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

潘文幸

（潤建股份有限公司，廣西 南寧 530000）

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是世界各國最為普遍的風(fēng)力發(fā)電模式，通過電力網(wǎng)絡(luò)進行補償與支撐，其設(shè)計及有關(guān)系統(tǒng)的控制必須按照風(fēng)電的基本要求及操作原理進行有針對性的工作，并制訂出相應(yīng)的控制及優(yōu)化方案，以使現(xiàn)有風(fēng)力資源得到更大程度的開發(fā)與利用。但是，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)在實際應(yīng)用和操作中仍存在諸多問題，尤其是風(fēng)電具有隨機、間歇等特性，其在吸納風(fēng)電功率后，可能會引起端網(wǎng)電壓波動，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，一旦發(fā)生配線故障，極易引起電壓跌落、失穩(wěn)，甚至不能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，在檢修完畢后，由于無功供應(yīng)不足，需對其它問題進行妥善處理。因此，必須對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進行有效控制和優(yōu)化。

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

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的中心思想是在市政發(fā)電的基礎(chǔ)上，將風(fēng)電與市政電網(wǎng)有效結(jié)合起來，以風(fēng)電為城市供電。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用對降低環(huán)境污染、推動新能源開發(fā)、節(jié)省常規(guī)能源、提高資源利用率、降低非再生能源消耗具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)點明顯，但易受風(fēng)力資源制約。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，在沒有提前響應(yīng)的情況下，將會給人們的生產(chǎn)、生活帶來很大的影響。同時，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)公司目前的技術(shù)水平尚不足以實現(xiàn)高效的風(fēng)能存儲，這也會嚴(yán)重影響到公司的風(fēng)力發(fā)電效率。

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用的是微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由微力載荷結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)化裝置、能量儲存裝置等構(gòu)成。在實際應(yīng)用中，通過相互協(xié)作，可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的充分、公平的利用，有效地分布并最大限度地使用能量，能夠改善電網(wǎng)聯(lián)接的效率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時甚至在故障發(fā)生之前，實現(xiàn)對故障的預(yù)警和處理。在電氣聯(lián)接系統(tǒng)的可靠工作方面，單片機可根據(jù)實際情況，靈活地調(diào)節(jié)負(fù)荷等級，以保證整個聯(lián)接系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，在工程實踐中，該系統(tǒng)不僅能夠保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電，而且還能夠在本地供電之后，將宏電網(wǎng)中繼系統(tǒng)的剩余電能直接并網(wǎng)。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題

2.1 存在孤島效應(yīng)

所謂“孤島效應(yīng)”，就是在某一區(qū)域內(nèi)形成了一條電流通路，但卻沒有一條電流流過，這是由電網(wǎng)故障造成的電能損耗以及由用戶側(cè)供電系統(tǒng)脫離城市電網(wǎng)造成的風(fēng)電場與城市電網(wǎng)斷開聯(lián)系，從而造成“孤島效應(yīng)”效應(yīng)。當(dāng)風(fēng)電出力超出預(yù)期時，會造成終端供電短缺，并在隔離區(qū)產(chǎn)生強壓、沖擊等現(xiàn)象，對配電網(wǎng)的安全運行造成嚴(yán)重威脅。為此，需要在聯(lián)接時，通過對電網(wǎng)的電壓、頻率變化進行探測，并對電網(wǎng)的頻率變化、相位跳變、失穩(wěn)電流等進行監(jiān)控。隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，其所帶來的“孤島效應(yīng)”將加劇，因此必須對其進行有效治理，才能保證其安全穩(wěn)定運行。

