風力發電對電力系統的影響及解決措施

楊云峰 徐鑫 王永浩 劉世濤 劉嵩

1.青海黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司 青海西寧 810000

2.國核信息科技有限公司 山東濟南 250101

在全球應對氣候變化背景下，可再生能源在各國制定的減緩目標中將起到越來越重要的作用。面對能源短缺的局面，走能源可持續發展道路成為歷史的必然，風能作為最有開發利用前景和技術最成熟的一種新型可再生能源，在解決全球氣候變暖的問題、促進低碳產業經濟發展、提高國家能源安全等方面具有重要的戰略意義。在我國，風力發電有效減緩了我國煤電能源不足的狀況，能夠有效彌補可能出現的能源應缺口。由于科技的進步和發展以及人們對電能需求量的增加，表明發電關鍵技術要不斷革新，通過相關的機械設備以及技術等將風能轉化為但能，保證電力系統能夠安全、有效的運轉起來，不斷滿足人們對電能的使用需求。

1 風力發電技術概述

從資源的儲量來說，風能資源儲量比較高，同水資源相比突出，為水資源儲量的10 倍。借助風力發電，主要是將風力轉換為驅動風力的機械力，借助發電機進行能源轉換，形成電能。技術的應用分析如下：①風機類型。依據裝機容量指標進行劃分，主要包括小型機、中型機、大型機以及特大型機。一般來說，風機的容量越大，那么槳葉的長度就越大。根據發電機轉速指標，細化為恒速機、變速機、多態定速機。②設備的組成和功能分析。使用的風力發電機組，組成結構為風輪、機艙以及基礎等。運行的風輪，組成結構包括葉片和變槳系統等。葉片的形狀如何，影響著風能的吸收程度。運行時，風機風速如果大于切出風速，利用旋轉狀態的葉尖，來完成氣動制動。如果葉片處于異常狀態運行下，那么要及時有效應對覆冰或者腐蝕等問題，確保葉片得到有效保護以及防護。③風機控制技術。使用的并網發電機，類型包括雙饋機、雙速異步機以及變速風力發電機。新的并網技術，引入了模糊控制技術，高效調節轉速以及功率。利用神經網絡，對葉片漿距進行控制，并且預測風輪氣動特性，有著不錯的效果。當風電場處于并網運行狀態時，吸收無功，為了保證運行的效益，為風電場配置SVC 或者其他無功補償裝置，通過實時動態補償，減少因為輸送功率引發的系統振蕩情況，優化電網運行狀態。

2 風力發電對電力系統的影響

2.1 對風電場規模影響

目前，我國電網規模逐步擴大。但風電場接入容量相對較低，占電網總裝機容量，不會對電網頻率造成太大影響，這不是限制風電場建設規模的主要條件。對于負荷消納少，以及風能資源豐富的地區，同時，電網結構相對薄弱。如果此時存在風電大量輸入時，不但影響接入點的電壓，還會改變潮流分布情況，這種情況是制約風電建設規模的主要因素。風能是不可控制的，導致風電機組出力的波動和間歇性。目前，風電預測精度有待提高，增加了電力調度的難度。從電網的角度來看，風電機組是一種隨機干擾源，對電網的可靠運行增加了一定的風險。因此，關鍵問題是確定風電場在規劃和設計階段就能夠確定最大輸入容量。

2.2 對保護的影響

為了延長風機接觸器壽命，風機在始終保持并網狀態，當起動風速接近時，允許出現風電機組以電動機方式短時運行，這確定了風機潮流不固定的性質。所以要充分考慮繼電保護裝置的整定和配置。當風電機組三相短路故障在短距離內發生時，故障電流是斷斷續續的特點，在不對稱故障時提供的短路電流也有限。這種情況增加了風電場保護檢測故障的技術難度，也可能影響原有配電網保護裝置的正確運行，這在最初配電網的保護配置和整定時沒有考慮到。

