現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運行分析

鮑祺龍 BAO Qi-long

（上海電力安裝第一工程有限公司，上海 200090）

0 引言

我國風(fēng)能資源豐富，但是在實際利用上存在諸多限制，風(fēng)能不可控性及電網(wǎng)不可調(diào)度性，導(dǎo)致電力運行尚不充分。同時我國部分地區(qū)先進設(shè)備的缺乏，電力限制深化，調(diào)度難題顯著。

1 現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)的運行實況分析

1.1 工程概況

河北省唐山市風(fēng)電場300MW工程地處于曹妃甸港同唐山市京唐港間的樂亭縣海域，其地理位置于北緯38°55.2′-39°3.9′，東經(jīng)118°45.1′-118°51.3′之間。該風(fēng)電場呈不規(guī)則表現(xiàn)形狀，南北長度于5.9km-11.2km之間，東西寬距約為7.8km，該風(fēng)電場面積為68.2km2。該海上風(fēng)電場于2018年5月4日試樁，隨著項目的日益發(fā)展，推進陸上220kV送出線路、海上升壓站、220kV海纜/35kV海纜敷設(shè)工程的推進，該工程已經(jīng)全面開工。

1.2 工程風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測技術(shù)分析

風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)在風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)中占據(jù)重要地位，它是指在一定時間內(nèi)預(yù)測風(fēng)電功率，并構(gòu)建起相適合的數(shù)字模型，實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測，以此來幫助相關(guān)技術(shù)人員更科學(xué)掌握風(fēng)電波動規(guī)律，從而促使技術(shù)人員更有效控制風(fēng)電系統(tǒng)所造成的影響，將風(fēng)險把控于可控范圍內(nèi)，以此來顯著穩(wěn)定風(fēng)電系統(tǒng)，提高風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)的可靠性。該工程的風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測技術(shù)主要面向于超短期功率、短功率、中長期功率。其中，超短期功率預(yù)測主要是在5小時的時間段內(nèi)，短期功率預(yù)測是在三天時間內(nèi)?？茖W(xué)有效的功率預(yù)測，將促使相關(guān)技術(shù)人員更好地平衡輸送功率，以此來有效提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。當(dāng)前，我國風(fēng)電場短期功率預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用較為熟練，其中預(yù)測技術(shù)主要包括物理方法、物理統(tǒng)計方法、統(tǒng)計方法這三種，并且，該工程也建有一套系統(tǒng)完備、行之有效的風(fēng)電功率預(yù)測體系，應(yīng)用多種預(yù)測方法，構(gòu)建起混合式風(fēng)電功率預(yù)測模式，從而顯著解決風(fēng)電系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)丟失以及風(fēng)電功率場環(huán)境復(fù)雜等難題，顯著提高我國風(fēng)電發(fā)電廠功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

河北省唐山風(fēng)電場采用指數(shù)平滑法構(gòu)建預(yù)測模型，其平滑公式為St=αxt-1+（1-a）St-1，0＜α≤1，t≥3。表1即為A市SK發(fā)電廠應(yīng)用所應(yīng)用的指數(shù)平滑法以及相關(guān)公式，數(shù)據(jù)均選取2022年6月6日-6月26日的數(shù)據(jù)信息，予以縱向預(yù)測未來7天風(fēng)電功率實況。通過表1數(shù)據(jù)信息即可清晰觀察到，平滑參數(shù)α的不斷提高，預(yù)測結(jié)果的過濾和準(zhǔn)確率在小范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，其準(zhǔn)確率控制于70%，合格率則在70%以上，由此即可說明，風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測方法可以應(yīng)用指數(shù)平滑預(yù)測模式。

表1 風(fēng)電功率預(yù)測數(shù)據(jù)

