風(fēng)電技術(shù)及其并網(wǎng)策略探討

大唐蒙東新能源事業(yè)部 孫望族

人們對(duì)風(fēng)能的使用已有數(shù)千年的發(fā)展史，初期大多是借助大風(fēng)提水灌溉、使用海洋中曬鹽、使用由風(fēng)能推動(dòng)的磨坊等。通過(guò)借助大風(fēng)和水力取代了人工和畜力來(lái)推動(dòng)作業(yè)機(jī)器，從而大大提高了生產(chǎn)效率[1]。至于人們使用風(fēng)能來(lái)推動(dòng)船舶行駛，則可追溯到更久遠(yuǎn)的時(shí)代。我國(guó)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)則始于20世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)研發(fā)的風(fēng)力提水機(jī)主要是用來(lái)提水灌溉和建設(shè)沿海的鹽場(chǎng)，之后研發(fā)的較大輸出功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于江蘇和福建等沿海，而在內(nèi)蒙古地區(qū)由于獲得了地方政府的大力支持，順應(yīng)了本地資源和本地民眾的需要，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和普及也獲得了蓬勃發(fā)展。

1 風(fēng)電技術(shù)概述

風(fēng)電技術(shù)指的是將風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)進(jìn)行充分地利用，在一般情況下，是以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造為主要的應(yīng)用形式。值得注意的是，風(fēng)能是可再生能源之一，其已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)展的主要研究方向之一。風(fēng)力控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是風(fēng)輪，小型發(fā)電機(jī)的葉片多采用木質(zhì)材料，中大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的葉片采用的是玻璃纖維或者是高強(qiáng)度的復(fù)合材料。輪轂是風(fēng)輪樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件[2]。

風(fēng)機(jī)的調(diào)速裝置是為了保證葉片轉(zhuǎn)速恒定不變，筆者整合分析，有以下三種方法：一是風(fēng)輪偏離主風(fēng)向，二是利用氣動(dòng)阻力，三是改變?nèi)~片的槳距角。大型發(fā)電機(jī)的槳距控制，用于改善風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)特性、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的速度調(diào)節(jié)、減少聯(lián)網(wǎng)時(shí)的沖擊電流、按發(fā)電機(jī)的額定功率來(lái)限制轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)功率，具體的效用還包括在故障情況下使機(jī)組安全停機(jī)。

風(fēng)力控制系統(tǒng)主要是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)加工處理之后再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種電力設(shè)備。從廣義的角度來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行工作時(shí)，主要圍繞太陽(yáng)作為熱源，將大氣作為中間媒介，充分利用熱能實(shí)現(xiàn)發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電最大的特征就是利用自然能源作為動(dòng)力，與傳統(tǒng)石化能源相比，風(fēng)力發(fā)電更加綠色環(huán)保。

在常規(guī)情況下，把發(fā)電功率在10kW及以內(nèi)的風(fēng)能發(fā)電廠，叫做中小型風(fēng)能發(fā)電廠。中小型風(fēng)能發(fā)電廠結(jié)構(gòu)大致上由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成：風(fēng)輪直徑、發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)體、調(diào)速機(jī)、調(diào)向機(jī)、剎車機(jī)構(gòu)和塔架。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)連軸的部位分，又可分為水準(zhǔn)軸風(fēng)能發(fā)動(dòng)機(jī)和豎向恒載風(fēng)能發(fā)動(dòng)機(jī)。

一是水準(zhǔn)軸風(fēng)能發(fā)動(dòng)機(jī)：由于水準(zhǔn)軸風(fēng)能發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)輪直徑繞著一條水準(zhǔn)平面軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)連軸與風(fēng)向平行，在風(fēng)輪直徑上的葉片為徑向布局的，與轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同，且與風(fēng)輪直徑上的旋轉(zhuǎn)面有固定夾角（又稱安裝角）。風(fēng)輪葉片數(shù)量為1～10片（一般為3片、5片、6片），因此其在高速運(yùn)行時(shí)需要較高的風(fēng)能效率，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需較多的風(fēng)能。

