功功率和无功功率在扰动出现后发生了变化，当 0.5s 后扰动去除后又恢复为扰动前的有功功率和无功功率值，系统恢复了稳定运行。

在无功功率控制模式下，当电网中 35kV 系统即节点 2、3 之间出现扰动时，风电场输出的電压、电流、有功功率和无功功率变化如图4所示。风电场在节点1 处的电压在扰动出现后开始下降，降至门槛值0.9（p.u.）以下， 扰动结束后回到额定值附近。节点电流经过短暂的波动后，变回扰动前的电流值，但基本上保持不变。风电场输出的有功功率的波动程度与电压控制模式相比较轻，扰动结束后保持在 1.9MW 左右。因为系统处于无功功率控制模式下，所以无功功率的波动较小，基本上维持在0左右。

电网中节点 1、2 和 4 的电压、节点 2 的有功功率和无功功率变化如图5所示。节点 4电压的变化较小与电压控制模式下电压变化类似，节点 1、2 的电压下降较多。节点 2 处的有功功率和无功功率在扰动出现后发生了变化，当 0.5s 后扰动去除后又恢复为扰动前的有功功率和无功功率值，系统恢复稳定运行。仿真结果表明，这样的波动不会破坏系统的稳定性。

3.3三相短路故障对电网的影响

在电压控制模式下，当电网中 35kV 系统即节点 2、3 之间的 30km 输电线路中的一回线路发生三相接地故障时，风电场输出的电压、电流、有功功率和无功功率变化在此不再展示。短路故障在 t=5s 发生，经过 0.2s 后切除。风电场在节点 1 处的电压在短路故障发生后急剧降为 0，风电场与系统解列，风电场的节点电流、有功功率也在短时间的波动后降为 0，无功功率经波动后保持 0 不变。

在无功功率控制模式下，当电网中 35kV 系统即节点 2、3 之间的 30km 输电线路中的一回线路发生三相接地故障时，风电场输出的电压、电流、有功功率和无功功率变化在此也不再展示。风电场在节点 1 处的电压在短路故障发生后急剧降为 0，风电场与系统解列，风电场的节点电流、有功功率也在短时间的波动后降为 0，无功功率经波动后保持 0 不变。

4.总结

风力发电系统综合多个领域的知识，系统十分复杂。本文只以双馈风电机组为主，建立了一个简单的电网模型，对风电场并网运行对电网的影响进行了基础性的分析，许多问题还有待作进一步的研究。总而言之，风电场并网对电网电能质量影响，以及降低影响的研究是一个长期的过程，随着我国经济的发展和社会的需要，需要我们做出更多的努力。

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