新能源风电接入的配电网电能质量研究

引言

配电网作为联系电力系统和用户之间最重要一个环节，其供电质量的好坏，电能质量的优劣，对人们的生产生活及社会经济的发展有着重要的影响，配电网需要依据 GB ／ T12325-2008《电能质量供电电压偏差》、GB ／ T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》等规范，确保电网的电压偏差、频率偏差、谐波等满足相关标准。

一、影响配电网电能质量的关键因素

1. 风电自身特性

风速分布规律是风电出力的核心问题，风电的波动性、间歇性、随机性的存在影响了风力输出的变化，不同地区的风力状况各异，海岸地区风力稳定、风速大、风力波动小，内陆山区因地形影响阵风混乱、风力波动大、易诱发电压故障、双馈感应风机易受电压波动而脱网、直驱永磁风机易受谐波影响，采用最大功率点跟踪算法、低电压穿越策略可优化出力。

2. 风电并网容量与渗透率

并网容量和渗透率对配电网的电能质量影响较大，当风能容量小，渗透率小于 10% 时，风电出力波动可由配电网负荷和上级电网的调节能力进行平抑，影响不大。而当渗透率超过 20% 时，风电成为主要电源，风电波动影响功率平衡和电压稳定，当渗透率达到 30% 时，电压波动 ±3% ，谐波电压畸变超过 4% ，频率偏差超过 ±0.3Hz 。同时接入容量和配网容量要相匹配，若超过配网容量，将带来较大的电能质量问题。如某地 10MW 接入 15MW，由于容量不足，风电满发时并网点电压超过正常1.08 倍，导致大量设备击穿。

3. 配电网拓扑与参数

配电网结构、线径、变压器、无功补偿等对风接入后的配电网质量有影响。辐射状结构配电网简单、可靠性低，风电接入后电网并网节点容易出现功率“拥塞”、电压波动大等问题；环网形结构拓扑较复杂，环网状配电网线路多回互接，能降低风电功率波动；R ／ X 与电压质量存在关联，中低压配电网 R ／ X 较大，有功功率对电压存在影响；高压配电网 R ／ X 较小，无功功率具有较大影响。配电网无功补偿容量较小，调控不及时，风电接入导致的缺额或盈余造成电压波动、闪变。

二、风电接入配电网电能质量改善策略

1. 优化风电并网控制策略（1）变流器协调控制

针对风电变流器谐波和电压波动问题的控制，通过改变变流器控制策略解决电能质量问题。对于变流器控制采用 MPC 控制策略，利用变流器数学模型预测不同开关状态下的输出电流和电压，选取谐波和电压最小值对应的开关状态来补偿 PI 控制方法，总谐波畸变率降低 30-40% ，电压波动在 ±2% 之内；采用虚拟同步发电机 VSG 技术，通过将虚拟发电机的惯性环节和阻尼环节引入变流器控制，增强风电系统对并网运行的配电网吸收电网频率波动的能力，频率偏差在 ±0.2Hz 之内。

（2）风电出力预测与主动调度

基于大数据人工智能，以风电出力多尺度预测模型和 NWP、风机数据、历年出力曲线为基础，进行风电出力短期（1-24h）、超短期（1-15min）出力预测，准确率 85% 以上。基于预测结果的配电网主动调度：预测出力陡增时预先切除容量较大的容性负荷或者投切电抗器，降低线路电压的升高；预测出力陡降时，备用电源投入（燃机）或储能投入、平抑有功从风电源头降低电能质量。

2. 配置储能与柔性补偿设备

（1）储能系统平抑出力波动

储能系统作为“功率缓冲器”，能平抑出力波动。根据配电网规模、风电渗透率选用储能技术，对出力等级要求较高，响应时间毫秒级，采用锂离子电池储能；对容量要求较大，超过 100MW 以上，循环寿命要求较高的采用全钒液流电池储能；制订“充放电跟随”制度，当风电出力超过配电网接纳能力时，储能装置吸收过剩电量，当风电出力不足时，储能装置释放多余电量，配电网接入点的出力波动不超过 10% ，从而有效降低波动引起的电压波动和闪变。

（2）柔性交流输电设备补偿

使用FACTS 装置，动态地补偿配电网中的电压、谐波、三相不平衡等。例如：

静止同步补偿器（STATCOM）：静止快出力稳控，实时消减电压波动和闪变，响应时间小于10ms，使电压波动不超过 ±1% ，闪变（Pst）低于1.0，满足国标；

有源电力滤波器（APF）：有源电力滤波器（APF）可以对风电变流器谐波进行识别，输出同谐波电流等幅反相的补偿电流，使接入到配电网公共连接点的总谐波畸变率低于3% ；APF 对风电变流器谐波进行识别（APF）。

动态电压调节器（DVR）：在风电接入，电压跌落，三相不平衡时，DVR 可以快速充电，将负荷侧电压升至额定电压 90%-110% ，并且不平衡度不超过 1% 。

3. 升级配电网基础设施

（1）优化配电网网络结构

合理设置配电网线路，增强线路冗余性和弹性，在风电高负荷地区采用环网供电替代馈线，当在某一馈线上出现风电变化影响电能品质的问题，可以借助环网开关转移馈线，缩小影响范围；提高线路容许电流，降低线路容许电阻、线路容许电流，例如， 10kV 配电网线路，线路容许线由 120mm2² 提升到240mm2 ，线路容许电压降降低 40% 以上，能够减小线路压降。

（2）推广智能配电终端

通过在配电网关键节点处（接入点、关键负荷点等）加装智能电配终端，对电能质量进行实时监控和治理，通过智能电配终端获取电压、电流、频率、谐波等电能质量相关参数、频率 2kHz、数据传输时延 50ms 等参数，将电能质量实时数据传输至配电网调度中心，调度中心通过对大数据进行研判，对电能质量进行治理，并向储能系统、FACTS 下达控制指令，对电能质量进行“监控—分析—治理”管控，提升电能质量治理的精准性和高效性。

结语

随着风电渗透率的提高，新型电力系统的发展，新能源风电接入配网电能质量的研究还有很大的发展空间，相信新能源风电接入配网电能质量问题将在不断理论创新和突破中获得彻底解决，为包括风电在内的清洁能源的大规模利用奠定坚实基础，助力碳达峰碳中和目标的早日实现，推动电力系统的清洁化、智能化、高效化发展。

参考文献：

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