一皇王研窭一 － 大规模风电接入系统对电网谐波污染的仿真分析 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ— ｓｃａｌｅ ｗｉｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｇｒｉｄ 甘肃省电力设计院 杨ＹＡＮＧ Ｍｅｉ ，ＺＨＯＵ Ｘｉｃｈａｏ 梅 甘肃省电力公司电力科学研究院 周喜超 ｆ １．Ｇａｎｓｕ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ；２．Ｇａｎｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） 【摘要】基于甘肃酒泉地区大规模风电接入系统规划，通过测量统计的方法建立了风电场接入系统的谐波源模型，在电力系统不同运行方式下进行谐波潮流计 算，并对比分析了现阶段和２叭５年千万千瓦风电接入系统电网谐波污染情况。计算结果表明，风电集中上网点谐波污染严重，谐波污染程度沿线路呈现衰减的趋 势，离谐波污染源电气距离越远谐波幅值衰减越多，谐波次数也越来越少，且随着规划网架结构的不断增强，谐波污染源对电网的影响就越小。本文的研究将为 电网规划设计和风电电能质量治理提供数据参考。 【关键词】大规模风电；接入系统；谐波污染；电网规划 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｍ０ｕｌｃ ｓｏｕｒｃｅｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ０Ｄｅｒａｄｏｎ ｍ０ｄｅｓ ｉｎ ｐ０ｗｅｒ ｓｖｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ Ｏｌ３ ｔｈｅ Ｇａｎｓｕ ｊｉｕｑｕａｎ ａｒｅａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｗｉｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｎｎｉｎｇ．ｈｅ Ｔｈａｒｍｏｎｉｃ ｔｒｅｎｄ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ ｏｆ ｈｅｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ２０１５ ｍｉｌｌｉｏｎ ｋｉｌｏｗａｔｔ ｗｉｎｄ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｙｓｔｅｍ，ｃａｌｃｕｌａｔｉ０ｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｍｏｓｔ ｓｅｒｉｏｕｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆｗｉｎｄ ９．ｃｃｅｓｓ ｔＯ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｉｓ ｄａｍｐｉｎｇ ａｌ０ｎｇ ｔｈｅ ｌｉｎｅ，ｔｈｅ ｆａｒｔｈｅｒ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｏｕｒｃｅｓ ｔｈｅ ｆｅｗｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ， ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｇｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｈｉｓ Ｔｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ・ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；ａｃｃｅｓｓｔｏ ｇｒｉｄ；ｈａｒｍｏｎｉｃｓｐｏｌｌｕｔｉｏｎ； ｄｐｌａｎｎｉｎｇ １．