1.3 風(fēng)電新能源并網(wǎng)試驗檢測技術(shù)分析

若是想要從本質(zhì)上提高風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)綜合性能，就需在前期進行系列試驗，只有在反復(fù)試驗檢測的基礎(chǔ)上，方可顯著提高我國風(fēng)電機組綜合水平，保持風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高風(fēng)電系統(tǒng)的安全性。當(dāng)前我國風(fēng)電場檢測并網(wǎng)技術(shù)主要在于風(fēng)電場并網(wǎng)檢測及風(fēng)電機的并網(wǎng)試驗兩部分內(nèi)容。其中風(fēng)電機并網(wǎng)試驗主要是檢測風(fēng)電機組有功無功狀態(tài)下的調(diào)節(jié)能力、低壓穿透能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)能力等等相關(guān)基礎(chǔ)性能。風(fēng)電場并網(wǎng)檢測主要是綜合檢測并評價風(fēng)電場中風(fēng)機組并網(wǎng)性能和風(fēng)電性能。我國風(fēng)電場所含的風(fēng)電機組種類豐富、樣式繁多，相關(guān)的試驗檢測需求也較高，因此，需構(gòu)建起相適應(yīng)的試驗檢測平臺，以此來顯著降低試驗檢測工作強度，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.4 風(fēng)電新能源并網(wǎng)電力調(diào)度技術(shù)分析

風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)穩(wěn)定性的有效提升過程中，電力調(diào)度優(yōu)化是其有效方式，電力調(diào)度的優(yōu)化需綜合風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果循序開展，以此為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行，預(yù)留足夠空間，以此來實現(xiàn)極具價值的風(fēng)電并網(wǎng)消納。當(dāng)前，我國應(yīng)用最為頻繁、最為廣泛的是基于時序遞進的風(fēng)電調(diào)度方法，是相關(guān)技術(shù)人員綜合我國當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展實況，結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗所研制出來的，因此，科學(xué)性顯著。此類調(diào)度方法主要面向于風(fēng)電系統(tǒng)實際運行過程中的不確定區(qū)間，從而實現(xiàn)合理調(diào)度風(fēng)電。除此之外，我國也深入研究了風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，不斷降低風(fēng)電系統(tǒng)的不確定影響因素，從而保障風(fēng)電系統(tǒng)的足夠穩(wěn)定和安全。

2 機側(cè)變流器控制分析

本工程主要采用永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，因?qū)ζ浞€(wěn)定性能要求越來越高，因此，對于此類的PMSG控制系統(tǒng)也提出了全新要求，即可總結(jié)為：控制精確、響應(yīng)速度、震蕩幅度小，發(fā)電效率高，功率因數(shù)高，且系統(tǒng)控制簡單，速度被調(diào)房內(nèi)寬泛，魯棒性準(zhǔn)高等等。由此，機遇PMSG矢量控制方法中的i*d=0，控制方法用的較多，相應(yīng)的瑞慈控制、最大轉(zhuǎn)矩控制也有所應(yīng)用，由此，本文所采用的計策控制分析就是在此方法基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)研究的。

2.1 矢量控制原理

零d軸矢量控制，即為發(fā)電機d軸相關(guān)的電流分量需時刻保持于0，同時也需保障公式中的id=0，由此即可總結(jié)電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

公式（1）中即可清晰發(fā)現(xiàn)，如若id=0，Te同iq之間則構(gòu)成線性關(guān)系，則需調(diào)整id即可將電磁轉(zhuǎn)矩予以調(diào)整。并且通過（1）即可總結(jié)出定子dq分量電流參考數(shù)值。

適當(dāng)引入PI調(diào)節(jié)，促使該電壓變成反饋項，即可實現(xiàn)dq軸電流解耦控制，從而得到電壓PI調(diào)解方程。

綜上所述，即可得出該發(fā)電機的核心控制框架圖如圖1所示。

圖1 機側(cè)控制框架圖

2.2 最大風(fēng)能追蹤

最大風(fēng)能追蹤即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作過程中，該控制系統(tǒng)通過對其轉(zhuǎn)速、功率的綜合調(diào)節(jié)，促使風(fēng)電系統(tǒng)得以保持在最佳工作點，獲取當(dāng)前風(fēng)能，從而提供最大功率。由此，常用最大風(fēng)能追蹤方法有：功率反饋控制法、葉尖速比法、爬山搜索法。由此，本文主要采用爬山搜索法予以對比分析爬山搜索法主要是通過前后狀態(tài)的對比，逐步探尋最大值計算方法。通過采用爬山搜索法，捕捉最大風(fēng)能時，最大優(yōu)點在于，無需測量風(fēng)速，也無需知道發(fā)電機特性。但是明顯缺點在于擾動步長很難確定。由此，如圖2所示的功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系圖中，其PK是發(fā)時刻風(fēng)力機輸出功率，wK則是k時刻風(fēng)力機實際轉(zhuǎn)速，PK-1和wk-1是其K-1時刻中相對應(yīng)的功率、轉(zhuǎn)速。通過對圖2轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖的分析，即可總結(jié)。

