現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行分析

鮑祺龍 BAO Qi-long

（上海電力安裝第一工程有限公司，上海 200090）

0 引言

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，但是在實(shí)際利用上存在諸多限制，風(fēng)能不可控性及電網(wǎng)不可調(diào)度性，導(dǎo)致電力運(yùn)行尚不充分。同時(shí)我國(guó)部分地區(qū)先進(jìn)設(shè)備的缺乏，電力限制深化，調(diào)度難題顯著。

1 現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)行實(shí)況分析

1.1 工程概況

河北省唐山市風(fēng)電場(chǎng)300MW工程地處于曹妃甸港同唐山市京唐港間的樂(lè)亭縣海域，其地理位置于北緯38°55.2′-39°3.9′，東經(jīng)118°45.1′-118°51.3′之間。該風(fēng)電場(chǎng)呈不規(guī)則表現(xiàn)形狀，南北長(zhǎng)度于5.9km-11.2km之間，東西寬距約為7.8km，該風(fēng)電場(chǎng)面積為68.2km2。該海上風(fēng)電場(chǎng)于2018年5月4日試樁，隨著項(xiàng)目的日益發(fā)展，推進(jìn)陸上220kV送出線路、海上升壓站、220kV海纜/35kV海纜敷設(shè)工程的推進(jìn)，該工程已經(jīng)全面開(kāi)工。

1.2 工程風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)分析

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)中占據(jù)重要地位，它是指在一定時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)風(fēng)電功率，并構(gòu)建起相適合的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，以此來(lái)幫助相關(guān)技術(shù)人員更科學(xué)掌握風(fēng)電波動(dòng)規(guī)律，從而促使技術(shù)人員更有效控制風(fēng)電系統(tǒng)所造成的影響，將風(fēng)險(xiǎn)把控于可控范圍內(nèi)，以此來(lái)顯著穩(wěn)定風(fēng)電系統(tǒng)，提高風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)的可靠性。該工程的風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)主要面向于超短期功率、短功率、中長(zhǎng)期功率。其中，超短期功率預(yù)測(cè)主要是在5小時(shí)的時(shí)間段內(nèi)，短期功率預(yù)測(cè)是在三天時(shí)間內(nèi)。科學(xué)有效的功率預(yù)測(cè)，將促使相關(guān)技術(shù)人員更好地平衡輸送功率，以此來(lái)有效提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)短期功率預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用較為熟練，其中預(yù)測(cè)技術(shù)主要包括物理方法、物理統(tǒng)計(jì)方法、統(tǒng)計(jì)方法這三種，并且，該工程也建有一套系統(tǒng)完備、行之有效的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)體系，應(yīng)用多種預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建起混合式風(fēng)電功率預(yù)測(cè)模式，從而顯著解決風(fēng)電系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)丟失以及風(fēng)電功率場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等難題，顯著提高我國(guó)風(fēng)電發(fā)電廠功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

河北省唐山風(fēng)電場(chǎng)采用指數(shù)平滑法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，其平滑公式為St=αxt-1+（1-a）St-1，0＜α≤1，t≥3。表1即為A市SK發(fā)電廠應(yīng)用所應(yīng)用的指數(shù)平滑法以及相關(guān)公式，數(shù)據(jù)均選取2022年6月6日-6月26日的數(shù)據(jù)信息，予以縱向預(yù)測(cè)未來(lái)7天風(fēng)電功率實(shí)況。通過(guò)表1數(shù)據(jù)信息即可清晰觀察到，平滑參數(shù)α的不斷提高，預(yù)測(cè)結(jié)果的過(guò)濾和準(zhǔn)確率在小范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其準(zhǔn)確率控制于70%，合格率則在70%以上，由此即可說(shuō)明，風(fēng)電新能源并網(wǎng)功率預(yù)測(cè)方法可以應(yīng)用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模式。

