風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統的控制和優(yōu)化策略-安科瑞潘麗

【摘要】：作為一種常見(jiàn)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(zhù)重要作用。根據風(fēng)力驅動(dòng)風(fēng)葉片旋轉，從而將風(fēng)能轉化為電力，并通過(guò)發(fā)電機將電力輸送給各種用戶(hù)，滿(mǎn)足人們的日常需求。在全球風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，我國的相關(guān)技術(shù)具有一定優(yōu)勢。深入研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)尤為關(guān)鍵，有利于優(yōu)化國內能源結構和實(shí)現環(huán)保目標，引起了國際社會(huì )的廣泛關(guān)注。未來(lái)須注意不斷創(chuàng )新，實(shí)現風(fēng)力發(fā)電技術(shù)突破，為能源發(fā)展注入強大動(dòng)力。本文探討了風(fēng)電并網(wǎng)系統的控制和優(yōu)化策略，以供參考。

【關(guān)鍵字】：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統；風(fēng)力發(fā)電；系統控制；優(yōu)化策略

0、引言

風(fēng)電作為一種可再生資源，具有低污染、儲量大等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)近年來(lái)**綠色發(fā)展戰略的深入實(shí)施，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得重大進(jìn)展。風(fēng)力發(fā)電總裝機容量機并網(wǎng)規模呈逐年增長(cháng)趨勢，為**工農業(yè)生產(chǎn)及居民生活提供了大量電力能源。然而，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)涉及許多復雜的技術(shù)和管理問(wèn)題。為了確保風(fēng)電新能源的快速利用，須根據風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)采取相應的技術(shù)措施，不斷提高并網(wǎng)性能，提高供電質(zhì)量。進(jìn)一步優(yōu)化我國電力供應結構，推動(dòng)風(fēng)電及新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，為實(shí)現能源綠色低碳轉型目標提供有力支撐。

1、風(fēng)力發(fā)電

1.1概述

我國幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，特別是在三北地區、東南沿海地區及附近海域，風(fēng)力發(fā)電已成為新能源發(fā)電中應用*廣泛的方式之一。風(fēng)力渦輪系統是風(fēng)力發(fā)電機組中*為關(guān)鍵的部分，主要由風(fēng)力渦輪機、機艙和塔架組成。風(fēng)力渦輪機在風(fēng)力發(fā)電中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，負責將風(fēng)能轉化為機械能。風(fēng)力渦輪機葉片的制造材料需要具有高強度和輕量化的特性。常見(jiàn)的葉片形狀是雙流線(xiàn)，在某些特殊情況下，也可以使用S形葉片。然而，在風(fēng)力發(fā)電設備的長(cháng)期運行過(guò)程中，風(fēng)力渦輪機等部件可能會(huì )受到自然環(huán)境的影響，出現腐蝕、開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，因此需要定期維護和保養。塔架在風(fēng)力發(fā)電設備中起著(zhù)支撐作用，其高度調整需要參考風(fēng)力渦輪機的直徑和風(fēng)資源剪切指數。

塔的高度通常在70-140m之間。發(fā)電機將機械能轉化為電能，其容量與風(fēng)力渦輪機葉片的長(cháng)度相關(guān)。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及應用范圍的擴大，在我國能源結構中風(fēng)力發(fā)電的地位日益提升，為我國綠色發(fā)展和能源轉型奠定了堅實(shí)基礎。如何安全且經(jīng)濟地降低風(fēng)力發(fā)電系統并網(wǎng)損耗，以及風(fēng)力發(fā)電系統主動(dòng)參與電壓調節控制的能力探究，成為當下關(guān)于新能源行業(yè)的熱點(diǎn)研究?jì)热葜弧?/span>

1.2特點(diǎn)

風(fēng)力渦輪機在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。當風(fēng)作用在渦輪機的葉片上時(shí)，葉片開(kāi)始旋轉，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，葉片轉速逐漸增加，直至轉速達到穩定，這個(gè)過(guò)程將風(fēng)能轉化為有效的機械能，而發(fā)電機可以將這些機械能轉化為電能。實(shí)際上，*基本的風(fēng)力發(fā)電系統只由兩部分組成：風(fēng)力渦輪機的風(fēng)扇葉片和發(fā)電機。風(fēng)力渦輪機的葉片受到風(fēng)力的驅動(dòng)并開(kāi)始旋轉，產(chǎn)生機械能。由于葉片和發(fā)電機之間的持續連接，葉片的持續旋轉驅動(dòng)發(fā)電機的穩定運行。這樣，發(fā)電機可以有效地利用葉片產(chǎn)生的機械能轉化為電能。通過(guò)上述方法將風(fēng)能轉化電能，有利于減少對傳統能源的依賴(lài)，促進(jìn)綠色環(huán)保能源的發(fā)展。