二是豎恒載風(fēng)力發(fā)電機(jī)：豎向恒載風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪繞一個(gè)豎向恒載轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)連軸和方向相同。其特性是能夠接收來(lái)自一個(gè)方向的風(fēng)能，所以在方向發(fā)生變化后，無(wú)需對(duì)吹風(fēng)[3]。加拿大、中國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的中小型風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)商規(guī)模占比達(dá)到世界規(guī)模的50%。全世界擁有成套商業(yè)化發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品制造技術(shù)的中小型風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)商達(dá)到330多家。預(yù)計(jì)，另有近三百家公司布局于供應(yīng)鏈、信息技術(shù)、咨詢和后服務(wù)等產(chǎn)業(yè)細(xì)分方向。受制造商地區(qū)分布限制，世界主要的中小型風(fēng)電設(shè)備輸出大國(guó)數(shù)量相對(duì)集中，主要分布于我國(guó)、北美各國(guó)以及少數(shù)歐盟國(guó)家。發(fā)展中國(guó)家在這一技術(shù)的發(fā)展中一直具有關(guān)鍵作用。值得一提的是，世界各地有多達(dá)120余家中小型風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)商的存在。

2 風(fēng)電技術(shù)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

由于風(fēng)力轉(zhuǎn)換具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，所以風(fēng)電場(chǎng)出力也就是隨機(jī)的。風(fēng)能自身的特性使其輸出功率可靠性低，這就會(huì)給供電系統(tǒng)有功、無(wú)功均衡調(diào)節(jié)造成障礙。在風(fēng)電容量相對(duì)比較高的供電網(wǎng)中，或許會(huì)出現(xiàn)隱患。諸如電壓波動(dòng)和閃變、頻譜偏移、噪聲等現(xiàn)象，更關(guān)鍵的是：網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)穩(wěn)定、移動(dòng)平穩(wěn)等都有待檢驗(yàn)。當(dāng)然，同樣裝機(jī)內(nèi)容的風(fēng)電場(chǎng)在截然不同的接入點(diǎn)對(duì)供電系統(tǒng)的作用還是有所不同的，在電流電容大的接入點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)作用小，反之，作用就大[4]。

客觀研究風(fēng)電場(chǎng)對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的作用，要從平穩(wěn)和移動(dòng)兩層面加以研究。穩(wěn)態(tài)分析只是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)做出潮流計(jì)算的一種形式。在平穩(wěn)潮流分析中，風(fēng)電場(chǎng)的高壓線路并不是單純作為PQ結(jié)點(diǎn)或PU結(jié)點(diǎn)。含風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)平衡結(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功平衡技術(shù)給出了最高標(biāo)準(zhǔn)，要詳細(xì)地研究風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備在供電系統(tǒng)的大、小模式下，能否適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的各項(xiàng)條件。

而由于各種類型的風(fēng)電機(jī)組的原理、形式等都不一樣，所以對(duì)各類風(fēng)電場(chǎng)的潮流計(jì)算方式也存在差別。針對(duì)由異步發(fā)電機(jī)組所構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)，選擇風(fēng)電場(chǎng)、主系統(tǒng)分別迭代的方式：首先要確定風(fēng)力，取值范圍在從風(fēng)機(jī)角度切入的風(fēng)力和剪掉風(fēng)力范圍?？紤]尾流影響，可通過(guò)RAHMAN模式測(cè)算出各臺(tái)發(fā)電風(fēng)機(jī)輪轂處風(fēng)力。再通過(guò)各臺(tái)風(fēng)機(jī)功率風(fēng)速曲線，測(cè)算出各臺(tái)風(fēng)力輸出能量P，以及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的ΣP。

3 風(fēng)電技術(shù)并網(wǎng)的策略

3.1 網(wǎng)架、機(jī)組選型的改善及加強(qiáng)

網(wǎng)架、機(jī)組選型的改善及加強(qiáng)，要使電網(wǎng)建設(shè)跟得上場(chǎng)站建設(shè)。加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的選型，采用雙饋?zhàn)兯贆C(jī)組，降低風(fēng)電機(jī)組在暫態(tài)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，且通過(guò)改變風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)，無(wú)功利用支撐能力在暫態(tài)過(guò)程中，或系統(tǒng)故障后的修復(fù)過(guò)程所產(chǎn)生的電網(wǎng)壓力，以保持整個(gè)電網(wǎng)的暫態(tài)壓力平衡。采用具備低電壓穿越能力的機(jī)組，讓風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的故障，電壓也隨之降低的過(guò)程中，將機(jī)組保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，進(jìn)行及時(shí)的躲過(guò)，并使并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)能夠得到持續(xù)性的保持，在故障問(wèn)題消失后，機(jī)組的常態(tài)運(yùn)行就能夠迅速恢復(fù)，系統(tǒng)波動(dòng)的減少也就由此得到充分保證、風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的問(wèn)題也能夠及時(shí)減少。