2.2 穩(wěn)定性不足

風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)速對系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用，由于不能實現(xiàn)人工調(diào)控，造成了機組的頻率、功率波動較大，同時也造成了系統(tǒng)的電壓波動、閃變等問題。風(fēng)電機組在運行過程中會引起電網(wǎng)電壓波動，造成機組運行不穩(wěn)定。風(fēng)電機組的運轉(zhuǎn)主要由起動、停機、開關(guān)三部分組成，其中，電源偏差只適合多個機組或多個繞組的風(fēng)電機組，且易引起風(fēng)電機組的功率波動、電壓波動，且在風(fēng)電機組終端及鄰近節(jié)點間不穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)融合后，將對電網(wǎng)的電壓、頻率穩(wěn)定與安全產(chǎn)生影響。在風(fēng)電并網(wǎng)的初始階段，電網(wǎng)中極易產(chǎn)生電壓諧波，當(dāng)風(fēng)力發(fā)生較大波動時，風(fēng)電機組及風(fēng)場周圍會產(chǎn)生電壓閃變，從而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2.3 發(fā)電機技術(shù)的先進性不足

目前，我國風(fēng)電行業(yè)主要是從國外引進的先進技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中還存在著很多問題，比如風(fēng)電機組的運行機理還不完善等，在新技術(shù)的運用上也有一定的盲目性和不確定性，在發(fā)電能力逐步提高的同時，也會對風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。目前，雖然對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)機組的操作有相似的規(guī)范，但是在有關(guān)規(guī)范中缺乏對機組的可靠度的評價，導(dǎo)致對機組操作的可靠度評價并未得到有效的實施。究其原因，主要是由于機組廠商只注重經(jīng)濟效益，對機組投產(chǎn)后的經(jīng)營控制存在著某種程度的疏忽。由于缺乏對機組運行安全性和可靠性的深入研究，將直接影響到風(fēng)機的正常工作，從而使電網(wǎng)在并網(wǎng)電網(wǎng)后經(jīng)常發(fā)生的安全事故。因此，應(yīng)從我國實際情況出發(fā)，加強對風(fēng)力渦輪機和光伏系統(tǒng)的技術(shù)研究，提高風(fēng)力渦輪機和光電系統(tǒng)的運行效率，并采用新技術(shù)降低風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)后的不穩(wěn)定性。

2.4 給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟壓力

風(fēng)電將會成為未來最大的一種能源，但從經(jīng)濟效益上講，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)會對傳統(tǒng)的發(fā)電方式產(chǎn)生沖擊，造成火力發(fā)電廠和裝備的限制，從而使電力企業(yè)面臨更大的經(jīng)濟損失。與此同時，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)以后仍然存在著故障的危險，設(shè)備的維修耗費了大量的金錢和人力，而且后期的維修和研發(fā)，還會對電站的運行成本產(chǎn)生影響，所以，必須要強化對經(jīng)濟效益的研究。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

3.1 能源控制

能源控制既是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保的根本要求，又是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)公司在并網(wǎng)模式下的核心控制內(nèi)容，因此，需要針對電力系統(tǒng)的實際運行狀況，制訂出符合電力系統(tǒng)特點的電力系統(tǒng)控制方案。尤其是對于分散式裝置，采用點對點的控制方式，能夠達到較好的節(jié)能效果；通過對負(fù)載水平的柔性調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮供能功能，實現(xiàn)多種能量的高效利用。同時，利用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能源控制與調(diào)度技術(shù)，能夠在發(fā)生故障時對關(guān)鍵負(fù)荷區(qū)進行靈活的調(diào)節(jié)，保證對外界指令的快速響應(yīng)，保證電網(wǎng)負(fù)荷的穩(wěn)定。

3.2 微網(wǎng)系統(tǒng)控制

在對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)進行控制時，要針對不同的微電源種類，根據(jù)具體情況采用相似的控制方式，有目標(biāo)地進行控制。在實際操作中，為了保證系統(tǒng)的正常工作，需要對各部件的工作狀況進行分析；對每臺機組進行調(diào)頻、調(diào)速，并對相關(guān)參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，可取得較好的控制效果；在進行控制工作時，工作人員要與各種設(shè)備以及電網(wǎng)對電源的總體需求相結(jié)合，強化對核心技術(shù)以及關(guān)鍵設(shè)備的工作狀況的監(jiān)控并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作狀況的異常與問題，以保證風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在微卡的支撐下能夠穩(wěn)定地工作，保證系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定性與功能的高效性。