2、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

目前，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應用到多種技術(shù)，包括模擬技術(shù)、電力調度技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電預測技術(shù)和實(shí)驗檢測技術(shù)。仿真技術(shù)通過(guò)構建風(fēng)電模型來(lái)模擬風(fēng)電系統的實(shí)際運行過(guò)程，可以準確揭示系統運行中的潛在問(wèn)題，及時(shí)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機組接入電網(wǎng)。電力調度技術(shù)是保證電網(wǎng)穩定的關(guān)鍵，依靠對風(fēng)電的準確預測，有效控制風(fēng)能對電網(wǎng)的不利影響。時(shí)間序列漸進(jìn)法的應用進(jìn)一步增強了電力調度技術(shù)的科學(xué)性和實(shí)用性。風(fēng)電預測技術(shù)結合多種天氣預報模型，通過(guò)收集和分析風(fēng)速、風(fēng)向等數據，準確預測風(fēng)機的運行狀態(tài)和輸出功率。

風(fēng)電預測技術(shù)能夠克服惡劣天氣對功率預測的挑戰，并通過(guò)數字模型深入了解了風(fēng)電的功率波動(dòng)規律，進(jìn)而實(shí)現對風(fēng)能的準確控制。實(shí)驗檢測技術(shù)通過(guò)大量的現場(chǎng)實(shí)驗獲得風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵參數，這些參數的研究有助于評估電網(wǎng)的性能，并通過(guò)檢測并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量和有功功率調節水平來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統，確保其穩定運行。

3、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統控制

3.1風(fēng)力預測控制

風(fēng)力預測控制在風(fēng)力發(fā)電中的重要性不言而喻。由于風(fēng)力的不穩定性，通常難以維持風(fēng)力發(fā)電能源的穩定供應，風(fēng)力的大小和持續時(shí)間直接影響風(fēng)力渦輪機的發(fā)電能力。風(fēng)力增加且持續時(shí)間更長(cháng)，會(huì )相應增加風(fēng)力渦輪機的發(fā)電能力。然而，盡管風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)出的電能*終都被整合到電網(wǎng)中，但其能量輸出不穩定，難以與風(fēng)力渦輪機實(shí)現良好配合。為了克服這一挑戰，風(fēng)力預測控制技術(shù)被研發(fā)出來(lái)，且已廣泛應用于風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中。通過(guò)準確預測風(fēng)力，對風(fēng)電系統實(shí)施動(dòng)態(tài)調整，增強電網(wǎng)的穩定性，提高其整合效率。目前，通過(guò)利用各種技術(shù)手段模擬分析風(fēng)力數據，預測發(fā)展趨勢，都可以獲得更合理、更準確的預測結果。

這一預測過(guò)程通常分為短期和中期兩個(gè)階段，短期預測主要關(guān)注風(fēng)電系統渦輪機的實(shí)時(shí)調整和優(yōu)化，以確保其在當前風(fēng)況下*快速的運行；中期預測則是更多地關(guān)注發(fā)電系統輻射范圍內的風(fēng)電情況，通過(guò)對未來(lái)風(fēng)電做出合理判斷，為風(fēng)電發(fā)電提供更穩定可靠的依據。

3.2*大功率點(diǎn)跟蹤控制

*大功率點(diǎn)跟蹤控制以實(shí)現風(fēng)力渦輪機速度或槳距角的智能調節，確保能在不同風(fēng)速下的*佳運行，保障輸出*大功率。這一方法的實(shí)施依賴(lài)于良好的控制系統及算法，這些系統及算法能夠實(shí)時(shí)監測風(fēng)速和機組的運行狀態(tài)，并做出相應的調整。當風(fēng)速較低時(shí)，控制系統可以通過(guò)提高機組的速度來(lái)提取更多的風(fēng)力；當風(fēng)速高時(shí)，為了避免對單元的過(guò)度應力或損壞，控制系統可以通過(guò)調節槳距角來(lái)減少風(fēng)力的捕獲?；诖诉^(guò)程，*大功率點(diǎn)跟蹤控制策略不僅提高了風(fēng)電系統的發(fā)電效率，還能夠保證風(fēng)電機組的安全穩定運行。

