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

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【摘要】：作為一種常見的新能源發(fā)電方式，風力發(fā)電在電力工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。根據(jù)風力驅(qū)動風葉片旋轉(zhuǎn)，從而將風能轉(zhuǎn)化為電力，并通過發(fā)電機將電力輸送給各種用戶，滿足人們的日常需求。在全球風力發(fā)電領域，我國的相關技術具有一定優(yōu)勢。深入研究風力發(fā)電技術尤為關鍵，有利于優(yōu)化國內(nèi)能源結構和實現(xiàn)環(huán)保目標，引起了國際社會的廣泛關注。未來須注意不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)風力發(fā)電技術突破，為能源發(fā)展注入強大動力。本文探討了風電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和優(yōu)化策略，以供參考。

【關鍵字】：風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)；風力發(fā)電；系統(tǒng)控制；優(yōu)化策略

0引言

風電作為一種可再生資源，具有低污染、儲量大等優(yōu)點。隨著近年來**綠色發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，我國風力發(fā)電技術取得重大進展。風力發(fā)電總裝機容量機并網(wǎng)規(guī)模呈逐年增長趨勢，為**工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活提供了大量電力能源。然而，風力發(fā)電并網(wǎng)涉及許多復雜的技術和管理問題。為了確保風電新能源的快速利用，須根據(jù)風力發(fā)電的特點采取相應的技術措施，不斷提高并網(wǎng)性能，提高供電質(zhì)量。進一步優(yōu)化我國電力供應結構，推動風電及新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，為實現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型目標提供有力支撐。

1風力發(fā)電

1.1概述

我國幅員遼闊，風能資源豐富，特別是在三北地區(qū)、東南沿海地區(qū)及附近海域，風力發(fā)電已成為新能源發(fā)電中應用*廣泛的方式之一。風力渦輪系統(tǒng)是風力發(fā)電機組中*為關鍵的部分，主要由風力渦輪機、機艙和塔架組成。風力渦輪機在風力發(fā)電中起著至關重要的作用，負責將風能轉(zhuǎn)化為機械能。風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。常見的葉片形狀是雙流線，在某些特殊情況下，也可以使用S形葉片。然而，在風力發(fā)電設備的長期運行過程中，風力渦輪機等部件可能會受到自然環(huán)境的影響，出現(xiàn)腐蝕、開裂等質(zhì)量問題，因此需要定期維護和保養(yǎng)。塔架在風力發(fā)電設備中起著支撐作用，其高度調(diào)整需要參考風力渦輪機的直徑和風資源剪切指數(shù)。塔的高度通常在70-140m之間。發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，其容量與風力渦輪機葉片的長度相關。隨著科學技術的不斷進步及應用范圍的擴大，在我國能源結構中風力發(fā)電的地位日益提升，為我國綠色發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型奠定了堅實基礎。如何安全且經(jīng)濟地降低風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)損耗，以及風力發(fā)電系統(tǒng)主動參與電壓調(diào)節(jié)控制的能力探究，成為當下關于新能源行業(yè)的熱點研究內(nèi)容之一。

1.2特點

風力渦輪機在風力發(fā)電過程中起著至關重要的作用。當風作用在渦輪機的葉片上時，葉片開始旋轉(zhuǎn)，隨著風速的增加，葉片轉(zhuǎn)速逐漸增加，直至轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定，這個過程將風能轉(zhuǎn)化為有效的機械能，而發(fā)電機可以將這些機械能轉(zhuǎn)化為電能。實際上，*基本的風力發(fā)電系統(tǒng)只由兩部分組成：風力渦輪機的風扇葉片和發(fā)電機。風力渦輪機的葉片受到風力的驅(qū)動并開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機械能。由于葉片和發(fā)電機之間的持續(xù)連接，葉片的持續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機的穩(wěn)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(zhuǎn)化為電能。通過上述方法將風能轉(zhuǎn)化電能，有利于減少對傳統(tǒng)能源的依賴，促進綠色環(huán)保能源的發(fā)展。

2風力發(fā)電并網(wǎng)技術

目前，風力發(fā)電領域應用到多種技術，包括模擬技術、電力調(diào)度技術、風力發(fā)電預測技術和實驗檢測技術。仿真技術通過構建風電模型來模擬風電系統(tǒng)的實際運行過程，可以準確揭示系統(tǒng)運行中的潛在問題，及時優(yōu)化風力發(fā)電機組接入電網(wǎng)。電力調(diào)度技術是保證電網(wǎng)穩(wěn)定的關鍵，依靠對風電的準確預測，有效控制風能對電網(wǎng)的不利影響。時間序列漸進法的應用進一步增強了電力調(diào)度技術的科學性和實用性。風電預測技術結合多種天氣預報模型，通過收集和分析風速、風向等數(shù)據(jù)，準確預測風機的運行狀態(tài)和輸出功率。風電預測技術能夠克服惡劣天氣對功率預測的挑戰(zhàn)，并通過數(shù)字模型深入了解了風電的功率波動規(guī)律，進而實現(xiàn)對風能的準確控制。實驗檢測技術通過大量的現(xiàn)場實驗獲得風電并網(wǎng)的關鍵參數(shù)，這些參數(shù)的研究有助于評估電網(wǎng)的性能，并通過檢測并網(wǎng)風電場的電能質(zhì)量和有功功率調(diào)節(jié)水平來優(yōu)化整個系統(tǒng)，確保其穩(wěn)定運行。

