風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和優(yōu)化策略

羅慶欣，曹睿博，李思涵，何 軍，吳挺星

黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027

0 引言

隨著社會(huì)與科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求量逐年增加，但目前全球傳統(tǒng)常規(guī)能源（石油、煤炭等）的儲(chǔ)備前景堪憂，使用傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染等問(wèn)題也十分嚴(yán)重。因此，人們對(duì)新能源的呼聲越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年11月，我國(guó)新能源發(fā)電量達(dá)到1.035 57×1012kW·h，年內(nèi)首次突破1×1012kW·h，同比增長(zhǎng)32.97%，占全國(guó)用電量的比例達(dá)13.8%，同比提升2.14%。我國(guó)使用的能源資源包括煤炭、石油、天然氣、水能等常規(guī)能源，也包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、波浪能、洋流能、潮汐能、海洋能、氫能、核能等新能源。其中，新能源一般是指利用新技術(shù)開(kāi)發(fā)利用的可再生能源。

電能是由一次能源轉(zhuǎn)換得到的二次能源，電能既適于大量生產(chǎn)、集中管理、自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)距離輸送，又具備使用方便、潔凈、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[1]。用電能替代其他能源，可以提高能源的利用效率，而新能源發(fā)電技術(shù)就是利用新能源發(fā)電的技術(shù)。我國(guó)是用電大國(guó)，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的能源供應(yīng)挑戰(zhàn)。為了緩解能源供應(yīng)的緊張局面，要在全社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)約，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。在倡導(dǎo)節(jié)約用電的同時(shí)，還需要積極尋求能夠替代傳統(tǒng)常規(guī)能源的新能源發(fā)電技術(shù)。常見(jiàn)的新能源發(fā)電技術(shù)有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等。隨著科技的發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的新能源發(fā)電技術(shù)被發(fā)現(xiàn)和使用。對(duì)此，文章以風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為例探索新能源發(fā)電技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電流接入電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)引發(fā)寬頻震蕩等一系列問(wèn)題，使電網(wǎng)安全受到威脅。如何改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時(shí)的電力系統(tǒng)連接方式，使風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用，是需要探討和解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。文章結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際要求，探討如何在并網(wǎng)背景下實(shí)現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其并網(wǎng)系統(tǒng)概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能總量約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量大10倍。我國(guó)的風(fēng)能儲(chǔ)量大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53×108kW?！吨腥A人民共和國(guó)2021年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2021年，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量為3.284 8×108kW，同比增長(zhǎng)16.6%。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將自然環(huán)境中的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)需要考慮取材的便捷性和發(fā)電原理的簡(jiǎn)潔性[2]。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)的速度，以促使發(fā)電機(jī)發(fā)電?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在3 m/s的微風(fēng)速度下便可以開(kāi)始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，因此在新能源發(fā)電領(lǐng)域中得到充分重視和廣泛應(yīng)用[3]。

在風(fēng)力發(fā)電背景下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率與宏觀電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率需要保持一致。風(fēng)力發(fā)電主要有恒速恒頻發(fā)電及變速恒頻發(fā)電兩種基本的發(fā)電形式。其中，恒速恒頻發(fā)電形式需要控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的失速調(diào)節(jié)狀態(tài)，主要應(yīng)用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)承擔(dān)相應(yīng)的發(fā)電工作；變速恒頻發(fā)電主要依靠電力電子變頻器發(fā)揮作用，利用變頻器可以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出頻率與電能轉(zhuǎn)化頻率的一致性，使電機(jī)輸出的能源可以直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能資源[4]。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)揮作用的基本結(jié)構(gòu)為微網(wǎng)系統(tǒng)。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在若并網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行中受到干擾或者出現(xiàn)問(wèn)題，微網(wǎng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)并初步解決這些問(wèn)題；在微網(wǎng)系統(tǒng)中有分布式電源，因此微網(wǎng)系統(tǒng)能夠使電網(wǎng)受到的干擾降到最低[5]。