3.3有功功率和無(wú)功功率控制

風(fēng)電并網(wǎng)系統在向電網(wǎng)提供有功功率，滿(mǎn)足電力需求的同時(shí)還會(huì )提供無(wú)功功率，這對提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量至關(guān)重要。為了確保風(fēng)電并網(wǎng)的無(wú)功補償電壓穩定性與電網(wǎng)一致，風(fēng)電場(chǎng)需要配備相應的無(wú)功功補償設備，并實(shí)現精細的無(wú)功電壓控制。分析各組風(fēng)電機組接入點(diǎn)電壓調整特性。有功功率控制主要通過(guò)調整風(fēng)力渦輪機的輸出功率來(lái)實(shí)現，以確保它們與電網(wǎng)的需求相匹配。這包括準確控制機組轉速或槳距角，以實(shí)現*大功率點(diǎn)跟蹤，必要時(shí)還要進(jìn)行功率限制，以避免對電網(wǎng)的影響。無(wú)功功率控制主要是通過(guò)調整風(fēng)力發(fā)電機的無(wú)功功率輸出來(lái)提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。在風(fēng)電場(chǎng)中，可以使用靜態(tài)無(wú)功發(fā)電機或電容器組等無(wú)功功率補償裝置來(lái)提供或吸收無(wú)功功率，從而保持電網(wǎng)電壓的穩定。

3.4電能質(zhì)量監測與控制

隨著(zhù)新能源發(fā)電機組接入電力系統的比例增加，新能源發(fā)電滲透率的提高對電力系統的安全、穩定和靈活經(jīng)濟運行提出了挑戰。加強電能質(zhì)量的監測控制在風(fēng)力發(fā)電系統中至關(guān)重要，通過(guò)實(shí)時(shí)監測并記錄電壓波動(dòng)和電流諧波等關(guān)鍵參數，能夠及時(shí)發(fā)現并網(wǎng)運行過(guò)程中潛在的電能質(zhì)量問(wèn)題。這種持續監測不僅提供了有價(jià)值的數據支持，還可以更準確地了解風(fēng)力渦輪機的運行狀態(tài)?，F代技術(shù)的應用給風(fēng)力發(fā)電系統的監測和維護帶來(lái)了革命性的變化。風(fēng)電質(zhì)量監測主要依靠?jì)?yōu)異的電能質(zhì)量監測設備，能夠實(shí)時(shí)監測風(fēng)電場(chǎng)內部的電壓、電流、頻率等關(guān)鍵參數，及時(shí)發(fā)現電能質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)采用大數據和云計算技術(shù)，實(shí)現風(fēng)電質(zhì)量數據的遠程傳輸和集中處理，進(jìn)一步提高監測效率。

4、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統的優(yōu)化策略

4.1評估風(fēng)能資源

首先，通過(guò)構建風(fēng)力發(fā)電量預測模型，結合天氣預報等相關(guān)數據，提前預測風(fēng)力發(fā)電量的波動(dòng)情況。并在此基礎上，充分利用風(fēng)電波動(dòng)特點(diǎn)，結合傳統發(fā)電設備的靈活性，使電力系統在波動(dòng)的同時(shí)保持平衡。另外，引入儲能技術(shù)也是一種有效的策略。儲能技術(shù)可以通過(guò)儲存和釋放能量來(lái)平穩調節風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)，從而減少對電力系統的影響。儲能技術(shù)的引用提高了系統的穩定性和可靠性，為電力系統的平衡運行提供了更多的選擇。智能控制算法可以實(shí)時(shí)監測和調整風(fēng)力發(fā)電設備的輸出，從而加快系統的響應速度，提高穩定性。這項技術(shù)的應用將進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電的效率和可靠性。

4.2優(yōu)化機組布局

首先，優(yōu)化發(fā)電機結構設計和磁路設計比較重要。通過(guò)采用電磁設計理念，優(yōu)化磁路形狀，降低磁阻和能量損失，從而提高發(fā)電機的轉換效率。這一改進(jìn)為發(fā)電機的快速運行奠定了堅實(shí)基礎。其次，優(yōu)化發(fā)電機的控制策略同樣重要。通過(guò)改進(jìn)電流控制算法和電壓調節系統，可以提高發(fā)電機對外部變化的響應速度和穩定性。增強發(fā)電機適應性的同時(shí)，還進(jìn)一步提高了其運行效率。

