探究能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

何聚彬 楊成東

摘 要：傳統(tǒng)能源是不可再生的，過(guò)度的開(kāi)發(fā)還會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。新能源屬于可再生資源，而且具有環(huán)保、節(jié)能優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)能源。在科技騰飛的21世紀(jì)，利用新能源發(fā)電已經(jīng)是大勢(shì)所趨，以風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛推廣。未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向，必然是智能管理、能源互聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)籌安排等。本文基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景，闡述了風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);風(fēng)力發(fā)電;新能源;電網(wǎng)調(diào)壓

1、能源互聯(lián)網(wǎng)介紹

能源互聯(lián)網(wǎng)最大的特點(diǎn)是通過(guò)可再生資源進(jìn)行發(fā)電，但這種發(fā)電方式存在間歇性，因此要通過(guò)大數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析對(duì)電站的發(fā)電情況、負(fù)荷波動(dòng)情況做出預(yù)測(cè)，以維持電網(wǎng)的供需平衡。合理利用分布式可再生資源，最重要的建立實(shí)時(shí)、互動(dòng)的能源管理平臺(tái)，完善能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要以銷定產(chǎn)的方式進(jìn)行配電，通過(guò)調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)來(lái)維持電網(wǎng)運(yùn)行，但利用可再生資源發(fā)電，會(huì)受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境、氣候特點(diǎn)的影響，發(fā)電是無(wú)序的，所以要對(duì)發(fā)電側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

①電網(wǎng)側(cè)：電網(wǎng)通過(guò)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電廠站輸出功率的調(diào)節(jié)，從而高效利用可再生能源?？稍偕茉措姀S的電網(wǎng)接入，可以采用“拔插式”的方式，但考慮到季節(jié)、氣候、地理環(huán)境等客觀因素的影響，一些發(fā)電站并不能進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)電，而是需要在發(fā)電站有功率輸出的情況下接入電網(wǎng)，如果沒(méi)有攻略輸出，就要從電網(wǎng)接入端把電站“拔掉”。

②發(fā)電側(cè)：根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)壓要求對(duì)輸出負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，如果電站、電網(wǎng)的狀態(tài)是“拔開(kāi)”，則可以存儲(chǔ)發(fā)電量，或者進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，以達(dá)到相互關(guān)聯(lián)多元能源的目的，最大程度的利用可再生能源。

2、風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

這也是提高風(fēng)能利用率、維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要的技術(shù)保障。在我國(guó)東北、華北和西北地帶分布了大量的風(fēng)能資源，比如阿拉山口、達(dá)坂城等地區(qū)。但這些風(fēng)能資源豐富的區(qū)域環(huán)境卻極為惡劣，特別是沿海地區(qū)，要想充分利用風(fēng)能資源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)必須可靠。隨著科技的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)也有了很大改良，比如結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)促進(jìn)并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的原理是：通過(guò)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)型和容量

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有以下幾種：繞線式異步發(fā)電機(jī)、籠統(tǒng)型異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和有刷雙饋異步發(fā)電機(jī)，以上發(fā)電機(jī)都有效率低、風(fēng)能利用率不高的缺點(diǎn)，而且運(yùn)行過(guò)程中容易受到外部環(huán)境的影響，穩(wěn)定性和可靠性較差。以開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為代表的新型發(fā)電機(jī)，其優(yōu)勢(shì)是能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載能力強(qiáng)，在不超過(guò)30KW的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。除此之外還有磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，顯著提高了對(duì)風(fēng)能的利用率以及發(fā)電效率，對(duì)于促進(jìn)風(fēng)能經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展具有重要意義，為社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也做出了巨大貢獻(xiàn)。

3、風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)平衡性產(chǎn)生的影響

3.1風(fēng)電場(chǎng)影響電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性

風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用最多的發(fā)電機(jī)組有兩種：異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)組和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組，這兩種機(jī)組的運(yùn)行都會(huì)影響電網(wǎng)電壓。

異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)在兩方面：①感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要吸收無(wú)功來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，和普通發(fā)電機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，在接入電網(wǎng)的情況下，電網(wǎng)首先要提供一部分的無(wú)功功率，在切出電網(wǎng)的情況下，電網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生一部分的無(wú)功功率。②在風(fēng)電機(jī)組的有功功率增長(zhǎng)的情況下，機(jī)組吸收的無(wú)功功率也會(huì)增長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)增加線路上的無(wú)功損耗。在此情況下，發(fā)電機(jī)組端會(huì)通過(guò)并聯(lián)電容來(lái)補(bǔ)償，如果并聯(lián)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率加上線路充電功率的綜合比機(jī)電組吸收的無(wú)功功率、線路消耗的無(wú)功功率更大，那么電壓就能保持良好的穩(wěn)定性。反之，機(jī)端的電壓水平下降，電壓的穩(wěn)定性也會(huì)下降。

雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組可以對(duì)有功功率、 無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制，保證在有功功率增加的情況下仍然不會(huì)對(duì)無(wú)功功率造成很大影響。而無(wú)功功率的大小主要取決于如何控制風(fēng)電機(jī)組，不會(huì)和電網(wǎng)產(chǎn)生無(wú)功交換，所以雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定性要優(yōu)于異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)組。