表1 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

1.3 風(fēng)電新能源并網(wǎng)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)分析

若是想要從本質(zhì)上提高風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)綜合性能，就需在前期進(jìn)行系列試驗(yàn)，只有在反復(fù)試驗(yàn)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，方可顯著提高我國(guó)風(fēng)電機(jī)組綜合水平，保持風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高風(fēng)電系統(tǒng)的安全性。當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)檢測(cè)并網(wǎng)技術(shù)主要在于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)檢測(cè)及風(fēng)電機(jī)的并網(wǎng)試驗(yàn)兩部分內(nèi)容。其中風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)試驗(yàn)主要是檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組有功無(wú)功狀態(tài)下的調(diào)節(jié)能力、低壓穿透能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)能力等等相關(guān)基礎(chǔ)性能。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)檢測(cè)主要是綜合檢測(cè)并評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)組并網(wǎng)性能和風(fēng)電性能。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)所含的風(fēng)電機(jī)組種類豐富、樣式繁多，相關(guān)的試驗(yàn)檢測(cè)需求也較高，因此，需構(gòu)建起相適應(yīng)的試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)，以此來(lái)顯著降低試驗(yàn)檢測(cè)工作強(qiáng)度，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.4 風(fēng)電新能源并網(wǎng)電力調(diào)度技術(shù)分析

風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)穩(wěn)定性的有效提升過(guò)程中，電力調(diào)度優(yōu)化是其有效方式，電力調(diào)度的優(yōu)化需綜合風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果循序開(kāi)展，以此為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，預(yù)留足夠空間，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)極具價(jià)值的風(fēng)電并網(wǎng)消納。當(dāng)前，我國(guó)應(yīng)用最為頻繁、最為廣泛的是基于時(shí)序遞進(jìn)的風(fēng)電調(diào)度方法，是相關(guān)技術(shù)人員綜合我國(guó)當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展實(shí)況，結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所研制出來(lái)的，因此，科學(xué)性顯著。此類調(diào)度方法主要面向于風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的不確定區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)合理調(diào)度風(fēng)電。除此之外，我國(guó)也深入研究了風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，不斷降低風(fēng)電系統(tǒng)的不確定影響因素，從而保障風(fēng)電系統(tǒng)的足夠穩(wěn)定和安全。

2 機(jī)側(cè)變流器控制分析

本工程主要采用永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?qū)ζ浞€(wěn)定性能要求越來(lái)越高，因此，對(duì)于此類的PMSG控制系統(tǒng)也提出了全新要求，即可總結(jié)為：控制精確、響應(yīng)速度、震蕩幅度小，發(fā)電效率高，功率因數(shù)高，且系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，速度被調(diào)房?jī)?nèi)寬泛，魯棒性準(zhǔn)高等等。由此，機(jī)遇PMSG矢量控制方法中的i*d=0，控制方法用的較多，相應(yīng)的瑞慈控制、最大轉(zhuǎn)矩控制也有所應(yīng)用，由此，本文所采用的計(jì)策控制分析就是在此方法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)研究的。

2.1 矢量控制原理

零d軸矢量控制，即為發(fā)電機(jī)d軸相關(guān)的電流分量需時(shí)刻保持于0，同時(shí)也需保障公式中的id=0，由此即可總結(jié)電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

公式（1）中即可清晰發(fā)現(xiàn)，如若id=0，Te同iq之間則構(gòu)成線性關(guān)系，則需調(diào)整id即可將電磁轉(zhuǎn)矩予以調(diào)整。并且通過(guò)（1）即可總結(jié)出定子dq分量電流參考數(shù)值。

適當(dāng)引入PI調(diào)節(jié)，促使該電壓變成反饋?lái)?xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)dq軸電流解耦控制，從而得到電壓PI調(diào)解方程。

綜上所述，即可得出該發(fā)電機(jī)的核心控制框架圖如圖1所示。

圖1 機(jī)側(cè)控制框架圖

2.2 最大風(fēng)能追蹤

最大風(fēng)能追蹤即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程中，該控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)其轉(zhuǎn)速、功率的綜合調(diào)節(jié)，促使風(fēng)電系統(tǒng)得以保持在最佳工作點(diǎn)，獲取當(dāng)前風(fēng)能，從而提供最大功率。由此，常用最大風(fēng)能追蹤方法有：功率反饋控制法、葉尖速比法、爬山搜索法。由此，本文主要采用爬山搜索法予以對(duì)比分析爬山搜索法主要是通過(guò)前后狀態(tài)的對(duì)比，逐步探尋最大值計(jì)算方法。通過(guò)采用爬山搜索法，捕捉最大風(fēng)能時(shí)，最大優(yōu)點(diǎn)在于，無(wú)需測(cè)量風(fēng)速，也無(wú)需知道發(fā)電機(jī)特性。但是明顯缺點(diǎn)在于擾動(dòng)步長(zhǎng)很難確定。由此，如圖2所示的功率同轉(zhuǎn)速關(guān)系圖中，其PK是發(fā)時(shí)刻風(fēng)力機(jī)輸出功率，wK則是k時(shí)刻風(fēng)力機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，PK-1和wk-1是其K-1時(shí)刻中相對(duì)應(yīng)的功率、轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)圖2轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖的分析，即可總結(jié)。

