风电场电能质量测试评价方法

       近年来，风电在中国发展迅猛，2014年风电累计总装机容量超过114.609 MW，位居世界风电装机容量第一。预计到2020年，中国风电装机容量将达到200GW。随着风电的大规模接入，电网的调峰能力、电压控制以及电能质量等都面临着巨大的挑战，电能质量问题导致风电场无法正常运行的事件屡有发生。
       目前，在风电行业发展中仍然存在着整体质量偏低、运行管理缺乏经验与规范、大规模脱网事件频发等问题。国内外在风电预测、接入、消纳能力，以及风电场接入对系统无功和经济性的影响等方面取得了较多研究成果，然而在风电场对电网电能质量的影响方面，尤其是针对风电场的电能质量测试方法，仍需结合现场试验，进而开展更深层次的讨论和研究。
      从20世纪90年代起，我国就陆续推出了一系列电能质量国家标准，分别从电网频率、电压偏差、三相不平衡度、谐波、闪变等方面的具体指标作了详细的界定。
1.1 电网频率
      依据相关国家标准，电网频率的测量以1 s、3 s或10 s间隔内检测到的整数周期个数与所测整数周期累计时间之比作为电网基波频率，其中与1 s、3 s或10 s时钟重叠的单个周期应舍弃。测量时间间隔不能重叠，每1 s、3 s或10 s间隔应在1 s、3 s或10 s时钟开始时计时。
1.2 谐波
       谐波指周期性变化的交流量中含有频率为基波频率整数倍的分量，该分量通常通过傅里叶级数分解得到。衡量谐波的主要指标为总谐波畸变率THD（total harmonic distortion），以电压为例，其THD可表达为[11] 
式中：U1——基波电压（方均根值）
UH——电压谐波含量
Uh——第h次谐波电压（方均根值）
1.3 三相不平衡度
       电压的不平衡指的是三相电压的幅值不同，或相位差不是120°，亦或兼而有之。
       三相不平衡度是表征电力系统中三相不平衡程度的指标，通过电压、电流的负序或零序基波分量与正序基波分量的方均根值的百分比来表示[12]。任意一组不对称的三相相量（电压或电流）A、B、C可分解为3组对称分量A0、A1和A2的组合，其中a为相角旋转120°的算子，a=ej120°。
相对应的不平衡度表达式为不平衡度测量要求记录周期为3 s，3 s内均匀间隔取值，取值次数大于等于6次，每次测量取10个周波为间隔计算三相不平衡度式中：εk——3 s内第k次测得的不平衡度；
m——3 s内均匀间隔取值次数。
1.4 闪变
       闪变是指人对白炽灯照明度波动的主观视感，由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，因此，将电压的波动情况转化为闪变值，将其作为衡量电压波动危害程度的评价指标。闪变的测量以连续的电压信号作为输入量，经过一系列数学变换，包括平方解调、0.05～35 Hz带通滤波、8.8 Hz中心频率加权滤波、平方，时间常数为300 ms的低通滤波，最终得出瞬时闪变视感度函数S(t)。该信号可以认为是将不同频率的信号折算到8.8 Hz后的值，可以直接反映电压波动引起灯光闪烁对人视觉的影响。通过累计概率函数CPF（cumulative probability function）的方法对S(t)进行分析，绘制出该段S(t)的CPF曲线，其短时间闪变值可由以下公式计算其中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为CPF曲线上等于0.1%、1%、3%、10%和50%时间的S(t)值。
      长时间闪变值Plt的计算通过将测量时间段内的短时间闪变值Pst计算，公式如下
式中：Pstj——2 h内第j各短时闪变值。
1.5 电压偏差
      电压偏差是指以系统标称电压为基准，实际运行电压与基准值的偏差相对值，通过百分数形式表示。电压偏差的测量要求，电压有效值的测量时间窗口应为10个周波；同时，每个测量时间窗口应接近相邻的测量时间窗口且不重叠，通过连续测量
并计算电压有效值的平均值，最终得出电压偏差值，计算公式如下[14] 
式中：DU——电压偏差；
VM——电压测量值；
VS——系统标称电压。
       风力发电是国家政策鼓励和技术较为成熟的可再生清洁能源，发展风电产业对优化能源结构具有十分重要的意义。为促进加强风电场并网管理，提高大规模风电接入下电网的安全稳定运行水平，根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2011）、《风电场接入电网技术规定》（Q/GDW 392—2009）、《风电场功率调节能力和电能质量测试规程》（Q/GDW 630—2011），对通过110（66 kV）及以上电压等级线路与电网连接的新建或扩建风电场进行电能质量测试。
2.1 测试方法及测量数据统计方法
测点选择：一般为风电场并网点。
测试信号：三相相电压、三相电流。
测试过程为以下几方面。
a)风电场背景电能质量测试。背景电能质量测试期间，风电场各集电线路、动态无功补偿装置均停止运行，测试时间至少24 h。
b)风电场运行电能质量测试。并网运行电能质量测试期间，风电场各集电线路、动态无功补偿装置均正常运行，测试时间至少24 h。
c)不同功率区间并网运行电能质量测试。风电场功率区间由风电场额定容量的80%降到0%（亦可由0%上升至80%），以10%～20%的步长，每个区间持续时间1 h，针对每一区间，分别分析对应的风电场运行电能质量（长时闪变除外）。