微網(wǎng)系統(tǒng)的組成主要包括微型電源負(fù)荷結(jié)構(gòu)、電能轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能裝置等[6]，在實(shí)際應(yīng)用中，這些結(jié)構(gòu)通過(guò)協(xié)同作用，能夠充分、合理地應(yīng)用傳輸進(jìn)電網(wǎng)的能源，通過(guò)能源的有效調(diào)配和充分應(yīng)用，提升并網(wǎng)運(yùn)行的效果。在發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性方面，微網(wǎng)系統(tǒng)可通過(guò)靈活調(diào)整負(fù)荷級(jí)別來(lái)保證整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性；在實(shí)際應(yīng)用效果方面，由于微網(wǎng)系統(tǒng)中存在分布式電源結(jié)構(gòu)，微網(wǎng)系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)電力資源的穩(wěn)定供應(yīng)，還能在本地供電任務(wù)完成后，將剩余的電力資源直接合并融入宏觀的電網(wǎng)系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用，這也是微網(wǎng)系統(tǒng)的智能化和環(huán)保性能的典型體現(xiàn)。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

3.1 微網(wǎng)系統(tǒng)的控制

控制風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)——微網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)微電源的類型進(jìn)行有針對(duì)性的控制。不同類型的微電源存在差異，需要在控制過(guò)程中結(jié)合實(shí)際采用相應(yīng)的控制方法[7]。在具體的控制過(guò)程中，工作人員需要基于微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式及不同類型部件的運(yùn)行狀態(tài)，以保持其良好的協(xié)同運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)微網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間的關(guān)系。通過(guò)控制各個(gè)設(shè)備的頻率和運(yùn)行方式，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)，達(dá)到高效的控制效果。在落實(shí)控制工作的過(guò)程中，工作人員需要結(jié)合不同設(shè)備及不同電網(wǎng)對(duì)電力資源供應(yīng)的宏觀要求，加大對(duì)核心技術(shù)和核心設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的異常和問(wèn)題，使微網(wǎng)支持下的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能的有效性。

3.2 能源控制

能源控制不僅是風(fēng)力應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的基本要求，也是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的核心管理內(nèi)容。對(duì)此，需要結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況制訂具體的控制策略，控制能源輸出的狀態(tài)。具體而言，可以通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式控制分布式設(shè)備，達(dá)到良好的能源利用控制效果；也可以通過(guò)靈活調(diào)整負(fù)荷級(jí)別，使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中既能有效地發(fā)揮其能源供應(yīng)的作用，又能夠充分利用各種能源。另外，通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能源管理和控制能夠?qū)崿F(xiàn)能源之間的相互交換，即使系統(tǒng)遇到一些問(wèn)題，也能夠靈活調(diào)整關(guān)鍵負(fù)荷區(qū)域，通過(guò)犧牲或延遲的方式保持系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)外部指令的有效響應(yīng)，使電力負(fù)荷狀態(tài)保持在相對(duì)平衡的水平上[8]。

3.3 故障的控制

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用需求呈現(xiàn)出不斷復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，在這一背景下，工作人員需要采取有針對(duì)性的措施對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障進(jìn)行檢驗(yàn)和維修，這也是確保并網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電時(shí)能夠充分穩(wěn)定地發(fā)揮作用的重要前提。現(xiàn)階段，主要應(yīng)用DER保護(hù)系統(tǒng)控制、維護(hù)、保養(yǎng)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。該控制保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)^(guò)壓、欠壓等異常情況實(shí)施保護(hù)，對(duì)分布式電源的功能發(fā)揮效果也能起到監(jiān)督和保護(hù)的作用。除此之外，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)連接的單元數(shù)量存在差異，需要基于其差異設(shè)置單元模式，確保可以及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)故障電流并判斷其級(jí)別，從而實(shí)現(xiàn)更加顯著的繼電保護(hù)效果。即使設(shè)備本身出現(xiàn)硬件上的故障和危機(jī)，也能夠利用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的自主保護(hù)功能盡可能地減少系統(tǒng)故障對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)是并網(wǎng)系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的、已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行系統(tǒng)。文章以這種并網(wǎng)模式為例，探討優(yōu)化提升風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行性能的有效策略。

4.1 確認(rèn)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)

