風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響及解決措施

楊云峰 徐鑫 王永浩 劉世濤 劉嵩

1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司 青海西寧 810000

2.國核信息科技有限公司 山東濟(jì)南 250101

在全球應(yīng)對氣候變化背景下，可再生能源在各國制定的減緩目標(biāo)中將起到越來越重要的作用。面對能源短缺的局面，走能源可持續(xù)發(fā)展道路成為歷史的必然，風(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的一種新型可再生能源，在解決全球氣候變暖的問題、促進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國家能源安全等方面具有重要的戰(zhàn)略意義。在我國，風(fēng)力發(fā)電有效減緩了我國煤電能源不足的狀況，能夠有效彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的能源應(yīng)缺口。由于科技的進(jìn)步和發(fā)展以及人們對電能需求量的增加，表明發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)要不斷革新，通過相關(guān)的機(jī)械設(shè)備以及技術(shù)等將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為但能，保證電力系統(tǒng)能夠安全、有效的運(yùn)轉(zhuǎn)起來，不斷滿足人們對電能的使用需求。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

從資源的儲(chǔ)量來說，風(fēng)能資源儲(chǔ)量比較高，同水資源相比突出，為水資源儲(chǔ)量的10 倍。借助風(fēng)力發(fā)電，主要是將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)風(fēng)力的機(jī)械力，借助發(fā)電機(jī)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，形成電能。技術(shù)的應(yīng)用分析如下：①風(fēng)機(jī)類型。依據(jù)裝機(jī)容量指標(biāo)進(jìn)行劃分，主要包括小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)以及特大型機(jī)。一般來說，風(fēng)機(jī)的容量越大，那么槳葉的長度就越大。根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速指標(biāo)，細(xì)化為恒速機(jī)、變速機(jī)、多態(tài)定速機(jī)。②設(shè)備的組成和功能分析。使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，組成結(jié)構(gòu)為風(fēng)輪、機(jī)艙以及基礎(chǔ)等。運(yùn)行的風(fēng)輪，組成結(jié)構(gòu)包括葉片和變槳系統(tǒng)等。葉片的形狀如何，影響著風(fēng)能的吸收程度。運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速如果大于切出風(fēng)速，利用旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的葉尖，來完成氣動(dòng)制動(dòng)。如果葉片處于異常狀態(tài)運(yùn)行下，那么要及時(shí)有效應(yīng)對覆冰或者腐蝕等問題，確保葉片得到有效保護(hù)以及防護(hù)。③風(fēng)機(jī)控制技術(shù)。使用的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)，類型包括雙饋機(jī)、雙速異步機(jī)以及變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。新的并網(wǎng)技術(shù)，引入了模糊控制技術(shù)，高效調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及功率。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對葉片漿距進(jìn)行控制，并且預(yù)測風(fēng)輪氣動(dòng)特性，有著不錯(cuò)的效果。當(dāng)風(fēng)電場處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，吸收無功，為了保證運(yùn)行的效益，為風(fēng)電場配置SVC 或者其他無功補(bǔ)償裝置，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，減少因?yàn)檩斔凸β室l(fā)的系統(tǒng)振蕩情況，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

2.1 對風(fēng)電場規(guī)模影響

目前，我國電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大。但風(fēng)電場接入容量相對較低，占電網(wǎng)總裝機(jī)容量，不會(huì)對電網(wǎng)頻率造成太大影響，這不是限制風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的主要條件。對于負(fù)荷消納少，以及風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，同時(shí)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱。如果此時(shí)存在風(fēng)電大量輸入時(shí)，不但影響接入點(diǎn)的電壓，還會(huì)改變潮流分布情況，這種情況是制約風(fēng)電建設(shè)規(guī)模的主要因素。風(fēng)能是不可控制的，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出力的波動(dòng)和間歇性。目前，風(fēng)電預(yù)測精度有待提高，增加了電力調(diào)度的難度。從電網(wǎng)的角度來看，風(fēng)電機(jī)組是一種隨機(jī)干擾源，對電網(wǎng)的可靠運(yùn)行增加了一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，關(guān)鍵問題是確定風(fēng)電場在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段就能夠確定最大輸入容量。

2.2 對保護(hù)的影響

為了延長風(fēng)機(jī)接觸器壽命，風(fēng)機(jī)在始終保持并網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)起動(dòng)風(fēng)速接近時(shí)，允許出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組以電動(dòng)機(jī)方式短時(shí)運(yùn)行，這確定了風(fēng)機(jī)潮流不固定的性質(zhì)。所以要充分考慮繼電保護(hù)裝置的整定和配置。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組三相短路故障在短距離內(nèi)發(fā)生時(shí)，故障電流是斷斷續(xù)續(xù)的特點(diǎn)，在不對稱故障時(shí)提供的短路電流也有限。這種情況增加了風(fēng)電場保護(hù)檢測故障的技術(shù)難度，也可能影響原有配電網(wǎng)保護(hù)裝置的正確運(yùn)行，這在最初配電網(wǎng)的保護(hù)配置和整定時(shí)沒有考慮到。