圖2 轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖

①如若PK-1＜PK，且wk-1＜wk時，則表示該風(fēng)力機功率將隨著轉(zhuǎn)速的增加循序增加。在此過程中，需提高轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

②如若PK-1＞PK，且wk-1＞wk時，則表示該風(fēng)力機功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序減少。在此過程中，需增加轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

③如若PK-1＜PK，且wk-1＞wk時，則表示該風(fēng)力機功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序增加。在此過程中，需繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

④如若PK-1＞PK，且wk-1＜wk時，則表示該風(fēng)力機功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序減少。在此過程中，需降低轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

2.3 風(fēng)電新能源并網(wǎng)機側(cè)模型搭建

依據(jù)前文i*d=0控制策略構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，所搭建的圖3所示機側(cè)變流器控制模型，通過圖2所示的框架流程圖，將系統(tǒng)編寫M文件，從而輸出功率，轉(zhuǎn)速現(xiàn)態(tài)、次態(tài)，從而計算出發(fā)電機參考速度，在依托零d軸控制策略，實現(xiàn)電機的最終控制，從而追蹤最大風(fēng)能。

圖3 機側(cè)變流器控制模型

3 風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運行提升策略

3.1 創(chuàng)新優(yōu)化風(fēng)電工程建設(shè)架構(gòu)

為了有效實現(xiàn)我國風(fēng)電新能源并網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，依據(jù)我國各個地區(qū)實際發(fā)展?fàn)顩r，在風(fēng)電并網(wǎng)推進過程中，貫徹落實“閉環(huán)結(jié)構(gòu)開環(huán)運行”模式，通過此種運行模式，將有效穩(wěn)定電網(wǎng)運行情況。歸根結(jié)底在于電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中主要表現(xiàn)于環(huán)形狀態(tài)，一旦出現(xiàn)線路故障問題，就需及時同有關(guān)工作人員取得聯(lián)系，合理運用開關(guān)，以此促使電能通過其他線路實現(xiàn)有效傳輸，以此來保障電力系統(tǒng)得以正常運行，避免其他電力用戶受到影響，并最大限度降低電能損耗，保障電力設(shè)備同發(fā)電機組運行過程更加安全穩(wěn)定。

3.2 緩解電網(wǎng)壓力降低功率損耗

電網(wǎng)功率主要有功率消耗、無功率消耗兩種消耗內(nèi)容。隨著風(fēng)電發(fā)電網(wǎng)功率損耗相關(guān)研究的不斷深入，功率計算方法，就能更及時地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)部所隱藏的故障問題，以及潛藏的安全隱患。在顯著降低風(fēng)電功率損耗的同時，也能顯著優(yōu)化用電負(fù)荷，適當(dāng)延長電力設(shè)備實際使用壽命。因此，若是想要更科學(xué)計算風(fēng)電網(wǎng)的有效功率，就需要選用科學(xué)導(dǎo)線路徑，保障所傳輸量最大的基礎(chǔ)上，顯著降低電阻壓力數(shù)值，以此在最大范圍內(nèi)降低有效功率的實際損耗，提高有效功率傳輸效果。于無效功率而言，就需綜合風(fēng)力發(fā)電場運行實況，選擇相適合的專業(yè)變壓器用于電廠的實際供電、發(fā)電，針對性選擇相適合的無功補償。綜合我國風(fēng)電新能源現(xiàn)狀，以及并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而言，風(fēng)力電網(wǎng)資源的有效整合，推行無功補償，綜合采取并聯(lián)電容、精致無功電力補償器、同步調(diào)相繼這三種電力損耗無功補償方式，立足于電網(wǎng)實際之特點，綜合電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)需求，針對性選取將風(fēng)力電網(wǎng)運行負(fù)荷降至最低的方案，從而顯著降低功率損耗，創(chuàng)收更大的經(jīng)濟價值，提高社會整體收益。