3風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制

3.1風力預測控制

風力預測控制在風力發(fā)電中的重要性不言而喻。由于風力的不穩(wěn)定性，通常難以維持風力發(fā)電能源的穩(wěn)定供應，風力的大小和持續(xù)時間直接影響風力渦輪機的發(fā)電能力。風力增加且持續(xù)時間更長，會相應增加風力渦輪機的發(fā)電能力。然而，盡管風力發(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(wěn)定，難以與風力渦輪機實現(xiàn)良好配合。為了克服這一挑戰(zhàn)，風力預測控制技術被研發(fā)出來，且已廣泛應用于風力發(fā)電過程中。通過準確預測風力，對風電系統(tǒng)實施動態(tài)調(diào)整，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高其整合效率。目前，通過利用各種技術手段模擬分析風力數(shù)據(jù)，預測發(fā)展趨勢，都可以獲得更合理、更準確的預測結果。這一預測過程通常分為短期和中期兩個階段，短期預測主要關注風電系統(tǒng)渦輪機的實時調(diào)整和優(yōu)化，以確保其在當前風況下*快速的運行；中期預測則是更多地關注發(fā)電系統(tǒng)輻射范圍內(nèi)的風電情況，通過對未來風電做出合理判斷，為風電發(fā)電提供更穩(wěn)定可靠的依據(jù)。

3.2*大功率點跟蹤控制

*大功率點跟蹤控制以實現(xiàn)風力渦輪機速度或槳距角的智能調(diào)節(jié)，確保能在不同風速下的*佳運行，保障輸出*大功率。這一方法的實施依賴于良好的控制系統(tǒng)及算法，這些系統(tǒng)及算法能夠?qū)崟r監(jiān)測風速和機組的運行狀態(tài)，并做出相應的調(diào)整。當風速較低時，控制系統(tǒng)可以通過提高機組的速度來提取更多的風力；當風速高時，為了避免對單元的過度應力或損壞，控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)槳距角來減少風力的捕獲。基于此過程，*大功率點跟蹤控制策略不僅提高了風電系統(tǒng)的發(fā)電效率，還能夠保證風電機組的安全穩(wěn)定運行。

3.3有功功率和無功功率控制

風電并網(wǎng)系統(tǒng)在向電網(wǎng)提供有功功率，滿足電力需求的同時還會提供無功功率，這對提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量至關重要。為了確保風電并網(wǎng)的無功補償電壓穩(wěn)定性與電網(wǎng)一致，風電場需要配備相應的無功功補償設備，并實現(xiàn)精細的無功電壓控制。分析各組風電機組接入點電壓調(diào)整特性。有功功率控制主要通過調(diào)整風力渦輪機的輸出功率來實現(xiàn)，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(zhuǎn)速或槳距角，以實現(xiàn)*大功率點跟蹤，必要時還要進行功率限制，以避免對電網(wǎng)的影響。無功功率控制主要是通過調(diào)整風力發(fā)電機的無功功率輸出來提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。在風電場中，可以使用靜態(tài)無功發(fā)電機或電容器組等無功功率補償裝置來提供或吸收無功功率，從而保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

3.4電能質(zhì)量監(jiān)測與控制

隨著新能源發(fā)電機組接入電力系統(tǒng)的比例增加，新能源發(fā)電滲透率的提高對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和靈活經(jīng)濟運行提出了挑戰(zhàn)。加強電能質(zhì)量的監(jiān)測控制在風力發(fā)電系統(tǒng)中至關重要，通過實時監(jiān)測并記錄電壓波動和電流諧波等關鍵參數(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)運行過程中潛在的電能質(zhì)量問題。這種持續(xù)監(jiān)測不僅提供了有價值的數(shù)據(jù)支持，還可以更準確地了解風力渦輪機的運行狀態(tài)。現(xiàn)代技術的應用給風力發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和維護帶來了革命性的變化。風電質(zhì)量監(jiān)測主要依靠優(yōu)異的電能質(zhì)量監(jiān)測設備，能夠?qū)崟r監(jiān)測風電場內(nèi)部的電壓、電流、頻率等關鍵參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題。通過采用大數(shù)據(jù)和云計算技術，實現(xiàn)風電質(zhì)量數(shù)據(jù)的遠程傳輸和集中處理，進一步提高監(jiān)測效率。

