風(fēng)電智能化技術(shù)未來發(fā)展方向研究

史明亮

（國華能源投資有限公司，北京 100007）

1 緒論

1.1 研究背景

在快速發(fā)展的人工智能技術(shù)背景下，多數(shù)理論及方法已經(jīng)被廣泛引入到能源電力行業(yè)領(lǐng)域中，尤其是在新能源風(fēng)力發(fā)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，包括傳感感知、建模、計算、存儲、傳輸、控制等方面，但是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電的區(qū)域都是在一些地廣人稀的地方，從而造成控制系統(tǒng)會出現(xiàn)很多問題，所以智能化控制系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)，如果將其智能化控制技術(shù)合理地融入到風(fēng)力發(fā)電自動化的控制系統(tǒng)中，那么可以促進(jìn)該行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，對我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有著重要的作用，因此要引起足夠的重視。

為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必須加快構(gòu)建以新能源為主題的新型電力系統(tǒng)，大力提升新能源消納和存儲能力，以能源電力綠色低碳發(fā)展引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革。我國風(fēng)電發(fā)展趨勢將是穩(wěn)步推進(jìn)風(fēng)電基地的發(fā)展，積極開展分布式風(fēng)電，將大規(guī)模集中開發(fā)和分布式發(fā)展模式有機(jī)結(jié)合，因地制宜發(fā)展。但是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電的區(qū)域都是在一些地廣人稀的地方，所以在控制系統(tǒng)中存在很多的問題。如果我們把智能化技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)上，可以達(dá)到很好的效果，也可以相對的促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀研究

“十三五”末，全國跨區(qū)跨省輸電通道加快推進(jìn)，區(qū)域電網(wǎng)主網(wǎng)架不斷完善，華北、華東特高壓主網(wǎng)架基本形成，華中、東北、西北主網(wǎng)架持續(xù)優(yōu)化，區(qū)域電網(wǎng)形成以特高壓、超高壓為骨干網(wǎng)架，同步優(yōu)化各級輸配電網(wǎng)，對分布式電源接入和用電需求多樣化的適應(yīng)性進(jìn)一步加強(qiáng)完善。如圖1所示，我國在2019年風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了21005萬千瓦，在全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量的占比大致為32.29%，較2018年上升約1個百分點(diǎn)。從整體上來看，我國累計裝機(jī)容量所占比重整體一直都呈現(xiàn)上升的趨勢，并在全球位列前茅。

圖1 2013-2020年中國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)及在全球所占比重（單位：萬千瓦，%）

在國外，美國總統(tǒng)布什在早年就曾提出“電網(wǎng)規(guī)劃”，這一規(guī)劃指出建設(shè)現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)不但可以保護(hù)經(jīng)濟(jì)安全，同時還可以促進(jìn)電力系統(tǒng)安全的運(yùn)行。這個規(guī)劃的主要內(nèi)容包括了為所有用戶提供高度安全、可靠、數(shù)字化的供電服務(wù)，在全國實(shí)現(xiàn)成本合理、生產(chǎn)過程無污染、低碳排放的供電，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儲能設(shè)備，建成超導(dǎo)材料的骨干網(wǎng)架。

2 風(fēng)電智能化技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

作為可再生能源的風(fēng)力，我國對風(fēng)力發(fā)電研究進(jìn)入到快速發(fā)展的重要性階段，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電有著隨機(jī)性和間歇性，就會導(dǎo)致在進(jìn)行大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)時會一定程度上出現(xiàn)影響電網(wǎng)的安全和電力質(zhì)量的問題。為了能夠合理有效地控制出現(xiàn)的功率間歇性和波動性問題，則需要重點(diǎn)對風(fēng)電設(shè)備的有效功率進(jìn)行平衡。但增加對應(yīng)的平衡設(shè)備又會導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)設(shè)備規(guī)模的不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)備發(fā)電的效率降低，所以在風(fēng)力發(fā)電的過程中，最為關(guān)鍵的就是智能化技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地對電網(wǎng)的整體發(fā)電效率進(jìn)行提高。

3 目前國內(nèi)大規(guī)模風(fēng)電帶來的問題

3.1 電網(wǎng)電壓控制難度高

隨著風(fēng)電場不斷地大規(guī)模接入電網(wǎng)，使得部分電網(wǎng)出現(xiàn)了較大困難，這個困難就是電網(wǎng)運(yùn)行電壓控制。目前中國的風(fēng)能資源離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，風(fēng)電大多數(shù)是接入一些薄弱的電網(wǎng)，并且這些電網(wǎng)很少受常規(guī)水火電廠的支撐，因此，這些區(qū)域的電網(wǎng)電壓非常容易受到電場中有功或者是無功出力的干擾。倘若有陣風(fēng)經(jīng)過風(fēng)電場時，在短短的分鐘內(nèi)，風(fēng)功率有極大的可能出現(xiàn)大幅度的漲落，從而風(fēng)電場中并網(wǎng)點(diǎn)的電壓受到大幅度的波動。因而如何更好的應(yīng)對風(fēng)電中的波動性特點(diǎn)，風(fēng)電場中側(cè)自動電壓的控制問題一直受到相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注，并為之研究。

3.2 局部電網(wǎng)接納能力不足

電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力受多種因素的限制。無功電壓問題電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性調(diào)頻、調(diào)峰、電能質(zhì)量等都是限制風(fēng)電接入容量的重要方面，并且在不同電網(wǎng)，限制風(fēng)電接納能力的因素略有差異，比如在吉林電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻問題是限制風(fēng)電出力的主要矛盾，而在張家口地區(qū)無功電壓及線路熱穩(wěn)定問題是限制風(fēng)電出力的主要因素；并且隨著風(fēng)電容量的增加限制因素可能變得更加復(fù)雜，解決這一問題需要在統(tǒng)籌規(guī)劃技術(shù)改造和管理等多方面開展工作。

