風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制與優(yōu)化：為化工能源轉(zhuǎn)型賦能

　更新時(shí)間：2025-03-03　點(diǎn)擊量：656

【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。根據(jù)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力，并通過發(fā)電機(jī)將電力輸送給各種用戶，滿足人們的日常需求。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(shì)。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(nèi)能源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)，引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。未來須注意不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)突破，為能源發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。本文探討了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和優(yōu)化策略，以供參考。

【關(guān)鍵字】：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)電作為一種可再生資源，具有低污染、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來**綠色發(fā)展戰(zhàn)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(jī)容量機(jī)并網(wǎng)規(guī)模呈逐年增長趨勢(shì)，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(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)涉及許多復(fù)雜的技術(shù)和管理問題。為了確保風(fēng)電新能源的快速利用，須根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)采取相應(yīng)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(yīng)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)風(fēng)電及新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)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(qū)、東南沿海地區(qū)及附近海域，風(fēng)力發(fā)電已成為新能源發(fā)電中應(yīng)用*廣泛的方式之一。風(fēng)力渦輪系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中*為關(guān)鍵的部分，主要由風(fēng)力渦輪機(jī)、機(jī)艙和塔架組成。風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中起著至關(guān)重要的作用，負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制造材料需要具有高強(qiáng)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(fēng)力發(fā)電設(shè)備的長期運(yùn)行過程中，風(fēng)力渦輪機(jī)等部件可能會(huì)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(hù)和保養(yǎng)。塔架在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中起著支撐作用，其高度調(diào)整需要參考風(fēng)力渦輪機(jī)的直徑和風(fēng)資源剪切指數(shù)。塔的高度通常在70-140m之間。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其容量與風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的長度相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，在我國能源結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。如何安全且經(jīng)濟(jì)地降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)損耗，以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)參與電壓調(diào)節(jié)控制的能力探究，成為當(dāng)下關(guān)于新能源行業(yè)的熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一。

1.2特點(diǎn)

風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)力發(fā)電過程中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)風(fēng)作用在渦輪機(jī)的葉片上時(shí)，葉片開始旋轉(zhuǎn)，隨著風(fēng)速的增加，葉片轉(zhuǎn)速逐漸增加，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，這個(gè)過程將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為有效的機(jī)械能，而發(fā)電機(jī)可以將這些機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)際上，*基本的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)只由兩部分組成：風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)扇葉片和發(fā)電機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片受到風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)并開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)械能。由于葉片和發(fā)電機(jī)之間的持續(xù)連接，葉片的持續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。這樣，發(fā)電機(jī)可以有效地利用葉片產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。通過上述方法將風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能，有利于減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，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(yīng)用到多種技術(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)。仿真技術(shù)通過構(gòu)建風(fēng)電模型來模擬風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程，可以準(zhǔn)確揭示系統(tǒng)運(yùn)行中的潛在問題，及時(shí)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)。電力調(diào)度技術(shù)是保證電網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，依靠對(duì)風(fēng)電的準(zhǔn)確預(yù)測，有效控制風(fēng)能對(duì)電網(wǎng)的不利影響。時(shí)間序列漸進(jìn)法的應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)了電力調(diào)度技術(shù)的科學(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，通過收集和分析風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出功率。風(fēng)電預(yù)測技術(shù)能夠克服惡劣天氣對(duì)功率預(yù)測的挑戰(zhàn)，并通過數(shù)字模型深入了解了風(fēng)電的功率波動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的準(zhǔn)確控制。實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)通過大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)獲得風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)的研究有助于評(píng)估電網(wǎng)的性能，并通過檢測并網(wǎng)風(fēng)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(gè)系統(tǒng)，確保其穩(wěn)定運(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)力預(yù)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(wěn)定性，通常難以維持風(fēng)力發(fā)電能源的穩(wěn)定供應(yīng)，風(fēng)力的大小和持續(xù)時(shí)間直接影響風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電能力。風(fēng)力增加且持續(xù)時(shí)間更長，會(huì)相應(yīng)增加風(fēng)力渦輪機(jī)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(wěn)定，難以與風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)良好配合。為了克服這一挑戰(zhàn)，風(fēng)力預(yù)測控制技術(shù)被研發(fā)出來，且已廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電過程中。通過準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)力，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，增強(qiáng)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(shù)手段模擬分析風(fēng)力數(shù)據(jù)，預(yù)測發(fā)展趨勢(shì)，都可以獲得更合理、更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。這一預(yù)測過程通常分為短期和中期兩個(gè)階段，短期預(yù)測主要關(guān)注風(fēng)電系統(tǒng)渦輪機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，以確保其在當(dāng)前風(fēng)況下*快速的運(yùn)行；中期預(yù)測則是更多地關(guān)注發(fā)電系統(tǒng)輻射范圍內(nèi)的風(fēng)電情況，通過對(duì)未來風(fēng)電做出合理判斷，為風(fēng)電發(fā)電提供更穩(wěn)定可靠的依據(jù)。