圖2 轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖

①如若PK-1＜PK，且wk-1＜wk時(shí)，則表示該風(fēng)力機(jī)功率將隨著轉(zhuǎn)速的增加循序增加。在此過(guò)程中，需提高轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

②如若PK-1＞PK，且wk-1＞wk時(shí)，則表示該風(fēng)力機(jī)功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序減少。在此過(guò)程中，需增加轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

③如若PK-1＜PK，且wk-1＞wk時(shí)，則表示該風(fēng)力機(jī)功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序增加。在此過(guò)程中，需繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

④如若PK-1＞PK，且wk-1＜wk時(shí)，則表示該風(fēng)力機(jī)功率將隨著轉(zhuǎn)速的減小循序減少。在此過(guò)程中，需降低轉(zhuǎn)速，促使輸出功率將接近最大功率Pmax。

2.3 風(fēng)電新能源并網(wǎng)機(jī)側(cè)模型搭建

依據(jù)前文i*d=0控制策略構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，所搭建的圖3所示機(jī)側(cè)變流器控制模型，通過(guò)圖2所示的框架流程圖，將系統(tǒng)編寫M文件，從而輸出功率，轉(zhuǎn)速現(xiàn)態(tài)、次態(tài)，從而計(jì)算出發(fā)電機(jī)參考速度，在依托零d軸控制策略，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最終控制，從而追蹤最大風(fēng)能。

圖3 機(jī)側(cè)變流器控制模型

3 風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行提升策略

3.1 創(chuàng)新優(yōu)化風(fēng)電工程建設(shè)架構(gòu)

為了有效實(shí)現(xiàn)我國(guó)風(fēng)電新能源并網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，依據(jù)我國(guó)各個(gè)地區(qū)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，在風(fēng)電并網(wǎng)推進(jìn)過(guò)程中，貫徹落實(shí)“閉環(huán)結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)運(yùn)行”模式，通過(guò)此種運(yùn)行模式，將有效穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行情況。歸根結(jié)底在于電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中主要表現(xiàn)于環(huán)形狀態(tài)，一旦出現(xiàn)線路故障問(wèn)題，就需及時(shí)同有關(guān)工作人員取得聯(lián)系，合理運(yùn)用開(kāi)關(guān)，以此促使電能通過(guò)其他線路實(shí)現(xiàn)有效傳輸，以此來(lái)保障電力系統(tǒng)得以正常運(yùn)行，避免其他電力用戶受到影響，并最大限度降低電能損耗，保障電力設(shè)備同發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程更加安全穩(wěn)定。

3.2 緩解電網(wǎng)壓力降低功率損耗

電網(wǎng)功率主要有功率消耗、無(wú)功率消耗兩種消耗內(nèi)容。隨著風(fēng)電發(fā)電網(wǎng)功率損耗相關(guān)研究的不斷深入，功率計(jì)算方法，就能更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)部所隱藏的故障問(wèn)題，以及潛藏的安全隱患。在顯著降低風(fēng)電功率損耗的同時(shí)，也能顯著優(yōu)化用電負(fù)荷，適當(dāng)延長(zhǎng)電力設(shè)備實(shí)際使用壽命。因此，若是想要更科學(xué)計(jì)算風(fēng)電網(wǎng)的有效功率，就需要選用科學(xué)導(dǎo)線路徑，保障所傳輸量最大的基礎(chǔ)上，顯著降低電阻壓力數(shù)值，以此在最大范圍內(nèi)降低有效功率的實(shí)際損耗，提高有效功率傳輸效果。于無(wú)效功率而言，就需綜合風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)運(yùn)行實(shí)況，選擇相適合的專業(yè)變壓器用于電廠的實(shí)際供電、發(fā)電，針對(duì)性選擇相適合的無(wú)功補(bǔ)償。綜合我國(guó)風(fēng)電新能源現(xiàn)狀，以及并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而言，風(fēng)力電網(wǎng)資源的有效整合，推行無(wú)功補(bǔ)償，綜合采取并聯(lián)電容、精致無(wú)功電力補(bǔ)償器、同步調(diào)相繼這三種電力損耗無(wú)功補(bǔ)償方式，立足于電網(wǎng)實(shí)際之特點(diǎn)，綜合電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)需求，針對(duì)性選取將風(fēng)力電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷降至最低的方案，從而顯著降低功率損耗，創(chuàng)收更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高社會(huì)整體收益。

