風力發電并網系統的控制和優化策略

潘文幸

（潤建股份有限公司，廣西 南寧 530000）

風力發電并網發電技術是世界各國最為普遍的風力發電模式，通過電力網絡進行補償與支撐，其設計及有關系統的控制必須按照風電的基本要求及操作原理進行有針對性的工作，并制訂出相應的控制及優化方案，以使現有風力資源得到更大程度的開發與利用。但是，風力發電并網系統技術在實際應用和操作中仍存在諸多問題，尤其是風電具有隨機、間歇等特性，其在吸納風電功率后，可能會引起端網電壓波動，從而影響電網的穩定運行，一旦發生配線故障，極易引起電壓跌落、失穩，甚至不能恢復到穩定狀態。此外，在檢修完畢后，由于無功供應不足，需對其它問題進行妥善處理。因此，必須對風力發電并網系統進行有效控制和優化。

1 風力發電并網系統的基本結構

風力發電并網系統的中心思想是在市政發電的基礎上，將風電與市政電網有效結合起來，以風電為城市供電。風力發電并網系統的應用對降低環境污染、推動新能源開發、節省常規能源、提高資源利用率、降低非再生能源消耗具有重要意義。風力發電并網系統優點明顯，但易受風力資源制約。當風速發生變化時，在沒有提前響應的情況下，將會給人們的生產、生活帶來很大的影響。同時，風力發電并網系統公司目前的技術水平尚不足以實現高效的風能存儲，這也會嚴重影響到公司的風力發電效率。

風力發電并網系統采用的是微網系統結構，該系統由微力載荷結構、能量轉化裝置、能量儲存裝置等構成。在實際應用中，通過相互協作，可以實現對電力系統的充分、公平的利用，有效地分布并最大限度地使用能量，能夠改善電網聯接的效率。當網絡系統出現故障時甚至在故障發生之前，實現對故障的預警和處理。在電氣聯接系統的可靠工作方面，單片機可根據實際情況，靈活地調節負荷等級，以保證整個聯接系統的穩定。此外，在工程實踐中，該系統不僅能夠保證電網的穩定供電，而且還能夠在本地供電之后，將宏電網中繼系統的剩余電能直接并網。

2 風力發電并網系統存在的問題

2.1 存在孤島效應

所謂“孤島效應”，就是在某一區域內形成了一條電流通路，但卻沒有一條電流流過，這是由電網故障造成的電能損耗以及由用戶側供電系統脫離城市電網造成的風電場與城市電網斷開聯系，從而造成“孤島效應”效應。當風電出力超出預期時，會造成終端供電短缺，并在隔離區產生強壓、沖擊等現象，對配電網的安全運行造成嚴重威脅。為此，需要在聯接時，通過對電網的電壓、頻率變化進行探測，并對電網的頻率變化、相位跳變、失穩電流等進行監控。隨著風電、光伏發電規模的不斷擴大，其所帶來的“孤島效應”將加劇，因此必須對其進行有效治理，才能保證其安全穩定運行。

2.2 穩定性不足

風力發電過程中，風速對系統的穩定性起著關鍵作用，由于不能實現人工調控，造成了機組的頻率、功率波動較大，同時也造成了系統的電壓波動、閃變等問題。風電機組在運行過程中會引起電網電壓波動，造成機組運行不穩定。風電機組的運轉主要由起動、停機、開關三部分組成，其中，電源偏差只適合多個機組或多個繞組的風電機組，且易引起風電機組的功率波動、電壓波動，且在風電機組終端及鄰近節點間不穩定。風力發電與電網融合后，將對電網的電壓、頻率穩定與安全產生影響。在風電并網的初始階段，電網中極易產生電壓諧波，當風力發生較大波動時，風電機組及風場周圍會產生電壓閃變，從而影響電網的安全穩定運行。

2.3 發電機技術的先進性不足

目前，我國風電行業主要是從國外引進的先進技術，在實際應用過程中還存在著很多問題，比如風電機組的運行機理還不完善等，在新技術的運用上也有一定的盲目性和不確定性，在發電能力逐步提高的同時，也會對風力發電的穩定性產生負面影響[1]。目前，雖然對風力發電并網系統機組的操作有相似的規范，但是在有關規范中缺乏對機組的可靠度的評價，導致對機組操作的可靠度評價并未得到有效的實施。究其原因，主要是由于機組廠商只注重經濟效益，對機組投產后的經營控制存在著某種程度的疏忽。由于缺乏對機組運行安全性和可靠性的深入研究，將直接影響到風機的正常工作，從而使電網在并網電網后經常發生的安全事故。因此，應從我國實際情況出發，加強對風力渦輪機和光伏系統的技術研究，提高風力渦輪機和光電系統的運行效率，并采用新技術降低風力發電并網系統后的不穩定性。