3.2 電網(wǎng)電壓自動(dòng)控制AVC系統(tǒng)的規(guī)劃調(diào)整

風(fēng)電場(chǎng)按照調(diào)度并網(wǎng)協(xié)議，布置滿足場(chǎng)站實(shí)際運(yùn)行要求的無(wú)功補(bǔ)償裝置且分組裝設(shè)，并配置濾波器。根據(jù)調(diào)度統(tǒng)一安排，規(guī)劃、設(shè)置智能電網(wǎng)電壓無(wú)功自動(dòng)控制AVC系統(tǒng)，根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化控制系統(tǒng)收集的各節(jié)點(diǎn)遙測(cè)資料，經(jīng)過(guò)在線分析和運(yùn)算，以各節(jié)點(diǎn)壓力符合要求、關(guān)口效率因數(shù)科學(xué)合理為限制要求，完成線上壓力無(wú)功優(yōu)化控制，以達(dá)到主變分接開(kāi)關(guān)調(diào)整數(shù)量盡量減少、電容器投切最科學(xué)合理、發(fā)電廠無(wú)功付出最優(yōu)化、電流通過(guò)率最大和輸電網(wǎng)損率最小的綜合優(yōu)化要求，并最后形成控制命令，經(jīng)過(guò)調(diào)度自動(dòng)化控制系統(tǒng)的手動(dòng)運(yùn)行，完成全網(wǎng)統(tǒng)一聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，并達(dá)成壓力無(wú)功最大化手動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)的目的。

3.3 風(fēng)功率預(yù)測(cè)精準(zhǔn)性的提升

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址及風(fēng)電機(jī)組微觀選址精準(zhǔn)度的提升，與風(fēng)功率預(yù)測(cè)天氣預(yù)報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔、電氣后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等的準(zhǔn)確性是息息相關(guān)的。完善場(chǎng)站及調(diào)度風(fēng)功率系統(tǒng)的建設(shè)，并優(yōu)化系統(tǒng)算法實(shí)時(shí)改進(jìn)，來(lái)提高風(fēng)功率預(yù)測(cè)精度，是必須踐行的關(guān)鍵舉措。根據(jù)調(diào)度統(tǒng)一安排，布置智能電網(wǎng)電壓無(wú)功自動(dòng)控制AGC有功控制系統(tǒng)，其能夠自動(dòng)接收調(diào)度主站系統(tǒng)下發(fā)的有功控制指令或調(diào)度計(jì)劃曲線，根據(jù)計(jì)算的可調(diào)裕度，優(yōu)化分配調(diào)節(jié)機(jī)組的有功功率，使整個(gè)電場(chǎng)的有功出力，不超過(guò)調(diào)度指令值。

3.4 合理、有效規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)接入位置

在風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成功并網(wǎng)之后，其對(duì)電壓產(chǎn)生的影響、對(duì)于配電網(wǎng)損壞的影響，都和風(fēng)電場(chǎng)的接入位置，是息息相關(guān)的，一旦出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)接入位置的選擇不合理的問(wèn)題，配電網(wǎng)電壓的明顯波動(dòng)問(wèn)題、電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)損過(guò)大問(wèn)題也就會(huì)隨之產(chǎn)生，基于這種情況的產(chǎn)生，為了保證其影響的有效、及時(shí)降低，就需要相關(guān)人員進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)接入位置的合理選擇。具體的選擇方式如下。

一是靈敏度分析法：系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平與其節(jié)點(diǎn)的靈敏度指標(biāo)有關(guān)。將負(fù)載穩(wěn)定和風(fēng)電場(chǎng)的接入位置相互聯(lián)系，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的接入位置，需要通過(guò)無(wú)功變化的傳感器對(duì)判斷裝置內(nèi)電網(wǎng)的重要位置和脆弱區(qū)域進(jìn)行了判斷。

二是最優(yōu)潮流算法：通過(guò)預(yù)先設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，然后進(jìn)行最優(yōu)的潮流算法，從而使限制要求的滿足以及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的滲透率達(dá)到最佳值，然后通過(guò)計(jì)算各個(gè)接入端的目標(biāo)函數(shù)值，從而使風(fēng)電場(chǎng)的接入位置達(dá)到最佳。

