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

摘要

作為一種常見的新能源發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電在電力工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。其通過風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力，并經(jīng)發(fā)電機(jī)輸送給用戶，滿足日常需求。我國在全球風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢明顯，深入研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)意義重大，備受國際關(guān)注。未來需不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，為能源發(fā)展提供動(dòng)力。本文探討風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和優(yōu)化策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；系統(tǒng)控制；優(yōu)化策略

0 引言

風(fēng)電作為可再生資源，具有低污染、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)。隨著國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略推進(jìn)，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步顯著，總裝機(jī)容量與并網(wǎng)規(guī)模逐年增長，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活提供大量電力。然而，風(fēng)電并網(wǎng)涉及諸多復(fù)雜技術(shù)與管理問題。為促進(jìn)風(fēng)電新能源快速利用，需依據(jù)其特點(diǎn)采取技術(shù)措施，提升并網(wǎng)性能與供電質(zhì)量，優(yōu)化電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)風(fēng)電及新能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，助力能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。

1 風(fēng)力發(fā)電

1.1 概述

我國風(fēng)能資源豐富，三北地區(qū)、東南沿海及附近海域風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用廣泛。風(fēng)力渦輪系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部分，由風(fēng)力渦輪機(jī)、機(jī)艙和塔架組成。風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其葉片制造材料需高強(qiáng)度、輕量化，常見雙流線形狀，特殊情況用 S 形葉片。運(yùn)行中，風(fēng)力渦輪機(jī)等部件易受自然環(huán)境影響，需定期維護(hù)保養(yǎng)。塔架支撐風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，高度依風(fēng)力渦輪機(jī)直徑和風(fēng)資源剪切指數(shù)而定，通常在 70 - 140m 之間。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，容量與風(fēng)力渦輪機(jī)葉片長度相關(guān)。隨著技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中地位提升，而降低并網(wǎng)損耗、提升電壓調(diào)節(jié)控制能力成為新能源行業(yè)研究熱點(diǎn)。

1.2 特點(diǎn)

風(fēng)力渦輪機(jī)在發(fā)電中起關(guān)鍵作用。風(fēng)作用于葉片使其旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速增加轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能轉(zhuǎn)化，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能?；撅L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)扇葉片和發(fā)電機(jī)組成，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，減少對傳統(tǒng)能源依賴，推動(dòng)綠色能源發(fā)展。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)，包括模擬技術(shù)、電力調(diào)度技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電預(yù)測技術(shù)和實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)。

模擬技術(shù)構(gòu)建風(fēng)電模型模擬實(shí)際運(yùn)行，揭示潛在問題，優(yōu)化機(jī)組接入電網(wǎng)。電力調(diào)度技術(shù)是電網(wǎng)穩(wěn)定關(guān)鍵，依靠風(fēng)電預(yù)測控制風(fēng)能不利影響，時(shí)間序列漸進(jìn)法增強(qiáng)其科學(xué)性和實(shí)用性。風(fēng)電預(yù)測技術(shù)結(jié)合多種天氣預(yù)報(bào)模型，分析風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，預(yù)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和輸出功率，克服惡劣天氣影響，了解功率波動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能準(zhǔn)確控制。實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)獲取并網(wǎng)關(guān)鍵參數(shù)，評估電網(wǎng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制

3.1 風(fēng)力預(yù)測控制

風(fēng)力不穩(wěn)定性使發(fā)電能源供應(yīng)不穩(wěn)定，影響風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電能力，且輸出電能不穩(wěn)定，難以與渦輪機(jī)良好配合。風(fēng)力預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并廣泛應(yīng)用，通過預(yù)測風(fēng)力對風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和整合效率。預(yù)測分短期和中期，短期關(guān)注渦輪機(jī)實(shí)時(shí)優(yōu)化，中期為發(fā)電提供穩(wěn)定依據(jù)。利用多種技術(shù)手段模擬分析風(fēng)力數(shù)據(jù)，可獲更準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)果。

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制

最大功率點(diǎn)跟蹤控制通過智能調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)速度或槳距角，確保不同風(fēng)速下機(jī)組最佳運(yùn)行，輸出最大功率。該策略依賴先進(jìn)控制系統(tǒng)和算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)速和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并調(diào)整。低風(fēng)速時(shí)提高機(jī)組速度獲取更多風(fēng)力，高風(fēng)速時(shí)調(diào)節(jié)槳距角減少風(fēng)力捕獲，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高發(fā)電效率。

3.3 有功功率和無功功率控制

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)提供有功功率同時(shí)提供無功功率，對提升電網(wǎng)電壓質(zhì)量至關(guān)重要。風(fēng)電場需配備無功補(bǔ)償設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精細(xì)無功電壓控制，分析機(jī)組接入點(diǎn)電壓調(diào)整特性。有功功率控制通過調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率，匹配電網(wǎng)需求，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或槳距角實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，必要時(shí)限制功率。無功功率控制調(diào)整發(fā)電機(jī)無功輸出，使用無功功率補(bǔ)償裝置維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