4 風(fēng)電新能源并網(wǎng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)

4.1 新技術(shù)同風(fēng)電新能源并網(wǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)有效融合

在推進(jìn)海上風(fēng)電新能源的發(fā)展形勢(shì)下，各個(gè)區(qū)域海上風(fēng)電新能源建設(shè)也愈發(fā)加快，風(fēng)電裝機(jī)容量也不斷增大，這同時(shí)也對(duì)風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度提出更高要求，因此，更創(chuàng)新的改進(jìn)方法融入，將滿足更為綜合的功率預(yù)測(cè)精度需求。首先，應(yīng)綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)，融入遙感技術(shù)，以此來(lái)顯著提高天氣預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度，提升天氣預(yù)報(bào)更新頻率，并在間接作用下促使輸入至風(fēng)電預(yù)測(cè)模型的數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，提高預(yù)測(cè)精確度，同時(shí)，可有效應(yīng)用小波分析、混沌理論等智能方式，構(gòu)建起系統(tǒng)性的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)非線性和線性相綜合方式，逐步健全預(yù)測(cè)方式，提高預(yù)測(cè)結(jié)果精確度，顯著降低預(yù)測(cè)誤差。尤其是當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同非線性網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，將更有利于相關(guān)預(yù)測(cè)性能的有效發(fā)揮，促使各個(gè)模型之間得以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促使模型數(shù)據(jù)顯著優(yōu)化，進(jìn)一步提高模型預(yù)測(cè)精度。最后，實(shí)時(shí)測(cè)量氣象數(shù)據(jù)信息，也將顯著減少風(fēng)電功率短期預(yù)測(cè)誤差。

4.2 深度探索并網(wǎng)技術(shù)及風(fēng)能捕獲技術(shù)

風(fēng)電場(chǎng)深受諸多因素所影響，發(fā)展不平衡問(wèn)題顯著。其中風(fēng)力對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的影響最為明顯，綜合諸多角度分析，便可清楚，若是出現(xiàn)電力不均衡問(wèn)題，將直接影響到電網(wǎng)安全。綜合相關(guān)研究分析，為了能夠保障電網(wǎng)安全，并且大力推進(jìn)風(fēng)電新能源的發(fā)展，需有效提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)故障處理能力，并以此為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)以及對(duì)電網(wǎng)的有效支持即可采取輔助措施，深化二者聯(lián)系，構(gòu)建起系統(tǒng)性的應(yīng)對(duì)框架。風(fēng)電場(chǎng)不穩(wěn)定性因素，同當(dāng)前大自然神秘因素息息相關(guān)，雖然諸多能源可以投入應(yīng)用，但是如何提升應(yīng)用效果是其中最為嚴(yán)峻的問(wèn)題。風(fēng)能是可再生能源的一種，更是綠色低碳能源的代表，在環(huán)境保護(hù)方面具有極其重要的意義。然而，如何高效捕獲自然界風(fēng)能是當(dāng)前首要研究重點(diǎn)。綜合現(xiàn)有風(fēng)電新能源的研究實(shí)況來(lái)看，若是想要捕獲更多風(fēng)能，需調(diào)節(jié)槳距，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速功率，作為其主要措施。此外，也需綜合考慮到風(fēng)電新能源的具體應(yīng)用價(jià)值，實(shí)際應(yīng)用目的，并綜合電網(wǎng)運(yùn)行的可行性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等原則特征，實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)。總而言之，未來(lái)風(fēng)電新能源創(chuàng)新研發(fā)的首要任務(wù)在于風(fēng)能捕獲技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，雖然當(dāng)前風(fēng)電新能源技術(shù)發(fā)展仍然存在諸多問(wèn)題，但是綜合考慮到風(fēng)電能源屬于可再生能源，將顯著緩解全球能源緊張，便需要對(duì)此深入研究，從而保障諸多方面均滿足于能源需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段風(fēng)電新能源于并網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行較為良好，但是仍然存在諸多限制，由此，我國(guó)需加大力度創(chuàng)新研發(fā)，注重綜合素質(zhì)人才的培養(yǎng)，立足于電網(wǎng)實(shí)際之特點(diǎn)，綜合電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)需求，針對(duì)性選取將風(fēng)力電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷降至最低的方案，從而顯著降低功率損耗，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高社會(huì)整體收益。