三是連續(xù)潮流計(jì)算法：因?yàn)橄到y(tǒng)電壓穩(wěn)定水平可以通過(guò)其最薄弱母線反應(yīng)。接入點(diǎn)的最佳位置是通過(guò)對(duì)由連續(xù)潮流計(jì)算法得出的關(guān)于量化電壓穩(wěn)態(tài)性的指標(biāo)進(jìn)行比較得出。上述方法都只從理論上對(duì)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的接入位置進(jìn)行了研究。但現(xiàn)實(shí)中風(fēng)電場(chǎng)的接入地點(diǎn)的選取，則需要結(jié)合許多方面的各種因素加以全面考量，包括風(fēng)電場(chǎng)的情況、接入設(shè)備的電力等級(jí)及其經(jīng)濟(jì)效益等。

3.5 合理、規(guī)范規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)最大接入容量

3.5.1 風(fēng)電規(guī)模指標(biāo)衡量

目前，風(fēng)電穿透功率極限、風(fēng)電場(chǎng)短路容量比兩個(gè)指標(biāo)，通常被用來(lái)衡量系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模，并作為分析和評(píng)價(jià)的根據(jù)。一是風(fēng)能透過(guò)功率極限：風(fēng)能透過(guò)輸出功率是指整個(gè)系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)容積占整個(gè)系統(tǒng)總負(fù)載的比率。風(fēng)能透過(guò)功率極限界定為在符合特定科技指數(shù)的前提條件下，可接入整個(gè)系統(tǒng)的最高風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容積與整個(gè)系統(tǒng)最高負(fù)載的比率。從全網(wǎng)視角，考察風(fēng)電場(chǎng)電流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)頻率的負(fù)面影響。二是風(fēng)電場(chǎng)短路容量比：風(fēng)電場(chǎng)額定容積與該風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)的短路容積之比。從風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的局部電網(wǎng)的角度，用作風(fēng)電接入后對(duì)局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量的影響研究。

3.5.2 最大接入容量影響因素

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)供電系統(tǒng)的最大接入，不但和風(fēng)電場(chǎng)自身的無(wú)功補(bǔ)償狀況、工作特點(diǎn)等相關(guān)，還考慮其所接入的設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)載性能、負(fù)載狀況等各種因素的綜合影響。具體體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

一是對(duì)常規(guī)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)設(shè)備水平：風(fēng)電最大接入能力的提高，通常都是利用對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的能力提升來(lái)完成。二是風(fēng)電設(shè)備的類型：采用了恒速恒頻的風(fēng)電設(shè)備風(fēng)電場(chǎng)，往往因?yàn)楸旧砭腿狈o(wú)功補(bǔ)償，而要求在外部添加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，給電網(wǎng)加大了無(wú)功壓力，也因此對(duì)其最大接入能力產(chǎn)生了限制。而對(duì)基于變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)電機(jī)組可以調(diào)節(jié)無(wú)功，進(jìn)而提高其最大介入容量。三是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：負(fù)荷一定時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接的緊密程度直接影響風(fēng)電最大接入容量。風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)，選取不同的接入點(diǎn)，其最大接入容量也會(huì)不同。上述對(duì)于最大接入容量影響因素的分析，在具體界定的過(guò)程中還需要結(jié)合具體的實(shí)際情況，進(jìn)行細(xì)致的分析。

3.6 責(zé)任管理的強(qiáng)化，保證體系的完善構(gòu)建

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行全程管理，同時(shí)加快建設(shè)保障風(fēng)電安全體系，規(guī)范電廠運(yùn)行要求，完善雙細(xì)則考核規(guī)范，配置合適的繼電保護(hù)裝置及保護(hù)整定，電站制定切實(shí)可行的運(yùn)行管理方法，將責(zé)任落實(shí)到位。運(yùn)行人員要定期進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)后如果出現(xiàn)故障能夠及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)案處理，避免電網(wǎng)發(fā)生較大的事故，最大限度地減少對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)電技術(shù)及其并網(wǎng)策略是保證風(fēng)能充分作用于發(fā)電的關(guān)鍵，本文從風(fēng)電技術(shù)概述、風(fēng)電技術(shù)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響、風(fēng)電技術(shù)并網(wǎng)的策略等多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)風(fēng)電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展、風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題的解決等，進(jìn)行了全面剖析、闡述，希望能夠?yàn)轱L(fēng)電技術(shù)并網(wǎng)工作的開(kāi)展，提供相應(yīng)的思路與建議。