引言 甘肃酒泉地区风力资源丰富，２０１０年酒 泉地区风电装机将达到５１６０ＭＷ，至２０１５年风 电规划总装机容量将达到１３１６０ＭＷ…。由于风 力发电的随机性和波动性，其并网运行势必 会给电网的电能质量造成一定影响，随着风 电场规模的不断增大，大规模风电场接入系 时段不同工况的测试结果进行统计归纳，并 据。 ３．仿真分析 得到各种运行状态下谐波源输出，且分为一 般情况和严重情况。最后在仿真系统中对模 本文根据甘肃省电网规划数据建立了河 型参数进行校正，即加入谐波电流源，并调 西断面网架仿真系统，选取了单一风电场、 整相位信息，考察节点谐波电压响应，是否 多个风电场及２０１０年河西地区所有规划风电 与测量值特性一致，逐步调整谐波源模型数 场接入电网三种情况进行了谐波潮流计算， 用来分析风电场谐波源产生的谐波电流在电 据。表１为本文建立的风电场谐波源模型数 表２仿真分析风电场统计表 单一风电场 大粱风电场 中电投瓜州 ３ ｝ ２００ ＦＤ７７型 金风７５０型 ４９．５ １５Ｏ 统引起的电能质量问题必将越来越严重，在 某些情况下电能质量问题将成为制约风电场 装机容量的主要因素，同时也是电网规划中 的重要问题 ］。本文通过测量统计的方法 建立了风电场接入系统的谐波源模型，在电 力系统不同运行方式下进行谐波潮流计算， 并对比分析了现阶段和２０１５年千万千瓦风电 接入系统电网谐波污染情况，将为电网规划 设计和风电电能质量治理提供数据参考。 ２．风电场谐波源建模 ＩＥＥＥ￣波工作组报告指出：谐波源的特 性可以表述为： ， ＝ （ ， ， ，，ｃ），ｈ＝１，２，…，Ｎ （１） 式中：，＾为谐波电流， 为谐波电压， ＾谐波次数，Ｃ为常数。 表１风电场谐波模型数据 谐波次数 一多个风电场（瓜卅［３３０ｋＶ变电站下所有风电场） 向阳风电场 大粱风电场 中电投瓜州 向阳风电场 ６６ ３３ ２００ ６６ 金风７５０型 ＦＤ７７型 金风７５０型 金风７５０型 ４９．５ ４９．５ １５０ ４９．５ 河西电网２０１０年规划所有风电场 大粱风电场 沽源风电场 大唐风电场 三十里井子风电场 ３３ １４２ ５８ ５８ ＦＤ７７型 Ｇ５８型 Ｖ５２型 ＧＭＳ８５０型 ４９．５ １１Ｏ ４９．３ ４９．３ 表３－ａ瓜州一玉门镇３３０ｋＶ线路的谐波电流值（＾） 线路名称 谐波畸变率（％） 谐波次数 单一风电场 多个风电场 所有风电场 运行情况 ０．４４３４ １．０２６８ ２．２０８６ …… ５ ７ ｌ １１ ｌ １３ ｌ １７ １９ ２３ ． ２５ ０．０５７３ ０．３０８２ １ ０．０６８４ ｌ ０．０２５４ ｌ ０．００３２ ０．００８ ０．０９８６ ０．３４８３ ２．４９７１ １．９０２２ Ｉ １．０７９９ ｌ ０．４８０３ ｌ ０．１７０２ ０．１５５９ ０．２６５６ ０．２６０８ ５．１８０３ ３．７２１８ １ ２．３５７１ ｌ １．０３２２ ｌ ０．３５４７ ０．３５６３ １．１７７ １．９１１８ 表３－ｂ瓜州变３３０ｋＶ母线谐波电压含量（％） 、 Ｉ ｆ ｌ ｌ ｉ５ ０．０３８４ ０．４７９６ ０．４８５７ ｌ ｌ ｌ ｌ谐波次数 ７ ｌ１１ ０．０５７Ｉ ｛０．００６８ ０．５４５９ ｌ ０．５０４５ Ｏ．７２９１ ｝０．６７３９ ｌ ｌ ｌｌ １３ ０．００４９ ０．０８７１ ０．０９０１ 电流（Ａ） 电压（％） 般情况 一般情况 严重情况 严重情况 ２．