3.3 故障控制

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍與需求日趨復(fù)雜，如何對其進行診斷與排除，是風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全面、穩(wěn)定運行的前提[2]。當(dāng)前，DER 防護體系的應(yīng)用主要是對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進行檢測、維護和維修。該控制與保護系統(tǒng)能有效地避免過壓、欠壓等不正?，F(xiàn)象，并能有效地對分布式電源進行監(jiān)控與保護。同時，考慮到風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)所涉及的裝置數(shù)目不一樣，需要針對裝置數(shù)目進行相應(yīng)的裝置配置，以保證裝置動作的準(zhǔn)確性和可靠性，進而提高繼電保護的效率。即便是在設(shè)備發(fā)生了硬件失效或發(fā)生了緊急情況下，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)公司的自動保護功能仍可用于將系統(tǒng)失效對電網(wǎng)的操作所造成的沖擊降到最低。

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

4.1 研發(fā)新型配電系統(tǒng)

為解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)問題，有必要進行新型配電網(wǎng)設(shè)計。在進行初期設(shè)計時，應(yīng)對建設(shè)場地進行實地考察，對風(fēng)電發(fā)電的環(huán)境進行分析，制定切實可行的風(fēng)電并網(wǎng)方案，從而保證配電網(wǎng)的平穩(wěn)運行，并達到節(jié)能降耗的目的。如風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)集中建設(shè)，風(fēng)電系統(tǒng)需設(shè)于風(fēng)電資源較多的區(qū)域，當(dāng)距離用電負(fù)荷中心較遠、傳輸線路較長、通道斷面受限時，需對電網(wǎng)進行重新規(guī)劃，以降低亞同步振動問題。

4.2 確定關(guān)鍵性數(shù)據(jù)

在電網(wǎng)并網(wǎng)運行的大環(huán)境中，關(guān)鍵參數(shù)主要指的是最大投入量指數(shù)和潮汐流量指數(shù)。以風(fēng)能發(fā)電為背景，研究了風(fēng)能的分布狀況。為使技術(shù)人員更好地了解風(fēng)電運行過程，需在風(fēng)電場設(shè)計階段確定最大輸入功率及相應(yīng)的數(shù)據(jù)水平，從而提升風(fēng)電運行可靠性，而只有提高了可靠性，才能提高風(fēng)電的總體效率。在確定某一指數(shù)的具體數(shù)值范圍時，必須綜合考慮各種影響因素，其中既有區(qū)域性的，也有特殊性的，技術(shù)員需與風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)所操作的特定環(huán)境相結(jié)合，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行驗證。

4.3 保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性

要保證電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就必須從整體系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)著手，增強其技術(shù)性，同時保證在設(shè)計環(huán)節(jié)中硬件設(shè)備的選擇具有正確性和適用性，以保證整個電壓系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和使用技術(shù)在設(shè)計階段都能滿足要求[3]。當(dāng)運用智能化、自動化控制設(shè)備時，需要重視設(shè)備的適當(dāng)設(shè)置，以避免新能源發(fā)電方式（如風(fēng)力發(fā)電）中可能出現(xiàn)的干擾因素對系統(tǒng)造成不利影響，提升應(yīng)用效果和智能化水平。同時，為使風(fēng)電電站的應(yīng)用更加安全、可靠，有關(guān)人員應(yīng)該對異步發(fā)電機的使用給予足夠的關(guān)注和認(rèn)識，并在風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展的背景下，盡量避免多臺電機設(shè)備并網(wǎng)時出現(xiàn)的電壓系統(tǒng)異?，F(xiàn)象。同時，有關(guān)部門應(yīng)根據(jù)實際情況，采取相應(yīng)的對策，確保電網(wǎng)的總體穩(wěn)定，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