3.2*大功率點(diǎn)跟蹤控制

*大功率點(diǎn)跟蹤控制以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)速度或槳距角的智能調(diào)節(jié)，確保能在不同風(fēng)速下的*佳運(yùn)行，保障輸出*大功率。這一方法的實(shí)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(shí)監(jiān)測風(fēng)速和機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并做出相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，控制系統(tǒng)可以通過提高機(jī)組的速度來提取更多的風(fēng)力；當(dāng)風(fēng)速高時(shí)，為了避免對(duì)單元的過度應(yīng)力或損壞，控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)槳距角來減少風(fēng)力的捕獲。基于此過程，*大功率點(diǎn)跟蹤控制策略不僅提高了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，還能夠保證風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3有功功率和無功功率控制

風(fēng)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(shí)還會(huì)提供無功功率，這對(duì)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)的無功補(bǔ)償電壓穩(wěn)定性與電網(wǎng)一致，風(fēng)電場需要配備相應(yīng)的無功功補(bǔ)償設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)精細(xì)的無功電壓控制。分析各組風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)電壓調(diào)整特性。有功功率控制主要通過調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率來實(shí)現(xiàn)，以確保它們與電網(wǎng)的需求相匹配。這包括準(zhǔn)確控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或槳距角，以實(shí)現(xiàn)*大功率點(diǎn)跟蹤，必要時(shí)還要進(jìn)行功率限制，以避免對(duì)電網(wǎng)的影響。無功功率控制主要是通過調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率輸出來提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。在風(fēng)電場中，可以使用靜態(tài)無功發(fā)電機(jī)或電容器組等無功功率補(bǔ)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(jī)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(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。加強(qiáng)電能質(zhì)量的監(jiān)測控制在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中至關(guān)重要，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄電壓波動(dòng)和電流諧波等關(guān)鍵參數(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)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(jià)值的數(shù)據(jù)支持，還可以更準(zhǔn)確地了解風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和維護(hù)帶來了革命性的變化。風(fēng)電質(zhì)量監(jiān)測主要依靠優(yōu)異的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測風(fēng)電場內(nèi)部的電壓、電流、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題。通過采用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電質(zhì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和集中處理，進(jìn)一步提高監(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(píng)估風(fēng)能資源

首先，通過構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測模型，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)等相關(guān)數(shù)據(jù)，提前預(yù)測風(fēng)力發(fā)電量的波動(dòng)情況。并在此基礎(chǔ)上，充分利用風(fēng)電波動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的靈活性，使電力系統(tǒng)在波動(dòng)的同時(shí)保持平衡。另外，引入儲(chǔ)能技術(shù)也是一種有效的策略。儲(chǔ)能技術(shù)可以通過儲(chǔ)存和釋放能量來平穩(wěn)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)，從而減少對(duì)電力系統(tǒng)的影響。儲(chǔ)能技術(shù)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(yùn)行提供了更多的選擇。智能控制算法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的輸出，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高穩(wěn)定性。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)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(jī)組布局

首先，優(yōu)化發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)比較重要。通過采用電磁設(shè)計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)換效率。這一改進(jìn)為發(fā)電機(jī)的快速運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其次，優(yōu)化發(fā)電機(jī)的控制策略同樣重要。通過改進(jìn)電流控制算法和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以提高發(fā)電機(jī)對(duì)外部變化的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。增強(qiáng)發(fā)電機(jī)適應(yīng)性的同時(shí)，還進(jìn)一步提高了其運(yùn)行效率。

此外，適度降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)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(jī)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(jī)的材料、工藝和運(yùn)行環(huán)境等因素。*后，發(fā)電機(jī)的定期檢查、清潔和潤滑是保持其有效運(yùn)行的重要手段。通過保持發(fā)電機(jī)的良好運(yùn)行狀態(tài)，減少機(jī)械磨損和電氣損耗，從而延長發(fā)電機(jī)的使用壽命，提高運(yùn)行效率。這種定期維護(hù)方法對(duì)確保發(fā)電機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。以專業(yè)維修人員為主、設(shè)備操作人員做好配合，是在日常維護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電設(shè)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(fù)荷特性

智能電網(wǎng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，對(duì)負(fù)荷變化做出快速準(zhǔn)確的調(diào)整。在高峰時(shí)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(shí)期，合理利用閑置產(chǎn)能，防止資源浪費(fèi)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(duì)改善電網(wǎng)負(fù)荷特性有著突出作用。風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行可以大大減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低電網(wǎng)的負(fù)荷壓力。同時(shí)，風(fēng)電發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性使其能夠在一定程度上改善電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)，從而改善電網(wǎng)的負(fù)荷特性，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和靈活經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.4增強(qiáng)輸電能力

作為一個(gè)核心環(huán)節(jié)，電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)換過程中的應(yīng)用目標(biāo)是將自然風(fēng)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(guān)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(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，風(fēng)電公司正在對(duì)高壓直流（HVDC）技術(shù)進(jìn)行深入研究。這項(xiàng)技術(shù)利用高壓直流電進(jìn)行電力傳輸，不僅可以實(shí)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)使用環(huán)境的要求相對(duì)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(yīng)用前景。風(fēng)力發(fā)電的遠(yuǎn)距離輸電是一個(gè)至關(guān)重要的研究項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)快速的風(fēng)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(shù)，確保風(fēng)力發(fā)電快速、穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離傳輸，從而實(shí)現(xiàn)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(zhàn)與展望

5.1系統(tǒng)概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、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。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(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

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(wù)區(qū)、智慧醫(yī)院、智慧校園等。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)