3 風(fēng)力發(fā)電解決措施

3.1 著力解決供需矛盾

從新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用分布來說，早期主要布局在中東部，即經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，因?yàn)檫@些區(qū)域的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對成熟，應(yīng)用新技術(shù)，只需要結(jié)合需求，對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整便能夠達(dá)到發(fā)電要求。電力新能源需求不斷增加的背景下，我國需要著力解決上述部分不均衡問題[3]。目前來說，風(fēng)電開發(fā)布局持續(xù)優(yōu)化。2019 年前三季度，中東部和南方地區(qū)新增風(fēng)電并網(wǎng)228 萬kW，占全國的44.7%。截至2019 年9 月底，中東部和南方地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)5826 萬kW。結(jié)合實(shí)際需求，不斷優(yōu)化電力新能源的部署，滿足多樣化需求。

3.2 海上風(fēng)電場技術(shù)

眾所周知，海上風(fēng)力資源比起內(nèi)陸風(fēng)力資源較為豐富，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，且風(fēng)電技術(shù)受環(huán)境的影響較小，能夠有效促進(jìn)海上風(fēng)電發(fā)展，但不可避免存在的一些技術(shù)性難題還有待解決，如風(fēng)電系統(tǒng)保護(hù)和維保技術(shù)、海上風(fēng)電場運(yùn)輸技術(shù)以及海上風(fēng)電場的協(xié)調(diào)控制技術(shù)等，若能夠得到有效解決，對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

3.3 粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法（ParticleSwarmOptimization，PSO）或稱鳥群覓食法。PSO 算法是一種并行算法，它從隨機(jī)解出發(fā)，通過群體中個(gè)體間的合作和信息共享來尋找最優(yōu)解，并通過自我適應(yīng)程度來評價(jià)其優(yōu)缺點(diǎn)。粒子群算法的本質(zhì)是假定無質(zhì)量的粒子來模擬鳥群中的鳥，其中每個(gè)粒子均兩種屬性：速度和位置。在總?cè)褐?，每個(gè)粒子需要分別找到最優(yōu)解，并將其記錄為當(dāng)前單個(gè)極值Pibest。同時(shí)，每個(gè)粒子的個(gè)體極值與整個(gè)粒子群中的其他粒子共享信息，找到最優(yōu)的個(gè)體極值作為整個(gè)粒子群的當(dāng)前全局最優(yōu)解即群體極值Gbest，粒子群中的所有粒子根據(jù)自身搜索所得的個(gè)體極值和群體中全部粒子的信息，根據(jù)此時(shí)的全體最優(yōu)解來更新粒子自身的速度和位置。

3.4 保護(hù)裝置的調(diào)整

目前通常對風(fēng)電場保護(hù)裝置進(jìn)行配置與整定是按照終端變電站的方案來確定。基本由上級變電站的保護(hù)來切除風(fēng)場送出線路的故障，而風(fēng)場的風(fēng)電機(jī)組由孤島保護(hù)、低電壓保護(hù)等來逐臺切除。但是這種保護(hù)配置方法對于今后有大量風(fēng)電場接入配電網(wǎng)時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。調(diào)峰管理存在的難點(diǎn)需要通過以下方法來破解，首先通過收集各種風(fēng)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)、預(yù)測氣象信息，實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃和AGC算法以風(fēng)速風(fēng)機(jī)出力和負(fù)荷預(yù)測為基礎(chǔ)，并應(yīng)用于工程；其次，調(diào)度部門根據(jù)原則，承擔(dān)同一范圍內(nèi)其他機(jī)組各風(fēng)電場出力波動(dòng)引起的調(diào)峰問題發(fā)電機(jī)組，使各發(fā)電機(jī)組能夠從管理上積極開展預(yù)測工作。為解決風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)無功電壓的最優(yōu)控制，擴(kuò)大了無功控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，將無功電壓控制系統(tǒng)納入風(fēng)電場接入點(diǎn)變電站。

3.5 科學(xué)規(guī)劃

推動(dòng)新能源的發(fā)展以及應(yīng)用，當(dāng)前的重要任務(wù)為科學(xué)合理規(guī)劃，這也是發(fā)展電力新能源的基本要求。具體落實(shí)方面，需要相關(guān)主管部門能夠堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)和綠色的基本原則，深度分析當(dāng)前能源市場的基本需求，除了做好水電和火電的規(guī)劃外，制定符合發(fā)展實(shí)際的可再生能源目標(biāo)?；谔岢龅男履茉窗l(fā)展以及利用總目標(biāo)，對新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行合理規(guī)劃，優(yōu)化規(guī)劃方案，并且提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為電力新能源發(fā)展和應(yīng)用面臨的問題，提出具體的解決措施，推動(dòng)新能源發(fā)電技術(shù)的高效發(fā)展。

4 結(jié)語

近年來，風(fēng)能需求量的不斷增加，致使對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量提出相應(yīng)改進(jìn)，能夠更好地提高風(fēng)能利用率。根據(jù)我國的實(shí)際情況，為進(jìn)一步提高風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的可靠性，需要重視海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)場協(xié)調(diào)控制技術(shù)等，不斷增加電網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定性和可靠性，不斷攻克技術(shù)性難關(guān)，為新能源的開發(fā)利用奠定重要基礎(chǔ)。