(新疆电力科学研究院)
摘要：由于风源的不确定性、不稳定性，分散式风电场接入矿井变电所会对矿井电网产生影响。为此，针对分散式风电场设计，本文开展了风电场功率预测、风电场接入下配电网电能质量与供电安全方面的理论及仿真实验研究，并结合巴拉素风电场与煤矿供电系统的参数构建仿真模型，对二者并网运行产生的电压波动、谐波成分进行了分析研究。
关键词：风电场；矿井供电；安全性；电能质量
Influence analysis of distributed wind farm on mine power supply
Zhao Ju Li Guo-bing Jiang Tao
(State Grid Xinjiang Electric Power Researcher Institute)
Abstract: Due to the uncertainty and instability of the wind source, this kind of distributed wind farms connecting to the mine substation will have an impact on the mine power grid.Therefore, for the design of distributed wind farm, this paper has researched the theoretical and simulation experimental on power prediction, power quality and power supply safety of distribution network under wind farm accessing. In this paper, the simulation model is constructed combined with the parameters of Ba La Su wind farm and coal mine power supply system, which has studied on the comprehensive analysis, the voltage fluctuation and harmonic components, which produced by the two grid-connected operation.
Key words: Wind farm;Mine power supply;Safety;Power quality
风力资源是可再生能源领域中最具商业化规模开发的一种能源，是我国鼓励和支持开发的清洁能源。作为电力需求侧管理和需求响应的重要参与方，用户侧资源主动并且及时地参与电力系统的供需平衡，不仅会降低电网运行成本，更重要的是将提高电网的安全性。在矿井区风力资源丰富地区，就近建设风电场，与主网一同给矿井负荷供电，以期缓解主网供电压力，构建一个更加智能和坚强的电网环境，可提高对清洁能源的接纳能力。
煤矿的可靠供电是矿井安全生产的重要保障[1,2]。为此，针对分散式风电场接入矿井配电网电能质量等方面展开分析研究。
1.风电场功率预测
风电的优势在于其对环境的友好性，风电装机容量在电力系统中所占比例逐年在增加，但它的缺点也是很明显的：风力的随机性和间歇性不能保证输出平稳的电力，这给电力系统的稳定性以及发电和运行计划的制定带来很多困难。风电功率预测可以使系统运行人员对未来运行时段风电的变化有一定的预期，减少风电波动的不确定性。通过风电功率预测将风电纳入发电计划是风电参与系统调度运行的重要途径，也是在同等电网条件下提高电网风电接纳能力的关键。
早在上世纪 80 年代，国外就开始开展对风电功率预测的研究。目前在风电装机容量较大的欧美国家，已有多套软件预测包（如丹麦 Prediktor和Zephyr，美国eWind，德国Advanced WPPT等）。我国近年也在开展风电功率预测算法研究。在短期功率预测方面，根据所采用的数学模型不同可分为灰色模型[3]、神经网络[4]、支持向量机[5]及时间序列分析法[6]等智能算法。
1.1风电场输出功率影响因素
风电机组捕获的风功率可表示为：
（1）
式中PT为风轮输出功率；CP为风轮的功率系数；ρ为空气密度；R为风轮扫掠半径；v为风速。由公式可得，功率与风速的三次方成正比，所以风速是影响风电机组输出功率的重要参量之一。同时功率还与空气密度有关，空气密度是气压、气温和湿度的函数，所以气压、气温和湿度均对风电场输出功率有一定的影响。除此之外，风向、地表粗糙度均对风电场输出功率有一定的影响。
1.2基于数值天气预报的短期功率预测
短期功率预测是电网运行最为关注的功能，短期功率预测以数值天气预报为基础，考虑风电场局地效应，并利用风电场的历史输出功率数据，实现功率预报。以丹麦的Prediktor为例，其具体步骤如下：
Step1: 进行中尺度数值天气预报，得到高空（>2km）风速；
Step2-3: 考虑地表粘滞性，利用风速与高度之间的对数风廓线近似地将高空风速折算为近地风速；
Step4-5: 考虑风电场本地地形、地表粗糙度、障碍物等信息，利用微气象学原理，将风速折算至风机轮毂高度；
Step6:由于大气边界层湍流运动十分复杂，完全利用物理方法还无法获得与观测完全一致的结果，还需要利用风电场的本地量测信息，建立相似模型，考虑所有非建模因素，得到修正风速。
Step7:利用风机排列信息，考虑尾流效应，计算各风机轮毂高度的预测风速，作为风速预测的结果，风电功率预测的输入。
Step8-9: 理论上在Step7获得风速预测的结果之后，可以通过查找风机理论功率输出曲线来直接计算风电功率，但由于实际运行的风机其功率曲线与理论值总存在一定差异，加上风机参数分散性的影响，实际的风电场功率输出模型还必须用历史数据进行模型校正，才能得到较为准确的风电功率输出值。
上述流程中，Step1-7都属于风速预测的内容，其主要目的是给出风机轮彀高度的风速、风向、气温、气压、湿度等高精度数值天气预报信息，难点在于考虑风电场微地形的气象学建模（Step4,5,7）；Step8-9属于风电功率预测的内容，主要目的是依据前者的预报结果，借助风机功率输出模型，得到功率预报结果。
不同的风电功率预测系统在预测模型和方法上存在差异，不过，他们的基本预测流程类似。