3.4 電能質(zhì)量監(jiān)測與控制

新能源發(fā)電機(jī)組接入使電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)，加強(qiáng)電能質(zhì)量監(jiān)測控制在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中極為重要。實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓波動(dòng)、電流諧波等關(guān)鍵參數(shù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)電能質(zhì)量問題，了解風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。先進(jìn)電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)電場關(guān)鍵參數(shù)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和集中處理，提升監(jiān)測效率。

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

4.1 評估風(fēng)能資源

構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測模型，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)測發(fā)電量波動(dòng)，利用波動(dòng)特點(diǎn)結(jié)合傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備靈活性維持電力系統(tǒng)平衡。引入儲(chǔ)能技術(shù)可平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)電波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，智能控制算法實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整發(fā)電設(shè)備輸出，提升效率和可靠性。

4.2 優(yōu)化機(jī)組布局

優(yōu)化發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)電磁理念優(yōu)化磁路形狀，降低磁阻和能量損失，提高轉(zhuǎn)換效率。改進(jìn)發(fā)電機(jī)控制策略，優(yōu)化電流控制算法和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提升響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)適應(yīng)性和運(yùn)行效率。適度降低運(yùn)行溫度，采用快速冷卻系統(tǒng)和先進(jìn)絕緣材料，綜合考慮多種因素減少熱損失，提高熱效率。定期檢查、清潔和潤滑發(fā)電機(jī)，保持良好運(yùn)行狀態(tài)，減少磨損和損耗，延長使用壽命，專業(yè)維修人員主導(dǎo)、操作人員配合的維護(hù)方式可減少突發(fā)故障損失。

4.3 改善負(fù)荷特性

智能電網(wǎng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對負(fù)荷變化快速準(zhǔn)確調(diào)整，高峰時(shí)優(yōu)化資源配置提升供電能力，低谷時(shí)利用閑置產(chǎn)能避免浪費(fèi)。風(fēng)電并網(wǎng)可減少傳統(tǒng)能源依賴，降低電網(wǎng)負(fù)荷壓力，其隨機(jī)性和波動(dòng)性有助于改善電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.4 增強(qiáng)輸電能力

電力電子技術(shù)將自然風(fēng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電能，長距離輸電面臨挑戰(zhàn)。風(fēng)電公司研究高壓直流（HVDC）技術(shù)，其以高壓直流電傳輸，可實(shí)現(xiàn)長距離低損耗輸電，對環(huán)境要求低，應(yīng)用前景廣闊。充分利用該技術(shù)可確保風(fēng)力發(fā)電快速、穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離傳輸，提升利用價(jià)值。

5 風(fēng)力發(fā)電在直流快速充電站中的挑戰(zhàn)與展望

5.1 系統(tǒng)概述

Acrel - 2000MG 儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)針對工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制，具備數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、查詢分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。策略管理支持多種控制策略，可實(shí)現(xiàn)下級(jí)儲(chǔ)能單元統(tǒng)一監(jiān)控管理，與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)交互，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5.2 應(yīng)用場景

適用于城市充電站、工業(yè)園區(qū)、分布式新能源、數(shù)據(jù)中心、微電網(wǎng)、高速服務(wù)區(qū)、智慧醫(yī)院、智慧校園等場景。

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4 系統(tǒng)功能

1.       實(shí)施監(jiān)管：實(shí)時(shí)監(jiān)管微電網(wǎng)運(yùn)行，涵蓋市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，包括收益、天氣、節(jié)能減排等信息。

2.       智能監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境、組件、逆變器、控制逆變一體機(jī)、電池、變流器、用電設(shè)備等，掌握運(yùn)行狀況。

3.       功率預(yù)測：對分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短、超短期發(fā)電功率預(yù)測，展示合格率及誤差分析。

4.       電能質(zhì)量：持續(xù)監(jiān)測微電網(wǎng)電能質(zhì)量和可靠性，分析穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測電壓、電流瞬變。

5.       可視化運(yùn)行：實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，數(shù)字化、智能化、便捷化管理，不間斷監(jiān)控重要負(fù)荷與設(shè)備。

6.       優(yōu)化控制：分析歷史用電數(shù)據(jù)和天氣條件預(yù)測負(fù)荷功率，結(jié)合分布式電源和儲(chǔ)能狀態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，降低用電成本。

7.       收益分析：用戶可查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁電量和收益數(shù)據(jù)，可切換年報(bào)查看月數(shù)據(jù)。

8.       能源分析：分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)電和轉(zhuǎn)化效率，評估性能與狀態(tài)。

9.       策略配置：對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、參數(shù)、運(yùn)行策略和統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置，策略包括計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.5 系統(tǒng)設(shè)備說明

6 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放和保障電力供應(yīng)安全方面作用顯著，但面臨風(fēng)力不確定性、儲(chǔ)存困難及并網(wǎng)問題，影響風(fēng)電利用率。未來研究應(yīng)聚焦提高風(fēng)電預(yù)測準(zhǔn)確性，綜合應(yīng)用多種技術(shù)，優(yōu)化風(fēng)電場運(yùn)營管理，推動(dòng)電力供應(yīng)和新能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。