IEC 61400-21-22023 风能发电系统.第21-2部分电气特性的测量和评估.风力发电厂标准立项发展报告

风能发电系统第21-2部分：电气特性的测量和评估风力发电厂标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Windenergygenerationsystems-Part21-2:Measurementandassessmentofelectricalcharacteristics-Windpowerplants摘要关键词：风力发电厂；电气特性；测量评估；国际电工委员会；并网技术；电能质量；标准体系Keywords：Windpowerplants;Electricalcharacteristics;Measurementandassessment;IEC;Gridintegrationtechnology;Powerquality;Standardizationsystem一、引言1.1研究背景在全球应对气候变化、推动能源结构绿色低碳转型的大背景下，风力发电作为技术最成熟、开发规模最大、商业化程度最高的可再生能源形式，近年来取得了迅猛发展。根据全球风能理事会（GWEC）发布的《全球风电报告2023》，截至2022年底，全球风电累计装机容量已突破900GW，年新增装机量持续保持在较高水平。我国作为全球最大的风电市场，风电装机容量连续多年位居世界首位，海上风电、陆上集中式风电和分布式风电呈现多元化发展格局。随着风电开发规模的持续扩大和电网中风电渗透率的不断提高，风力发电厂的电气特性对整个电力系统的安全稳定运行产生着日益显著的影响。与单台风电机组相比，风力发电厂作为由多台机组、集电线路、升压站及控制系统组成的复杂系统，其电气行为具有时空分布特性、聚合效应和交互影响等特征，传统的基于单机测试的评估方法已难以全面准确地反映风电场在公共连接点（PCC）处的实际电气性能。1.2标准修订的必要性在IEC61400-21-2:2023发布之前，风电场电气特性的评估主要参考基于单台风电机组测量标准IEC61400-21（及其后续修订版）并结合各国电网导则进行，缺乏统一的、专门面向风电场层级的国际测量和评估方法标准。这一标准空缺导致各国在风电场并网验收、电能质量评估、模型验证等方面存在方法差异，增加了跨国项目开发和设备认证的成本与不确定性。具体而言，以下问题亟待解决：1.测量方法不一致：不同国家和电网运营商对风电场电气特性的测量要求各有不同，测量条件、测量周期、数据处理方法缺乏统一规范。2.评估指标体系不完善：针对风电场的电能质量（谐波、间谐波、电压偏差、闪变等）、有功/无功控制能力、故障穿越特性等缺乏统一的量化评估标准。3.模型验证缺乏依据：风电场并网仿真模型的准确性验证缺乏统一的程序和要求，影响电网规划与运行分析的可靠性。为此，IEC第88技术委员会（IEC/TC88——风能发电系统）决定制定专门针对风力发电厂电气特性测量与评估的国际标准，经过多年工作组研讨、草案编制和投票表决，最终于2023年3月正式发布IEC61400-21-2:2023。二、标准概述与体系定位2.1标准基本信息IEC61400-21-2:2023《风能发电系统第21-2部分：电气特性的测量和评估风力发电厂》由国际电工委员会风能发电系统技术委员会（IEC/TC88）归口管理，由MT21维护工作组负责起草和维护。该标准于2023年3月29日正式发布，当前为第一版，标准状态为现行有效。标准语言为英语和法语，采用电子版加密PDF格式发布，适用于国际范围内的广泛使用。当前国际售价定为3481元人民币，反映了该标准在风电并网技术领域的重要参考价值。2.2IEC61400系列标准体系中的定位IEC61400系列标准是国际风能领域最核心、最权威的标准体系，涵盖了风能发电系统的设计、安装、运行、维护和测试等各个环节。该系列标准由IEC/TC88负责制定，目前已发布标准超过30项，构成了完整的风电行业国际标准体系。IEC61400-21-2在IEC61400系列中处于重要地位，与相关标准的关系如下：-IEC61400-21-1：规定了风电机组（单机）电气特性的测量和评估方法，包括功率特性、电能质量、并网适应性等内容。IEC61400-21-2在此基础上，将测量和评估对象从单台机组拓展到整个风力发电厂。-IEC61400-27-1：规定了风电机组和风电场的电气仿真模型，IEC61400-21-2所规定的测量方法和数据可用于验证该标准中定义的仿真模型的准确性。-IEC61400-3：涉及海上风电场的技术要求，其电气特性的测量和评估需参照IEC61400-21-2执行。从标准层次结构来看，该标准属于IEC61400系列中"通用技术要求"层面，与IEC61400-21-1（风电机组电气特性）构成"单机—场站"两级测量与评估的完整体系，为电网运营商、风电开发商、设备制造商和认证检测机构提供了统一技术依据。