2.风电场对电力系统供电质量与安全性影响分析
风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，一般来说，可能影响到电网电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等，其中，电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一[7~9]。
2.1风电场接入对电力系统的影响
若将风机电源作为备用电源接入系统，则可以部分消除电网的过负荷和堵塞，提高电网的输电裕度。在适当的风机电源布置和电压调节方式下，风机电源可以对系统电压起支撑作用，改善系统电压的整体水平，若该种风机电源具有低电压穿越能力，则在系统发生故障时还能继续运行，并起到缓解电压骤降的作用，提高系统对电压的调节性能。这些都有利于提高系统的可靠性水平[10~12]。
但若风机电源并网运行，则也可能降低系统的安全可靠性：若风机电源不具备低电压穿越能力，则在系统发生故障时通常要求该风机电源从电网中切除，则当其所接的线路故障重合时，风机电源不但不能起到电压支撑的作用，反而会加重电压跌落，且如果风机电源没有及时跳闸脱网，造成的非同期重合可能引起保护误动作、设备受损，线路无法及时恢复运行，反而增加了用户的停电时间。
此外，发生系统停电时，风机电源辅机的电源会失去，风机电源会同时停运，仍无法提高供电的可靠性。同时，风机电源与配电网的继电保护如果配合不好，可能使继电保护误动作，反而使系统的安全可靠性降低。另外，风机电源不适当的安装地点、容量和连接方式都可能降低配电网的安全可靠性。
2.2对系统潮流、网络损耗及电能质量的影响
在配电网中的负荷近旁接入风电机组后，整个配电网的负荷分布将发生变化，主要有3种情况[13]：
（1）所有负荷节点处的负荷量均大于该节点处风机电源的输出量；
（2）至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点处风机电源的输出量，但系统的总负荷量大于所有风机电源的输出总量；
（3）至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点处风机电源的输出量，且系统的总负荷量小于所有风机电源的输出总量。
对于情况（1），风机电源的引入使配电网中所有线路的损耗减小。对于情况（2），风机电源的引入可能导致配电网中某些线路的损耗增加，但配电网的总体线路损耗将减小。对于情况（3），如果所有风机电源的发电总量小于2倍的负荷总量，那么风机电源的影响与情况（2）相同，否则将使配电网的线路损耗增加。由此可见，分布电源的引入可能增大也可能减小系统损耗，这取决于风机电源的位置、与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。
风机电源接入配电网后，会引入各种扰动，从而对系统的电能质量产生影响。其影响主要有两个方面[14,15]。
（1）电压闪烁。风机电源在下列情况下可能直接或间接引起电压闪烁：大型风机电源系统启动；输出突然变化或发生较大变化；风机电源和反馈环节的电压控制设备相互影响。目前采用的解决方法是要求风机电源的拥有者减少风机电源的启动次数，并将风机电源通过逆变器接入配电网以减少风机电源输出的大幅度变化。
（2）谐波。风机电源在下列情况下可能引入谐波：风机电源本身就是一个谐波源；风机电源经基于电力电子技术的逆变器接入配电网。解决方法有：
在谐波电压水平较高的母线上安装特殊滤波器来抑制谐波电压。
一种多功能逆变器控制策略，在PV发电系统的逆变器中加入并联有源滤波器的功能，而且采用参考电压最大功率点跟踪控制策略来稳定电压源逆变器的输出电流，起到抑制系统谐波电压作用
对于诸如电压脉冲、浪涌、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题，可以通过在风机发电系统中加入储能装置来解决。
3.风电场对煤矿供电影响分析
巴拉素风电场共10台风机，每台2MW，总装机容量20MW，经过35kV 箱变升压至 35kV 后接至场内集电线路接入风电场区域内已建成的110kV 巴拉素煤矿配电站的 35kV 高压开关柜室。风机选择WTG2系列，是新型变速恒频双馈风力发电机组，通过变速恒频风力发电机的励磁控制，可以实现无电流冲击的软并网。
图9图可见，当风机半载发电时，110kV母线电压有一定的轻微波动，60s后恢复正常，最大波动可达0.999，仍在可以接受的母线电压阈值内；35kV和0.69kV母线电压波动不明显。
结合图7至图9可知，风机功率在空载、半载和满载不同情况下，对母线电压造成一定的影响，但这种影响不超过电压稳定限值，由此可知，根据规划设计的风电场功率波动对煤矿供电系统电压影响在可接受范围内。
风电场功率注入对煤矿电能质量的影响分析。假定风速仅为5m/s，对巴拉素风场功率进行预测，并将预测是送入仿真模型，监测各母线电压和电流，并对其谐波畸变率进行。35kV母线谐波电压畸变率分析结果见表1。
图13 110 kV并网线路电流各次谐波95％概率值频谱图
图12和图13可以看出，根据风力发电的特点及对风电场进行电能质量测试的结果，基本可以得出目前风电场的电能质量能够满足国家标准对电能质量的要求。
4.结论
在重要企业负荷侧加装风机电源，与大电网合并供电，不仅能够优化资源配置，环境效益最大化，缓解企业负荷对电力需求的紧迫性。然而，受风源的限制，风机电源功率具有的间歇性和波动性会对企业电网供电生一定的影响，特别是煤矿企业，提前评估风电场对企业电网供电性能的影响，将有助于规划和调度部门做好防御措施和应对策略。
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第一作者简介：赵举(1978-)，男，广西武宣县，高级工程师,本科，要研究方向为电力系统自动化，E-mail：xjdky_ky_zj@163.com。
论文作者:赵举,李国斌,姜涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
标签：风机论文; 电源论文; 功率论文; 电压论文; 风电场论文; 风电论文; 电能论文; 《电力设备》2018年第34期论文;