4.4 提高對“孤島效應(yīng)”的檢測

主動頻率偏移檢測法是一種基于逆變電源輸出頻率的有源故障診斷方法。在電力系統(tǒng)中，由于逆變負(fù)荷的作用，當(dāng)發(fā)生停電時，其輸出電壓將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)逆變電源并網(wǎng)電網(wǎng)后，其輸出頻率將有不同程度的偏差，如果偏差持續(xù)時間太長，將產(chǎn)生“孤島效應(yīng)”。正確使用檢測儀可以發(fā)現(xiàn)此異常，檢測儀會將檢測儀的結(jié)果傳送至監(jiān)管人員，讓監(jiān)管人員及時處理。而被動相位偏移檢測法一般都是基于電網(wǎng)的正常工作參數(shù)。在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時，逆變器起到了主動的作用，使得電力系統(tǒng)和公網(wǎng)在同一頻率上運行，一旦公網(wǎng)發(fā)生故障，將會造成全網(wǎng)的癱瘓。在并網(wǎng)時，逆變電源的電流輸出和公網(wǎng)的電流有很大的相位差，可以通過這個相位差來了解電壓和電流的變化情況，并對其進行分析。

4.5 對保護設(shè)備的改進

在風(fēng)力發(fā)電機的實際工作中，為了減小其對發(fā)電機的不利影響，必須采取相應(yīng)的保護措施。目前，較為普遍的是無功補償型動態(tài)保護，它可以有效地提高供電站的安全能力。在具體的設(shè)計工作中，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)掌握無功補償裝置的容量指標(biāo)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點以及風(fēng)電場的容量指標(biāo)，并將其與相應(yīng)的設(shè)計工作的參考指標(biāo)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從而對電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改善。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以通過低壓模式對風(fēng)機進行自動切斷，從而保證整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及總體運行狀況的穩(wěn)定性[4]。在實際操作過程中，需要對電力系統(tǒng)的控制和負(fù)荷的運行情況進行準(zhǔn)確的掌握。在一些特定的條件下，為保證電網(wǎng)的平穩(wěn)運行，可以選擇直流電源的運行模式，使電網(wǎng)以恒定的電流并網(wǎng)。

4.6 加強系統(tǒng)的后期維護

系統(tǒng)的后期維護工作對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)正常運作及對其進行有效控制具有十分重要的意義。

后期維護工作的內(nèi)容主要包括兩個方面：一是安全控制；二是維修控制。

從安全控制角度來看：一是要持續(xù)改進和完善有關(guān)的安全生產(chǎn)控制制度，明確各項安全需求；二是要強化風(fēng)電建設(shè)的全過程控制，實現(xiàn)風(fēng)電建設(shè)的先期控制，確保風(fēng)電建設(shè)的安全、可控；三是要對風(fēng)電設(shè)備的制造流程進行規(guī)范化的控制。

在維修控制上，要對風(fēng)機設(shè)備做好日常的維修，并對其進行定期的檢查，以確保風(fēng)電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)；同時，要強化對有關(guān)附件的控制，保證在發(fā)生故障時及時發(fā)現(xiàn)并進行替換，避免影響到全網(wǎng)的正常運轉(zhuǎn)，進而提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效能。

5 結(jié)語

總之，風(fēng)能發(fā)電是新能源的一種重要形式，推進風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電網(wǎng)仍是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然選擇，也是提升電力傳輸品質(zhì)與效率的一項重要舉措。在風(fēng)電并網(wǎng)運行中，要根據(jù)風(fēng)電的特性和風(fēng)電的運行方式，對系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進行有效的控制，使其在并網(wǎng)條件下能夠更好地發(fā)揮風(fēng)電對電網(wǎng)的作用，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。同時，在并網(wǎng)電力系統(tǒng)運行過程中，技術(shù)人員必須對各種系統(tǒng)的工作狀態(tài)及裝置的工作原理進行更為準(zhǔn)確、高效的分析，以保證新型、智能化、綠色環(huán)保的電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式的推廣應(yīng)用。