4 利用風(fēng)電場智能化技術(shù)的解決策略

4.1 降低電網(wǎng)電壓的控制難度

定速風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中需要從電網(wǎng)吸收一定的無功功率，雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組普遍采用定功率因數(shù)方式運(yùn)行。對于小型風(fēng)電場采用集中無功補(bǔ)償后，風(fēng)電場電壓控制問題不大，但對于大型風(fēng)電場需要風(fēng)電機(jī)組具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，這需要通過技術(shù)和管理手段促進(jìn)風(fēng)電機(jī)組制造廠家進(jìn)行技術(shù)改造。國內(nèi)大部分已運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組普遍不具有無功調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電場的無功控制只能通過額外安裝靜態(tài)或動態(tài)無功補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)。電網(wǎng)已經(jīng)頒布的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定已經(jīng)提出了無功調(diào)節(jié)的要求，用于指導(dǎo)在建風(fēng)電場進(jìn)行無功建設(shè)。

4.2 加大局部電網(wǎng)的技術(shù)升級

一方面，要加快風(fēng)能資源豐富地區(qū)電網(wǎng)裝備技術(shù)升級。大陸風(fēng)能豐富的地區(qū)基本都處在偏遠(yuǎn)、落后且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的地區(qū)。風(fēng)能大規(guī)模集中開發(fā)的首要的問題是如何將巨大的風(fēng)能安全地接入電網(wǎng)。因此，必須在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)全面升級電網(wǎng)技術(shù)裝備。

另一方面，也要升級電網(wǎng)大范圍優(yōu)化資源配置的技術(shù)。我國能源資源的分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)要求我國電網(wǎng)必須具有在較大范圍內(nèi)優(yōu)化資源配置的能力，我國風(fēng)能資源豐富地區(qū)主要分布在“三北”地區(qū)，大量風(fēng)電功率需要遠(yuǎn)距離外送需要建設(shè)特高壓骨干網(wǎng)架的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，提高電網(wǎng)資源配置能力，當(dāng)前電網(wǎng)已經(jīng)開展了一些相關(guān)研究需要立足于已有研究成果進(jìn)一步深化。

5 我國風(fēng)電智能化技術(shù)未來的發(fā)展方向

5.1 風(fēng)能資源匱乏地區(qū)的應(yīng)用

完善風(fēng)能資源數(shù)值計算與分析標(biāo)準(zhǔn)，逐步建立山地和近海風(fēng)電場風(fēng)能資源評估、風(fēng)尾流以及風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)報有關(guān)的規(guī)范化數(shù)值計算標(biāo)準(zhǔn)與方法。隨著大規(guī)模風(fēng)電的發(fā)展，建立一整套大型風(fēng)電場風(fēng)能資源評估數(shù)值模擬計算標(biāo)準(zhǔn)與方法，形成和應(yīng)用完善的風(fēng)電場風(fēng)能數(shù)值預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)化計算方法，主要包括短臨和短時預(yù)報，中期和長期趨勢預(yù)測等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方法。研究適用于高空風(fēng)能資源利用的風(fēng)能資源評價技術(shù)，制定區(qū)域風(fēng)能資源質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 分布式系統(tǒng)方面的應(yīng)用

結(jié)合我國的實(shí)際國情，研制實(shí)用型分散式風(fēng)力-太陽能發(fā)電系統(tǒng)，符合我國由大機(jī)組、大電廠、大電網(wǎng)向大電網(wǎng)與小型、分散電源相結(jié)合的新能源發(fā)展政策。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電、負(fù)荷用電狀況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供需平衡，靈活實(shí)現(xiàn)各分散電源的組合?，F(xiàn)場能量管理系統(tǒng)在可再生能源大于負(fù)荷需求時，可將多余的電能用蓄電池儲存或用于輔助供電，比如制氫等，或根據(jù)上一級調(diào)度的要求將多余電能提供給大網(wǎng)，可再生能源不能滿足基本負(fù)載要求時，在充分利用可再生能源的前提下，不足部分由大網(wǎng)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。

5.3 加快實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和

我國在2014年首次提出了碳達(dá)峰和碳中和的計劃，該計劃有利于減緩二氧化碳的排放速度，同時二氧化碳的排放規(guī)模也能得到有效緩解。為達(dá)到“雙碳”的終極目標(biāo)，提高能源的效率，并改善能源結(jié)構(gòu)，必須要加快煤炭消費(fèi)率先達(dá)峰計劃的推進(jìn)工作，從而實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型替代。全國各地也在不斷地增加生物質(zhì)能源的利用率，比如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等等，不僅如此，在實(shí)現(xiàn)煤炭代替的同時也要注意煤炭的高效利用，并不斷創(chuàng)新碳捕捉技術(shù)，在談的二次利用中也能實(shí)現(xiàn)低碳化的目標(biāo)。

6 結(jié)語

綜上所述，智能化的風(fēng)電系統(tǒng)主要是通過在智能化信息大數(shù)據(jù)和云計算信息技術(shù)兩者的應(yīng)用下，提升風(fēng)能資源預(yù)測水平，加快分布式系統(tǒng)方面的應(yīng)用等。通過將智能化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行一體化應(yīng)用，能夠促進(jìn)風(fēng)電系統(tǒng)新型管理模式的形成，并使得風(fēng)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種管理問題得到高效的解決，進(jìn)而為我國風(fēng)力發(fā)電場可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。