2.3标准编制过程IEC61400-21-2的编制工作经历了多年历程。IEC/TC88于2012年前后启动了该项标准的预研工作，成立了专门的项目组（PT61400-21-2），由来自德国、丹麦、中国、西班牙、美国等风电强国和主要设备制造商的专家共同参与。编制过程中充分考虑了全球不同地区电网技术要求的差异性、风电技术的快速发展趋势以及国际上已有的各国风电并网导则（如德国BDEW导则、英国GridCode、中国GB/T19963等）。项目历经工作组草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等阶段，经过多轮技术研讨、意见征集和修订完善，于2023年3月正式发布。这一标准的顺利出台，凝聚了全球风电领域专家多年的智慧和经验，也体现了国际社会对风电并网标准化工作的共同期盼。三、标准核心内容与技术框架3.1标准适用范围IEC61400-21-2:2023主要适用于通过公共连接点（PCC）并网运行的风力发电厂电气特性的测量和评估。适用对象包括：-陆上及海上风力发电厂；-包含一种或多种类型风电机组的风力发电厂；-配置储能系统或其他辅助电源的风力发电厂（在标准适用范围内延伸考虑）。该标准针对的电气特性包括但不限于：有功功率输出与控制、无功功率能力与控制、电压调节、电能质量（谐波、间谐波、闪变、电压不平衡等）、电网故障穿越行为（低电压穿越和高电压穿越）、频率响应特性以及开关操作特性等。3.2测量与评估框架标准构建了风电场电气特性测量与评估的系统化技术框架，主要包括以下关键技术环节：（1）测量条件与状态定义标准明确规定了进行风电场电气特性测量的前提条件，包括风电场运行状态、有功功率水平、电网电压及频率条件等。同时定义了一系列标准化的测试工况，以确保测量结果的可比性和可重复性，包括：满功率运行、部分功率运行、无功补偿运行、启停机过程等。（2）测量设备与系统要求标准对测量仪器设备的精度等级、采样频率、同步方式以及测量系统的整体不确定度提出了明确要求。采用电流互感器和电压互感器时需满足相关计量要求。（3）测量点布置与信号采集标准规定了电气特性测量的布点原则，特别是在公共连接点（PCC）处安装测量装置的要求，包括测量互感器的安装位置、二次信号采集与记录方式、数据同步与时间戳标注等。对于大型风电场，可能需要在多个测量点协同采集。（4）数据处理与统计分析标准给出了系统的数据处理和统计分析方法，包括数据筛选准则、异常值处理、频谱分析（FFT及加窗处理）、统计区间划分等，确保测量结果能够客观反映风电场的实际电气特性。（5）评估指标与限值参考针对各项电气特性，标准定义了标准化的量化评估指标，并结合国际通行做法提供评估参考框架。需要特别说明的是，IEC61400-21-2本身不规定具体限值，而是提供统一的测量和评估方法。（6）符合性评估与评估报告标准规定了风力发电厂电气特性评估报告的编制要求，包括报告应包含的内容要素、测量数据呈现格式、评估结论表述等，旨在为电网运营商的风电并网评估工作提供清晰可靠的输入依据。3.3关键技术要点（1）风电场级电能质量评估的聚合方法风电场由多台风电机组构成，其公共连接点处的谐波、闪变等电能质量指标受机组运行状态、集电线路阻抗特性、场内功率分布等多重因素影响。标准充分考虑风力发电厂电气特性的聚合效应，允许在特定条件下利用机组特性数据与场站拓扑信息进行聚合评估，同时要求必要的现场实测验证。（2）故障穿越特性的场站级测量标准规定了风力发电厂在电网电压骤降（低电压穿越）和电压骤升（高电压穿越）工况下的场站级测量方法和评估流程，涵盖测试触发条件、录波时长、数据提取以及评估指标的计算。（3）模型验证方法该标准与IEC61400-27系列标准紧密衔接，规定了利用现场测量数据对风力发电厂电气仿真模型进行验证的方法和流程，包括稳态和动态验证工况的选取、指标（如有功/无功功率响应偏差、电压偏差等）以及验证结果的判定准则，提升模型验证的一致性和公信力。四、标准实施意义与效益分析4.1对风电行业的技术引领作用IEC61400-21-2:2023的发布填补了风电场层级电气特性国际标准空白，为风电行业提供了从单机到场站的完整技术标准支撑。该标准引导风电行业在风电场设计阶段即将电气特性作为重要的设计输入参数予以考虑，推动精细化设计。同时，统一的模型验证方法为并网研究提供了高精度模型，显著提升电网规划与运行分析的可靠性。4.2对电网安全稳定运行的保障作用随着风电渗透率的不断提高，风力发电厂在电力系统安全稳定运行中的角色已从被动适应向主动支撑转变。该标准为电网运营商科学评估风电场的并网性能提供了标准化工具，有利于准确掌握风电场对电网的影响。