3.2風(fēng)電場(chǎng)影響電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性

在電網(wǎng)中接入風(fēng)機(jī)組，一定會(huì)和電網(wǎng)運(yùn)行的頻率保持一致。生產(chǎn)電能的過(guò)程中，用于配送、消耗的時(shí)間極為短暫，因此在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)生產(chǎn)的電能要和消耗的電能相同，否則就會(huì)改變電網(wǎng)頻率。風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，表現(xiàn)在多個(gè)方面，比如故障點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)的距離、風(fēng)電機(jī)組的配置頻率、系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)方式、風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力、系統(tǒng)的一次調(diào)頻作用、電網(wǎng)故障的嚴(yán)重程度等。在風(fēng)電機(jī)組采取了頻率保護(hù)措施的情況下，一旦風(fēng)電機(jī)組的出力發(fā)生改變，那么系統(tǒng)的頻率變化也會(huì)在機(jī)組可以承受的范圍內(nèi)。在風(fēng)電機(jī)組沒(méi)有采取頻率保護(hù)措施的情況下，機(jī)組的突然出力就會(huì)造成頻率的巨大改變，最終影響頻率的穩(wěn)定性。

對(duì)于沒(méi)有低壓穿越能力的發(fā)電機(jī)組，一旦機(jī)組端的電壓太低，風(fēng)電機(jī)組就會(huì)被切除，如果切除的規(guī)模太大，電網(wǎng)頻率就會(huì)嚴(yán)重下降。電網(wǎng)抵押保護(hù)裝置會(huì)把其余的負(fù)荷切除，勢(shì)必會(huì)影響正常供電。為了避免這一問(wèn)題，現(xiàn)階段的大部分風(fēng)電機(jī)組都具有低壓穿越功能。

4、風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)

4.1風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的意義

在電力系統(tǒng)中，功率預(yù)測(cè)是十分重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)有功功率的日負(fù)荷曲線可以制定年發(fā)電方案，檢修方案則可以參考有功功率的年負(fù)荷曲線來(lái)制定。這也是緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰，提高電力系統(tǒng)調(diào)壓能力、調(diào)頻能力、調(diào)整風(fēng)電接納能力的重要方式。

4.2風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的基本要求

不同國(guó)家的電網(wǎng)調(diào)度部門所提出的功率預(yù)測(cè)要求也有所區(qū)別，就我國(guó)而言，風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)有兩個(gè)要求：一是短期預(yù)測(cè)，每天預(yù)測(cè)兩次，從00：00開(kāi)始，預(yù)測(cè)接下來(lái)72小時(shí)內(nèi)的功率，時(shí)間分辨率為15min，這一要求主要是針對(duì)系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃來(lái)設(shè)計(jì)的。二是超短期預(yù)測(cè)，在0～4小時(shí)之前預(yù)測(cè)，主要是針對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度設(shè)計(jì)的。

4.3風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)方式

4.3.1統(tǒng)計(jì)方法

不需要考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的物理過(guò)程，只分析以往風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行記錄和歷史數(shù)據(jù)，從中獲得天氣狀況和風(fēng)電場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián)，參考未來(lái)一段時(shí)間的天氣信息來(lái)預(yù)測(cè)功率。

4.3.2物理方法

根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如風(fēng)速、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)場(chǎng)周圍的障礙物、等高線、粗糙程度等，通過(guò)物理公式來(lái)計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂周圍的風(fēng)速、氣溫、風(fēng)向和氣壓，然后通過(guò)已經(jīng)獲得的功率曲線來(lái)預(yù)測(cè)功率。

無(wú)論是統(tǒng)計(jì)方法還是物理方法都各有優(yōu)勢(shì)與不足，但對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的預(yù)測(cè)結(jié)果均相對(duì)準(zhǔn)確。

5、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)

5.1海上風(fēng)場(chǎng)技術(shù)

與內(nèi)陸相比，海上風(fēng)力資源更加豐富，而且主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定，周邊環(huán)境不會(huì)對(duì)風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)生較大影響。但與此同時(shí)，仍有一些技術(shù)難題需要解決，比如海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)輸技術(shù)、風(fēng)電系統(tǒng)保護(hù)與維護(hù)技術(shù)、海上風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)等。如果成功解決了以上問(wèn)題，那么風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性將會(huì)得到質(zhì)的提升。

5.2大容量風(fēng)電系統(tǒng)

隨著社會(huì)各行業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娔苄枨蟮脑黾?，兆瓦?jí)的大容量機(jī)組已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，大容量風(fēng)電系統(tǒng)可以顯著提高對(duì)發(fā)電設(shè)備的利用率，減少風(fēng)能資源的浪費(fèi)，顯著提高風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但目前而言，這種大容量機(jī)組的研發(fā)仍然存在很多問(wèn)題，比如增加容量后，對(duì)發(fā)電機(jī)的材料、設(shè)備、控制技術(shù)也會(huì)有更高要求。

結(jié)束語(yǔ)

能源互聯(lián)網(wǎng)是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，如何讓風(fēng)力發(fā)電更好的適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)，相關(guān)內(nèi)容的研究目前還處于起步階段。值得肯定的是，在解決全球氣候變暖問(wèn)題、提高國(guó)家能源安全性、促進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有非常樂(lè)觀、廣闊的發(fā)展前景。

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