4風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

4.1評估風能資源

首先，通過構建風力發(fā)電量預測模型，結合天氣預報等相關數(shù)據(jù)，提前預測風力發(fā)電量的波動情況。并在此基礎上，充分利用風電波動特點，結合傳統(tǒng)發(fā)電設備的靈活性，使電力系統(tǒng)在波動的同時保持平衡。另外，引入儲能技術也是一種有效的策略。儲能技術可以通過儲存和釋放能量來平穩(wěn)調(diào)節(jié)風力發(fā)電的波動，從而減少對電力系統(tǒng)的影響。儲能技術的引用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為電力系統(tǒng)的平衡運行提供了更多的選擇。智能控制算法可以實時監(jiān)測和調(diào)整風力發(fā)電設備的輸出，從而加快系統(tǒng)的響應速度，提高穩(wěn)定性。這項技術的應用將進一步提高風力發(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(zhuǎn)換效率。這一改進為發(fā)電機的快速運行奠定了堅實基礎。其次，優(yōu)化發(fā)電機的控制策略同樣重要。通過改進電流控制算法和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以提高發(fā)電機對外部變化的響應速度和穩(wěn)定性。增強發(fā)電機適應性的同時，還進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，通過采用快速的冷卻系統(tǒng)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)電機的長期穩(wěn)定運行具有重要意義。以專業(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一步對風電設備整體的深入保養(yǎng)，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)可以通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對負荷變化做出快速準確的調(diào)整。在高峰時段，智能電網(wǎng)通過優(yōu)化資源配置，提高電網(wǎng)的供電能力；在低谷時期，合理利用閑置產(chǎn)能，防止資源浪費的發(fā)生。風電并網(wǎng)作為一種清潔可再生能源的利用方式，對改善電網(wǎng)負荷特性有著突出作用。風電并網(wǎng)運行可以大大減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低電網(wǎng)的負荷壓力。同時，風電發(fā)電的隨機性和波動性使其能夠在一定程度上改善電網(wǎng)負荷的波動，從而改善電網(wǎng)的負荷特性，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和靈活經(jīng)濟運行。

4.4增強輸電能力

作為一個核心環(huán)節(jié)，電力電子技術在風力發(fā)電的轉(zhuǎn)換過程中的應用目標是將自然風能資源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可持續(xù)的電能資源。這一轉(zhuǎn)換過程關系到能源的有效利用，并涉及如何有效、安全地長距離傳輸所產(chǎn)生的電力，確保傳輸過程中的穩(wěn)定性，盡可能減少能源損失。為了應對這一挑戰(zhàn)，風電公司正在對高壓直流（HVDC）技術進行深入研究。這項技術利用高壓直流電進行電力傳輸，不僅可以實現(xiàn)長距離的能量傳輸，還可以顯著降低傳輸過程中的損耗。HVDC技術的優(yōu)點在于其對使用環(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。風力發(fā)電的遠距離輸電是一個至關重要的研究項目。為實現(xiàn)快速的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，有必要解決長距離輸電的問題，減少輸電過程中的損失。充分利用電力電子技術，確保風力發(fā)電快速、穩(wěn)定、遠距離傳輸，從而實現(xiàn)其更大的利用價值。

5風力發(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儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

5.2應用場景

城市充電站、工業(yè)園區(qū)、分布式新能源、數(shù)據(jù)**、微電網(wǎng)、高速服務區(qū)、智慧醫(yī)院、智慧校園等。

5.3系統(tǒng)結構

5.4系統(tǒng)功能

（1）實施監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、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

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)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(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.5系統(tǒng)功能

	內(nèi)部設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機、工業(yè)平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統(tǒng)軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監(jiān)控主機提供后備電源
4	打印機	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復限，系統(tǒng)事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡交換機	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術等技術問題
7	GPS時鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛(wèi)星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛(wèi)星上面的時間進行同步
8	交流計量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計量電表	PZ96L-DE		可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭?a href="http://ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開關量輸入/輸出等功能
10	電能質(zhì)量監(jiān)測	APView500		實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護裝置，當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接
12	箱變測控裝置	AM6-PWC		置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置
13	通信管理機	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù):
14	串口服務器	Aport		功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。 1)空調(diào)的開關，調(diào)溫，及完全斷電(二次開關實現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個設備狀態(tài)，將相關數(shù)據(jù)到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

6結束語

綜上所述，作為近年來我國快速發(fā)展的可再生資源之一，風力發(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，風力發(fā)電行業(yè)也面臨著一些挑戰(zhàn)，風力的不確定性、儲存困難以及并網(wǎng)過程中的這些問題都降低了風電的利用率，無法發(fā)揮出風力發(fā)電的*大潛力。為了應對這些挑戰(zhàn)，以后相關技術及領域的研究開發(fā)應側重于提高風電預測的準確性。通過遙感技術、計算機技術的應用，結合大數(shù)據(jù)與人工智能技術，更準確地預測風能變化趨勢，優(yōu)化風電場的運營和管理，為我國電力供應及新能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。

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審核編輯 黃宇