4 風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)未來發(fā)展態(tài)勢

4.1 新技術(shù)同風(fēng)電新能源并網(wǎng)預(yù)測技術(shù)有效融合

在推進海上風(fēng)電新能源的發(fā)展形勢下，各個區(qū)域海上風(fēng)電新能源建設(shè)也愈發(fā)加快，風(fēng)電裝機容量也不斷增大，這同時也對風(fēng)電功率的預(yù)測精準(zhǔn)度提出更高要求，因此，更創(chuàng)新的改進方法融入，將滿足更為綜合的功率預(yù)測精度需求。首先，應(yīng)綜合計算機技術(shù)，融入遙感技術(shù)，以此來顯著提高天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度，提升天氣預(yù)報更新頻率，并在間接作用下促使輸入至風(fēng)電預(yù)測模型的數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，提高預(yù)測精確度，同時，可有效應(yīng)用小波分析、混沌理論等智能方式，構(gòu)建起系統(tǒng)性的預(yù)測模型，通過非線性和線性相綜合方式，逐步健全預(yù)測方式，提高預(yù)測結(jié)果精確度，顯著降低預(yù)測誤差。尤其是當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同非線性網(wǎng)絡(luò)的有機結(jié)合，將更有利于相關(guān)預(yù)測性能的有效發(fā)揮，促使各個模型之間得以優(yōu)勢互補，促使模型數(shù)據(jù)顯著優(yōu)化，進一步提高模型預(yù)測精度。最后，實時測量氣象數(shù)據(jù)信息，也將顯著減少風(fēng)電功率短期預(yù)測誤差。

4.2 深度探索并網(wǎng)技術(shù)及風(fēng)能捕獲技術(shù)

風(fēng)電場深受諸多因素所影響，發(fā)展不平衡問題顯著。其中風(fēng)力對風(fēng)機控制系統(tǒng)的影響最為明顯，綜合諸多角度分析，便可清楚，若是出現(xiàn)電力不均衡問題，將直接影響到電網(wǎng)安全。綜合相關(guān)研究分析，為了能夠保障電網(wǎng)安全，并且大力推進風(fēng)電新能源的發(fā)展，需有效提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)故障處理能力，并以此為基礎(chǔ)，針對風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)以及對電網(wǎng)的有效支持即可采取輔助措施，深化二者聯(lián)系，構(gòu)建起系統(tǒng)性的應(yīng)對框架。風(fēng)電場不穩(wěn)定性因素，同當(dāng)前大自然神秘因素息息相關(guān)，雖然諸多能源可以投入應(yīng)用，但是如何提升應(yīng)用效果是其中最為嚴(yán)峻的問題。風(fēng)能是可再生能源的一種，更是綠色低碳能源的代表，在環(huán)境保護方面具有極其重要的意義。然而，如何高效捕獲自然界風(fēng)能是當(dāng)前首要研究重點。綜合現(xiàn)有風(fēng)電新能源的研究實況來看，若是想要捕獲更多風(fēng)能，需調(diào)節(jié)槳距，優(yōu)化發(fā)電機組轉(zhuǎn)速功率，作為其主要措施。此外，也需綜合考慮到風(fēng)電新能源的具體應(yīng)用價值，實際應(yīng)用目的，并綜合電網(wǎng)運行的可行性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等原則特征，實現(xiàn)技術(shù)研發(fā)?？偠灾?，未來風(fēng)電新能源創(chuàng)新研發(fā)的首要任務(wù)在于風(fēng)能捕獲技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，雖然當(dāng)前風(fēng)電新能源技術(shù)發(fā)展仍然存在諸多問題，但是綜合考慮到風(fēng)電能源屬于可再生能源，將顯著緩解全球能源緊張，便需要對此深入研究，從而保障諸多方面均滿足于能源需求。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運行較為良好，但是仍然存在諸多限制，由此，我國需加大力度創(chuàng)新研發(fā)，注重綜合素質(zhì)人才的培養(yǎng)，立足于電網(wǎng)實際之特點，綜合電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)需求，針對性選取將風(fēng)力電網(wǎng)運行負(fù)荷降至最低的方案，從而顯著降低功率損耗，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值，提高社會整體收益。