3 風力發電解決措施

3.1 著力解決供需矛盾

從新能源發電技術的應用分布來說，早期主要布局在中東部，即經濟發達的區域，因為這些區域的電力系統網絡相對成熟，應用新技術，只需要結合需求，對電網系統進行相應的調整便能夠達到發電要求。電力新能源需求不斷增加的背景下，我國需要著力解決上述部分不均衡問題[3]。目前來說，風電開發布局持續優化。2019 年前三季度，中東部和南方地區新增風電并網228 萬kW，占全國的44.7%。截至2019 年9 月底，中東部和南方地區風電裝機5826 萬kW。結合實際需求，不斷優化電力新能源的部署，滿足多樣化需求。

3.2 海上風電場技術

眾所周知，海上風力資源比起內陸風力資源較為豐富，具有穩定的主導風向，且風電技術受環境的影響較小，能夠有效促進海上風電發展，但不可避免存在的一些技術性難題還有待解決，如風電系統保護和維保技術、海上風電場運輸技術以及海上風電場的協調控制技術等，若能夠得到有效解決，對并網型風力發電技術的穩定發展具有重要意義。

3.3 粒子群優化算法

粒子群優化算法（ParticleSwarmOptimization，PSO）或稱鳥群覓食法。PSO 算法是一種并行算法，它從隨機解出發，通過群體中個體間的合作和信息共享來尋找最優解，并通過自我適應程度來評價其優缺點。粒子群算法的本質是假定無質量的粒子來模擬鳥群中的鳥，其中每個粒子均兩種屬性：速度和位置。在總群中，每個粒子需要分別找到最優解，并將其記錄為當前單個極值Pibest。同時，每個粒子的個體極值與整個粒子群中的其他粒子共享信息，找到最優的個體極值作為整個粒子群的當前全局最優解即群體極值Gbest，粒子群中的所有粒子根據自身搜索所得的個體極值和群體中全部粒子的信息，根據此時的全體最優解來更新粒子自身的速度和位置。

3.4 保護裝置的調整

目前通常對風電場保護裝置進行配置與整定是按照終端變電站的方案來確定。基本由上級變電站的保護來切除風場送出線路的故障，而風場的風電機組由孤島保護、低電壓保護等來逐臺切除。但是這種保護配置方法對于今后有大量風電場接入配電網時，會降低系統的可靠性。調峰管理存在的難點需要通過以下方法來破解，首先通過收集各種風電機組技術參數、預測氣象信息，實時發電計劃和AGC算法以風速風機出力和負荷預測為基礎，并應用于工程；其次，調度部門根據原則，承擔同一范圍內其他機組各風電場出力波動引起的調峰問題發電機組，使各發電機組能夠從管理上積極開展預測工作。為解決風電機組引起的電壓波動問題，實現整個區域電網無功電壓的最優控制，擴大了無功控制系統的應用范圍，將無功電壓控制系統納入風電場接入點變電站。

3.5 科學規劃

推動新能源的發展以及應用，當前的重要任務為科學合理規劃，這也是發展電力新能源的基本要求。具體落實方面，需要相關主管部門能夠堅持經濟和綠色的基本原則，深度分析當前能源市場的基本需求，除了做好水電和火電的規劃外，制定符合發展實際的可再生能源目標。基于提出的新能源發展以及利用總目標，對新能源發電技術的應用，進行合理規劃，優化規劃方案，并且提出相應的標準，為電力新能源發展和應用面臨的問題，提出具體的解決措施，推動新能源發電技術的高效發展。

4 結語

近年來，風能需求量的不斷增加，致使對風力發電系統容量提出相應改進，能夠更好地提高風能利用率。根據我國的實際情況，為進一步提高風能發電技術的可靠性，需要重視海上風力發電技術、風場協調控制技術等，不斷增加電網內部的穩定性和可靠性，不斷攻克技術性難關，為新能源的開發利用奠定重要基礎。