５５１ ３．９４０ ２．０ｌ６ Ｏ．１７ ０．５２ Ｏ．２５ Ｏ．３０ Ｏ．７１ Ｏ．４４ ５．０３１ ６．０８３ ２．４４０ ３ ５ ７ 单一风电场 多个风电场 所有风电场 ０．１７７０ ０．５２４７ ０．９６１６ ９ ｌ１ １３ １．０５９ ０．９２５ ０．７０５ Ｏ．１８ Ｏ．１８ ０ １４ Ｏ．３９ Ｏ．２９ Ｏ．２４ １．７１９ １．０６３ ０．７７７ 表４ａ河西地区主要线路谐波电流计算结果（Ａ） 线路名称 年份 ２Ｏ１０ ｌ５ １７ １９ ２１ ２３ ２５ ０．７０８ ０．４７２ ０．４８７ ０．５７４ ０．８５８ ０．９９３ Ｏ．１２ Ｏ．１５ ０．Ｏ９ ０．１０ Ｏ．１２ Ｏ．１１ Ｏ．２９ ０．２８ ０．１８ ０．２３ Ｏ．２５ Ｏ．２３ ０．７９９ ０．５７７ ０．５９２ ０．７５５ ０．９８４ １．１８５ 影响程度 谐波畸变率 一般情况 ０．６２２３ ５．６０７１ １．２１４２ ｌ１ １．４５１４ １３ ０．４９６９ 安西一酒泉７５０ｋＶ线路 ２０１５ ２０１０ 张掖一金昌７５０ｋＶ线路 ２０１５ 严重情况 ０．７５３５ 般情况 ３．２６８４ 一８．１１５８ ０．６１５６ １．９５９４ ０．６６４８ １．３３８ｌ １．９０２４ ３．Ｏ１３８ ２．５１５８ １．４８１５ ２１．４３３ ２２．５７２１ ３．５８８５ ０．５４３８ ２８．９７０７ ３１．７００１ ０．１２５３ 重情况 ３．８６９７ 一般情况 ０．２６ｌ３ 严重情况 ０．２８１１ ０．８８３９ ０．５５２８ ０．６６９７ ２．６０７２ ３．７３９８ ４．６９８２ ０．５８９２ ｌ７．１９１２ １８．８１４ ０．１４２８ ３７．３５３９ ３８．３１２１ 在实际情况下，很难精确获得各种所需 参数，而这些模型的运算又比较复杂，因此 在研究中常采用简化模型，包括：①恒流源 模型；＠Ｎｏｒｔｏｎ等效电路模型；③基于交叉 频率导纳矩阵的简化模型；④基于电压基波 零相角特性的谐波源简化模型。这些简化模 型各具特点，同时在实际的研究应用中也存 在不同的限制。此外，不断地有新的理论和 方法如瞬时功率理论、统一参数辨识方法等 运用到谐波建模中 。本文针对风电场谐 波源采用测量统计法进行综合建模，对不同 般情况 ３．２０２５ 严重情况 ３．５０３９ 一表４ｂ河西地区主要节点谐波电压计算结果（％） 节点名称（ｋＶ） 年份 ２Ｏ１０ 影响程度 一般情况 严重情况 般情况 严重情况 一般情况 一谐波次数 谐波畸变率 ０．５７８９ １ ３２３２ １．１２１１ １．１３８１ ０．３６８３ ５ ０．５２８１ ０．７１４２ Ｏ．１５７３ ０．２０２６ ０．３２８１ ７ ０．１４５８ １ ０８５６ Ｏ．ｉ５６５ Ｏ．２０ｌ６ Ｏ．１２０９ １１ ０．０２４５ ０．０６ｌ４ Ｏ．１４８９ Ｏ．１７０２ Ｏ．Ｏ１４２ ｌ３ ０．０５０９ ０．０５６３ ０．１１３２ Ｏ．１６１９ ０．０４２３ 酒泉７５０ ２０１５ ２０１０ 张掖３３０ ２Ｏ１５ 严重情况 般情况 一１．１６２１ １．０２２５ １．０３５６ ０．５２４１ ０．１２６５ ０．１８６３ ０．８４８２ ０．１４２２ ０．１８７１ ０．０５１６ ０．１２８１ ０．１６５３ ０．０３２６ ０．１０２８ ０．１４３２ 严重情况 电子世界 一３３— Ｉ 一皇王研霾………………………一 网中的各个支路谐波电流分布以及在各个节 点产生的谐波电压。表２为仿真分析风电场 统计表。 谐波潮流计算就是根据各谐波源节点的 注入谐波电流和该谐波网导纳矩阵组成的网 络方程解各节点谐波电压。 ，（ ）＝Ｙ（ｈ）Ｖ（ｈ） （２） 式中：Ｙ（ｈ）为节点导纳矩阵：／（ｈ）为谐 波节点注入电流向量；Ｖ（ｈ）为谐波节点电压 向量。 