在電力網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)運(yùn)行的環(huán)境背景下，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)主要是指最大注入功率指標(biāo)和潮流量指標(biāo)。在風(fēng)力發(fā)電背景下，風(fēng)速與風(fēng)力的分布狀態(tài)具有一定的隨機(jī)性。為了提高風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中技術(shù)人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程的掌握程度，需要在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就確認(rèn)好最大注入功率指標(biāo)和相關(guān)的數(shù)據(jù)級(jí)別，這也是提高風(fēng)力發(fā)電可靠性的有效策略。當(dāng)可靠性指標(biāo)得到提升后，整體的風(fēng)力發(fā)電效率也能夠得到提升。在確定具體的指標(biāo)數(shù)值范圍的過(guò)程中，需要考慮相關(guān)影響因素，包括地域性因素和特殊的干擾因素。技術(shù)人員需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的具體環(huán)境分析、確認(rèn)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)指標(biāo)。

4.2 優(yōu)化和完善保護(hù)裝置

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程，需要通過(guò)保護(hù)裝置來(lái)減少各種影響因素的負(fù)面影響。現(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的保護(hù)方式為無(wú)功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)保護(hù)，這種保護(hù)方式能夠有效提升供電廠的安全容量。在具體的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)了解無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量指標(biāo)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的具體情況、風(fēng)電廠的容量指標(biāo)等，將其融入相關(guān)設(shè)計(jì)工作的參照指標(biāo)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化和完善整體電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。若調(diào)控系統(tǒng)發(fā)生故障，可采用低電壓方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的自動(dòng)斷電，使相關(guān)系統(tǒng)和整體運(yùn)行狀態(tài)保持穩(wěn)定。在具體的工作中，技術(shù)人員要精準(zhǔn)地把握電網(wǎng)的調(diào)控及負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。在特殊情況下，為了保持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，可選取直流電的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定電流接入。

4.3 確保電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定

為了確保電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要從整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)入手，提高其技術(shù)性，并且保障設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中硬件設(shè)備選擇的有效性和針對(duì)性，確保整個(gè)電壓系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和使用技術(shù)都在設(shè)計(jì)階段達(dá)到要求。尤其是在應(yīng)用智能化和自動(dòng)化的控制裝置的過(guò)程中，要注意合理地配置裝置，以提升應(yīng)用效果和智能化程度，避免風(fēng)力發(fā)電這種新能源發(fā)電模式中可能存在的干擾因素帶來(lái)的負(fù)面影響?；陲L(fēng)力發(fā)電廠現(xiàn)階段的應(yīng)用規(guī)模較大的特征，為了使其應(yīng)用更為安全可靠，相關(guān)人員應(yīng)充分重視和了解異步發(fā)電機(jī)的使用，在大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電的背景下，避免多個(gè)電機(jī)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)的電壓系統(tǒng)異?，F(xiàn)象。此外，相關(guān)人員需要采取針對(duì)性的措施以保持電壓系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.4 加強(qiáng)系統(tǒng)的后期維護(hù)

系統(tǒng)的后期維護(hù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有效控制起著重要的作用。后期維護(hù)主要包含安全管理和檢修管理兩大方面。在安全管理方面，首先需要不斷完善相關(guān)的安全生產(chǎn)管理體系，明確安全要求；其次，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的施工全過(guò)程的管理和超前控制，以保證電力生產(chǎn)過(guò)程的安全、可控；最后，應(yīng)當(dāng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程中建立標(biāo)準(zhǔn)化的管理制度和措施。在檢修管理方面，需要安排好風(fēng)機(jī)設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)工作，進(jìn)行定期檢測(cè)，保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定；還需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)配件的管理，以保證在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠快速找到設(shè)備配件進(jìn)行更換，而不會(huì)影響整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)體系的運(yùn)行，從而提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電模式下的并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的控制工作，需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的具體發(fā)電特征和發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式做好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)核心環(huán)節(jié)的控制與優(yōu)化工作。采取有效的控制優(yōu)化措施，使并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)和整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到更加穩(wěn)定的水平，這是確保電網(wǎng)系統(tǒng)充分利用風(fēng)力，并為電力資源供應(yīng)提供保障的重要措施。在未來(lái)的并網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行中，技術(shù)人員只有更加精準(zhǔn)有效地分析不同系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備的應(yīng)用原理，才能夠確保新型的、智能化的綠色環(huán)保電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式得到更廣泛的應(yīng)用。