通过标准化的测量方法，电网调度机构可准确评估风电场的有功调节速率、无功支撑能力和故障穿越特性，对保障高比例新能源电力系统的安全稳定运行具有重要意义。4.3对国际贸易和产业发展的推动作用作为国际标准，IEC61400-21-2:2023的实施有助于消除风电技术贸易壁垒，在世界范围内提升风电场并网技术评价的一致性和可比性。设备制造商和风电场开发商可依据统一标准进行设计和测试，避免因不同国家电网导则差异导致的重复开发与多重认证。标准统一后，国际风电项目的评估周期缩短、成本降低，有力地促进了风电技术和设备的国际贸易与产业合作。五、主要起草单位介绍5.1IEC/TC88与国际工作组IEC61400-21-2:2023由IEC/TC88（风能发电系统技术委员会）归口管理，IEC/TC88成立于1985年，秘书处设在丹麦标准协会（DanishStandards），负责制定风能发电系统领域的国际标准。具体起草工作由IEC/TC88下设的维护工作组MT21负责，该工作组由来自各成员国的技术专家组成，广泛覆盖风电机组制造、风电开发运营、电网运行管理、检测认证及科研咨询等领域。5.2中国参与情况与代表性单位中国作为IEC/TC88的积极参与方，深度参与了IEC61400-21-2的编制工作。中国电机工程学会、中国可再生能源学会等学术组织积极组织国内专家参与国际标准制定，将国内风电并网技术的实践经验和技术方案融入国际标准。中国电力科学研究院有限公司（CEPRI）是该标准编制的重要参与单位之一。作为中国电力行业多学科、综合性的科研机构，中国电科院在国家电网有限公司领导下，长期从事风力发电并网技术、新能源调度运行、电能质量分析等领域的科学研究、技术标准和检测认证工作，主导或参与制定了中国风电并网领域多项国家和行业标准，如GB/T19963《风电场接入电力系统技术规定》系列标准。在IEC61400-21-2的编制过程中，中国电科院专家团队基于我国大规模风电开发与并网运行经验，重点在以下方面贡献了中国方案：-风电场电能质量评估方法及实测数据分析；-风电场故障穿越性能的测试方法与工程实践；-风电场电气仿真模型验证的方式方法；-大规模风电基地汇集地区的电气特性测量经验。中国电科院新能源研究中心建有国际先进的风电并网技术实验平台，具备风电机组/风电场电气特性测试、仿真建模及并网适应性评估能力。近年来，团队深度参与多项IEC风能标准制定，将我国在风电并网领域的丰富实践经验和科研成果推广至国际标准体系，显著提升了国际话语权和影响力。六、标准实施建议与未来展望6.1标准实施建议为确保IEC61400-21-2:2023标准的有效实施，提出以下建议：（1）加强标准宣贯培训各相关单位应组织标准的技术培训与宣贯活动，使风电场开发商、设备制造商、检测认证机构和电网企业深入了解标准的技术内容和实施要求。（2）推动标准转化应用建议各国标准化机构结合本国电力系统特点，推动将该标准转化为国家或行业标准，与国内现有风电并网标准体系有效衔接，形成协同效应。（3）完善配套技术支撑建议检测认证机构按照标准要求完善测量设备和试验能力建设，建立符合标准要求的测量评估流程和质量体系。（4）加强国际协调与合作建议各国在风电并网技术标准领域加强国际协调，推动IEC61400-21-2与各国电网导则在技术要求和测量方法上的衔接与互认，降低跨国项目开发的技术壁垒和合规成本。6.2未来发展趋势与展望随着风电技术的持续进步和电力系统变革的深入推进，风力发电厂电气特性测量与评估标准将面临新的发展需求。从技术演进来看，海上风电的规模化开发将产生大量场站级电气特性测试需求，漂浮式风电、构网型风电机组、风储一体化电站等新型技术形态对测量评估方法提出了新要求。从标准体系发展来看，IEC61400-21-2将随着技术发展和应用反馈适时进行修订和更新，与IEC61400-21-1等标准进一步协同优化，向数字化、智能化评估方向拓展，例如基于大数据和人工智能技术的风电场电气特性在线监测与评估方法等。在电力系统层面，随着新能源占比不断提升，风电场从"被动适应电网"向"主动支撑电网"转型，对风电场的惯量响应、一次调频、电压主动支撑等新特性的测量评估需求将日益增强，这也将成为该标准后续修订的重要方向。七、结论IEC61400-21-2:2023《风能发电系统第21-2部分：电气特性的测量和评估风力发电厂》是国际风电并网技术标准化领域的一项标志性成果。该标准首次构建了面向风力发电厂层级的电气特性测量评估国际标准框架，与IEC61400-21-1形成了"单机—场站"互补的标准体系，填补了风电场层级电气特性测量评估国际标准的空白。本标准的发布实施具有多重重要意义：为风电场电气特性测量评估提供了统一的技术规范，为电网运营商科学评估风电场并网性能提供了可靠依据，为设备制造商和风电开发商的国际化发展创造了有利条件。标准的实施将有效推动风电并网技术的规范化发展，促进国际风电技术交流与合作