此外，適度降低發(fā)電機的運行溫度也是提快速率的有效途徑。在確保安全的前提下，通過(guò)采用快速的冷卻系統和良好的絕緣材料，能夠發(fā)電機的熱損失，提高了熱效率。該方法的實(shí)施需要綜合考慮發(fā)電機的材料、工藝和運行環(huán)境等因素。*后，發(fā)電機的定期檢查、清潔和潤滑是保持其有效運行的重要手段。通過(guò)保持發(fā)電機的良好運行狀態(tài)，減少機械磨損和電氣損耗，從而延長(cháng)發(fā)電機的使用壽命，提高運行效率。這種定期維護方法對確保發(fā)電機的長(cháng)期穩定運行具有重要意義。以專(zhuān)業(yè)維修人員為主、設備操作人員做好配合，是在日常維護的基礎上進(jìn)一步對風(fēng)電設備整體的深入保養，能夠有效減少或避免突發(fā)故障造成的各種損失。

4.3改善負荷特性

智能電網(wǎng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監測和數據分析，對負荷變化做出快速準確的調整。在高峰時(shí)段，智能電網(wǎng)通過(guò)優(yōu)化資源配置，提高電網(wǎng)的供電能力；在低谷時(shí)期，合理利用閑置產(chǎn)能，防止資源浪費的發(fā)生。風(fēng)電并網(wǎng)作為一種清潔可再生能源的利用方式，對改善電網(wǎng)負荷特性有著(zhù)突出作用。風(fēng)電并網(wǎng)運行可以大大減少對傳統能源的依賴(lài)，降低電網(wǎng)的負荷壓力。同時(shí)，風(fēng)電發(fā)電的隨機性和波動(dòng)性使其能夠在一定程度上改善電網(wǎng)負荷的波動(dòng)，從而改善電網(wǎng)的負荷特性，確保電力系統的安全穩定和靈活經(jīng)濟運行。

4.4增強輸電能力

作為一個(gè)核心環(huán)節，電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電的轉換過(guò)程中的應用目標是將自然風(fēng)能資源轉化為穩定、可持續的電能資源。這一轉換過(guò)程關(guān)系到能源的有效利用，并涉及如何有效、安全地長(cháng)距離傳輸所產(chǎn)生的電力，確保傳輸過(guò)程中的穩定性，盡可能減少能源損失。為了應對這一挑戰，風(fēng)電公司正在對高壓直流（HVDC）技術(shù)進(jìn)行深入研究。這項技術(shù)利用高壓直流電進(jìn)行電力傳輸，不僅可以實(shí)現長(cháng)距離的能量傳輸，還可以顯著(zhù)降低傳輸過(guò)程中的損耗。HVDC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其對使用環(huán)境的要求相對較低，可以確保在各種條件下高質(zhì)量、低損耗地傳輸電能，具有非常廣闊的應用前景。

風(fēng)力發(fā)電的遠距離輸電是一個(gè)至關(guān)重要的研究項目。為實(shí)現快速的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統，有必要解決長(cháng)距離輸電的問(wèn)題，減少輸電過(guò)程中的損失。充分利用電力電子技術(shù)，確保風(fēng)力發(fā)電快速、穩定、遠距離傳輸，從而實(shí)現其更大的利用價(jià)值。

5、風(fēng)力發(fā)電在直流快速充電站中的挑戰與展望

5.1系統概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實(shí)現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

5.2應用場(chǎng)景

城市充電站、工業(yè)園區、分布式新能源、數據**、微電網(wǎng)、高速服務(wù)區、智慧醫院、智慧校園等。

5.3系統結構

5.4系統功能

（1）實(shí)施監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對系統環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，掌握微電網(wǎng)系統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現整個(gè)微電網(wǎng)系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態(tài)數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數據進(jìn)行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進(jìn)行監測。

（5）可視化運行

實(shí)現微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進(jìn)行不間斷監控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進(jìn)行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現經(jīng)濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.5系統功能

6、結束語(yǔ)

綜上所述，作為近年來(lái)我國快速發(fā)展的可再生資源之一，風(fēng)力發(fā)電在優(yōu)化能源結構、減少碳排放、保障電力供應安全等方面發(fā)揮了重要作用。然而，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)也面臨著(zhù)一些挑戰，風(fēng)力的不確定性、儲存困難以及并網(wǎng)過(guò)程中的這些問(wèn)題都降低了風(fēng)電的利用率，無(wú)法發(fā)揮出風(fēng)力發(fā)電的*大潛力。為了應對這些挑戰，以后相關(guān)技術(shù)及領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)應側重于提高風(fēng)電預測的準確性。通過(guò)遙感技術(shù)、計算機技術(shù)的應用，結合大數據與人工智能技術(shù)，更準確地預測風(fēng)能變化趨勢，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的運營(yíng)和管理，為我國電力供應及新能源行業(yè)的可持續發(fā)展做出更大貢獻。