数据记录：测量数据依照电能质量国家标准的要求，其中，谐波数据，以测量时段内三相实测量值的95%概率值中的最大值相作为判断谐波是否超过允许值的依据。
95%概率值的选取，通过将实测值由大到小次序排列，舍弃排在前5%的大值，取剩余数值中的最大值作为该测试点测量值。
2.2 限值要求
对于风电场电能质量指标的要求限值，参考了国家电能质量标准对于电网公共连接点的要求限值；另外，对于风电场供电区域内存在对电能质量有特殊要求的重要用户，风电场电能质量则按实际情况相应提高。
2.2.1 公用电网谐波电压限值
公用电网谐波电压限值如表1所示。
2.2.2 电压不平衡度限值
电网正常运行时，负序电压不平衡度应小于2%，短时不得大于4%。
对于接于公共连接点的每个用户，其对该公共点的负序电压不平衡度影响允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。
2.2.3 电压偏差限值
对于35 kV及以上供电电压等级，正、负偏差的绝对值之和应小于额定电压的10%。
风电场并网点电压参照35 kV及以上供电电压偏差限值执行，正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%；同时，正常运行方式下，其电压下、上偏差应在标称电压的-3%~+7%范围内。
另外，电压偏差限值也可由调度部门和风电场开发运营企业，根据电网特点、风电场位置及规模等因素共同确定。
2.2.4 频率偏差限值
       我国电力系统一般要求正常频率偏差允许值为±0.2 Hz；当系统容量较小时，频率偏差允许值可以放宽到±0.5 Hz；孤立电网运行时，可根据系统条件在保证发电机组和网内电力用户安全稳定运行及正常供电前提下，可适当放宽频率偏差限值。
2.2.5 电压闪变限值
       长时间闪变值Plt的限值根据电压等级划分，对于电压等级小于110 kV的系统，其Plt应不大于0.8；对于电压等级大于或等于110 kV的系统，其Plt应不大于1。
       以望狐风电场为例，目前建设有24台单机容量为2MW的双馈型风力发电机组和1台单机容量为1.5MW的双馈型风力发电机组，总容量为49.5 MW。主变压器容量为100 MVA，25台风力发电机组通过2回集电线路接入升压站35 kV母线，经1号主变压器升压后，以一回220 kV线路，接入广灵甸顶山风电场220 kV升压站的220 kV母线。
3.1 测点位置
根据测试要求，在电能质量测试环节中，测点选取为220 kV出线并网点。
3.2 风电场背景电能质量测试望狐风电场背景电能质量测试期间，风电场各集电线路、动态无功补偿装置均停止运行，在此期间对风电场背景电能质量状况进行测试。
背景电能质量测试结果有以下几个方面。
三相电压不平衡度 (95%概率大值)：测量值0.14%，国标限值2.0%；
电压总谐波畸变率 (95%概率大值)：测量值0.89%，国标限值2.0%；
频率变化：最大值50.04 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，国标限值49.8～50.2 Hz；
长时闪变测量值：0.08，国标限值0.8；
电压上偏差最大值5.73%，下偏差0%，国标限值－3%～＋7%；
由实测数据可知，望狐风电场退出电网期间，并网点处各项背景电能质量指标均满足要求。
3.3 风电场运行电能质量测试
并网运行电能质量测试期间，风电场各集电线路、动态无功补偿装置均正常运行，期间风电场输出有功功率为10.28～39.75 MW。
三相电压不平衡度 (95%概率大值)：测量值0.19%，国标限值2.0%；
电压总谐波畸变率 (95%概率大值)：测量值0.8%，国标限值2.0%；
频率变化：最大值50.05 Hz，最小值49.96 Hz，95%概率大值50.03 Hz，国标限值49.8～50.2 Hz；
长时闪变测量值：0.17，国标限值0.8；
电压上偏差4.35%，下偏差0%，国标限值－3%～＋7%；
由实测数据可知，望狐风电场正常并网运行期间，并网点各项电能质量指标均满足要求。
3.4 不同功率区间电能质量测试结果
       风电场功率区间由风电场额定容量的0%增加至80%，每个区间持续时间1 h，有功功率变化趋势图见图1。针对每一区间，分析对应的风电场运行电能质量。
风电场不同功率区间的电能质量主要指标测试结果见表2。
       表2中各指标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，电压偏差平均值取三相中最大值。根据实测结果绘制出各功率区间下不同电能质量指标的变化趋势图。
       由实测数据可知，望狐风电场正常并网运行期间，并网点处各项电能质量指标均满足要求。如图2至图6可知，风电场各项指标除短时闪变随有功输出功率的减小而减小外，其余各指标均一定范围内波动。
       a)风电场在不同功率区间运行状态下，其谐波等电能质量指标有差别。
       b)风电场与传统电能质量测试不同，应采用不同功率区间的连续电能质量进行测试和分析等方法进行测试分析，以求更全面、准确地评估风电场电能质量水平。
       c)通过对实际风电场开展背景、随机运行和分功率区间运行电能质量实测的结果表明，本文中的方法适用于一般性风电场并网电能质量测试评价。