电场注入谐波污染源明显比单一风电场注入 谐波污染源时对电网产生的影响严重，由谐 波电流产生的谐波电压也呈增长趋势，当河 西地区所有风电场谐波污染源注入时，其对 电网产生的影响更为严重，己接近国家允许 的谐波限值，必须加以监测和治理。 电压和线路的谐波电流在幅值和谐波次数上 由谐波污染源沿线路呈现衰减的趋势，离谐 波污染源电气距离越远谐波幅值衰减越多， 谐波次数也越来越少。谐波的污染程度和范 围与谐波源所在网架的强壮程度有关，建议 在风电接入规划初期，应对其接入造成的影 响进行仿真分析，掌握其谐波污染程度，制 定谐波污染治理措施。同时应完善电能质量 相关的管理体制，对风电场电能质量污染源 进行考核，以保证绿色能源的合理开发和利 用。 参考文献 本文对比分析了２０１０年和２０１５年的网架 所有风电场接入对电网产生的影响情况，图 ｌ为甘肃河西地区２０１５年规划网架，表４为仿 真对比分析结果。 谐波潮流主要计算步骤如下： （１）根据给定的运行条件，采用常规潮 流计算方法求解基波潮流。 （２）按谐波源工作条件，根据基波计算 结果，确定需要计算的谐波次数，以及计算 相应各次谐波网的注入电流，形成注入电流 向量ｒ（ｈ）。 （３）计算各元件谐波参数，形成各谐波 网络节点导纳矩阵。在三相对称的条件下， 可以选择考虑各次谐波具有不同的相序 特性：ｈ ３ｋ（ｋ＝１，２，…）为零序性谐波； ｈ－３ｋ＋ｌ（ｋ＝１，２，…）为正序性谐波；ｈ＝３ｋ一 １（ｋ＝１，２，…）为负序性谐波。应注意的是 零序网络会因变压器绕组不同的接线方式和 接地方式而和正、负序网络不同。 （４）根据式，（＾）＝ｙ（＾） （＾）确定各节点的 谐波电压。 （５）对谐波源含有的所有频率的谐波分 别进行以上计算，之后采用叠加原理可得系 统支路电流、节点电压的频谱特性和波形。 表３选取了瓜州一玉门镇３３０ｋＶ线路谐波 电流值和瓜州变３３０ｋＶ母线谐波电压含量进 行对比分析，从表中可以明显看出：多个风 （上接第３２页） 两台循环泵互为备用，当工作泵因事故 跳闸时，备用泵自动投入。 当循环泵出口阀门开启时，闭锁合闸。 当循环泵投入运行稳定后，联锁开启出 口阀门。 当循环泵出口阀开启时，闭锁手动跳 闸。 Ｉ１】甘肃“十二五 电网规划设计【ｚ】西北电力设计 院，２００９，９． １ ２罗斌，２ｌ綦光泽大型风机并网的电能质量问题及解 决方案Ⅱ】电力设备，２００８，９（１０）：１９—２３． ［３】马艺玮，陈渊睿，曾君．风电场电能质量分析与评估 ｌＪＪ．控制理论与应用，２００８，２５（￣：３０７—３１０ 图１甘肃河西电网“十＝五”规划简图 【４】胡卫红，王纬．风电并网对电网影响探讨Ｕ］湖北电 力，２００６，３０（５）：３ ４ 表４ａ选取了安西一酒泉和张掖一金昌两 条７５０ｋＶ线路的谐波电流进行了对比，表４ｂ 选取了酒泉７５０和张掖３３０两个典型节点的谐 波电压进行了对比，结果表明：谐波的污染 程度和范围与谐波源所在网架的强壮程度有 关，２０１５年网架结构比２０ｌＯ年更加完善，节 点间联系更强，所有风电场谐波源接入对电 网的影响就越小；反之２０１Ｏ年节点间联系较 弱，谐波源对电网的影响就越大，另外随着 电压等级的升高，谐波污染的影响也越小。 ４结论 风电场集中上网点电能质量问题突出， 主要以５、７次谐波为主，各变电站母线谐波 单泵高速３７０ １４９００ １４．３ ８１．１ ７８５．５ 单泵低速３３０ １２６００ １２．９ ８Ｏ ６２１．７ 【５】李明强，王杰，王双谐波对电网影响的探讨与研究 Ｕ】．供用电，２００５，２２（５）：１ ８－２０． ［６】胡伟，查晓明，孙建军多谐波源网络谐波源建模与 谐波叠加仿真Ⅱ】中国电力，２００６，２９（３）：６１—６５ 【７】李可军，赵建国，徐文远三相不平衡电力系统的潮 流双解研究Ⅱ】中国电机工程学报，２００５，２５（１５）：６３—６６ ［８］王猛电力系统谐波、负序过程仿真及应用ｌＤ］成 都：西南交通大学，２００３ 作者简介：杨梅（１９８０…），吉林四平人，硕士， 工程师，现供职于甘肃省电力设计院，主要从事电 力系统及其相关工作。 ３５．８万元。 ５．运行分析 ５．１改造前 运行方式为双泵和单泵两种工况，运 行工况为冬季最冷季节采用单泵运行约４个 月，其他季节采用双泵并联运行。此循环水 量调节手段比较单一，春秋季节运行两台泵 流量偏大，运行一台泵流量偏小；而冬季由 于水温较低运行一台泵流量偏大，造成机组 真空过高影响机组的安全运行以及能量的浪 费。根据对＃２机现场的运行参数以及有关表 记显示数据的采集，并对有关参数结合现场 的压力表标高进行修正和考虑其他辅机的循 环水用量，经过初步计算＃２机循环泵单泵运 行参数为： 工况流量ｔ／ｈ扬程ｍ总耗功ｋｗ效率％ 单泵运行１４９００ １４．３ ７８５．５ ８１．１ ５．２改造后 根据现场的实际运行特点，结合全年 ５．３改造后经济分析 运行的经济性涉及流量变化对机组运行 经济性的影响和泵本身耗功的变化两部分。 水量对于机组经济性的影响体现在通过对机 组的真空影响进而引起机组负荷的变化。根 据机组的热力试验结果，真空变化ｌｋＰａ影响 机组负荷约８６０ｋＷ。但随着汽机排汽绝对压 力降低到接近６ｋＰａ后，真空变化对负荷的影 响迅速变小，接近４ｋＰａ时真空再继续提高就 不会产生正效益。为此，根据全年水温情况 分配运行方式后各工况的分析计算如下： （１）冬季工况：循环泵采用单台低速运 行，运行时间为４个月。 转ｉ￣ｒ／ｍ流量ｔ／ｈ扬程ｍ效率％耗功 单泵高速３７０ １４９００ １４．３ ８１．１ ７８５．５ 单泵低速３３０ １２６００ １２．９ ８０ ６２１．７ 电机耗功减少：７８５．５－６２１．７－１６３．８ｋＷ。 节电效率累计约： １６３．８×４×３０×２４：４８６１４４ｋＷｈ。 ６．运行注意事项 ６．１根据机组负荷、循环水温度及季节 的变化，循环泵采用不同的运行方式。 ６．２循环泵需要由高速改低速或低速改 高速运行时，应提前联系检修人员做好电机 接线方式及保护系统的更改工作。 ６．３在循环水进水温度达到１０℃以上 时，及时拆除水塔部分挡风板直至全部拆 除，提高机组真空度。 ７．结束语 我厂＃２机２—１循环泵电机改造双速调节 后，将大大提高机组循环水调节的灵活性， 优化了循环泵运行方式，提高了机组运行的 经济性，节约厂用电和降低供电煤耗，经济 效益显著。电机双速改造属于较为成熟的技 术，具有较大的可靠性、经济性。在电力市 场日益竞争激烈的环境下，电机双速技术应 用具有较大推广价值。 参考文献 【１】何飞，马菲高压变频调速与内馈斩波调速的比较 ＿ＪＪ华电技术，２００８，１０：６８ 【２］新疆华电苇湖梁发电有限责任公司≠≠２机循环泵电 机双速改造可行性研究报告 作者简介：陈海霞（１９７３一），女，河南偃师人， 华电新疆发电有限公司苇湖梁电厂电气工程师，主 要从事电气运行管理工作。 （２）春秋季节工况：循环泵采用一台高 速、一台低速运行，运行时间为６个月。 电机耗功减少： ２×７８５．５（７８５．５＋６２１．７）＝１６３．８ｋＷ。 节电效率累计约： １６３．８×６×３０×２４＝７０７６１６ｋＷｈ。 循环水温的变化情况，确立将＃２机２—１循环 泵电机进行双速改造，电机转速改为３７０转／ 分钟和３３０转／分钟高、低两个转速，此循环 水量调节手段灵活，可满足不同季节机组节 能运行的要求。改造后循环泵运行参数如下 （参考该泵的性能曲线）： 转速ｒｉｍ流量ｔ／ｈ扬程ｍ效率％耗功 一（３）夏季工况：循环泵采用两台高速运 行，运行时间为３个。 改造前后循环泵运行方式相同。 通过上述分析计算，改造后年节电效 率累计约４８６１４４＋７０７６１６－１ １９３７６０ｋＷｈ。若按 上网电价０．３元／ｋＷｈ计算，年节约人民币： ３４一电子世界