2.4 給企業帶來更大的經濟壓力

風電將會成為未來最大的一種能源，但從經濟效益上講，風力發電并網系統會對傳統的發電方式產生沖擊，造成火力發電廠和裝備的限制，從而使電力企業面臨更大的經濟損失。與此同時，風力發電并網系統以后仍然存在著故障的危險，設備的維修耗費了大量的金錢和人力，而且后期的維修和研發，還會對電站的運行成本產生影響，所以，必須要強化對經濟效益的研究。

3 風力發電并網系統的控制策略

3.1 能源控制

能源控制既是風力發電系統節能、環保的根本要求，又是風力發電并網系統公司在并網模式下的核心控制內容，因此，需要針對電力系統的實際運行狀況，制訂出符合電力系統特點的電力系統控制方案。尤其是對于分散式裝置，采用點對點的控制方式，能夠達到較好的節能效果；通過對負載水平的柔性調節，使系統能夠更好地發揮供能功能，實現多種能量的高效利用。同時，利用風力發電并網系統的能源控制與調度技術，能夠在發生故障時對關鍵負荷區進行靈活的調節，保證對外界指令的快速響應，保證電網負荷的穩定。

3.2 微網系統控制

在對風力發電并網系統微網系統的基礎架構進行控制時，要針對不同的微電源種類，根據具體情況采用相似的控制方式，有目標地進行控制。在實際操作中，為了保證系統的正常工作，需要對各部件的工作狀況進行分析；對每臺機組進行調頻、調速，并對相關參數進行適當調節，可取得較好的控制效果；在進行控制工作時，工作人員要與各種設備以及電網對電源的總體需求相結合，強化對核心技術以及關鍵設備的工作狀況的監控并及時發現設備工作狀況的異常與問題，以保證風力發電并網系統在微卡的支撐下能夠穩定地工作，保證系統架構的穩定性與功能的高效性。

3.3 故障控制

風力發電并網系統的應用范圍與需求日趨復雜，如何對其進行診斷與排除，是風電網絡系統全面、穩定運行的前提[2]。當前，DER 防護體系的應用主要是對風力發電并網系統進行檢測、維護和維修。該控制與保護系統能有效地避免過壓、欠壓等不正?，F象，并能有效地對分布式電源進行監控與保護。同時，考慮到風力發電并網系統所涉及的裝置數目不一樣，需要針對裝置數目進行相應的裝置配置，以保證裝置動作的準確性和可靠性，進而提高繼電保護的效率。即便是在設備發生了硬件失效或發生了緊急情況下，風力發電并網系統公司的自動保護功能仍可用于將系統失效對電網的操作所造成的沖擊降到最低。

4 風力發電并網系統的優化策略

4.1 研發新型配電系統

為解決風力發電并網系統問題，有必要進行新型配電網設計。在進行初期設計時，應對建設場地進行實地考察，對風電發電的環境進行分析，制定切實可行的風電并網方案，從而保證配電網的平穩運行，并達到節能降耗的目的。如風電系統應集中建設，風電系統需設于風電資源較多的區域，當距離用電負荷中心較遠、傳輸線路較長、通道斷面受限時，需對電網進行重新規劃，以降低亞同步振動問題。

4.2 確定關鍵性數據

在電網并網運行的大環境中，關鍵參數主要指的是最大投入量指數和潮汐流量指數。以風能發電為背景，研究了風能的分布狀況。為使技術人員更好地了解風電運行過程，需在風電場設計階段確定最大輸入功率及相應的數據水平，從而提升風電運行可靠性，而只有提高了可靠性，才能提高風電的總體效率。在確定某一指數的具體數值范圍時，必須綜合考慮各種影響因素，其中既有區域性的，也有特殊性的，技術員需與風力發電并網系統所操作的特定環境相結合，對關鍵數據進行驗證。

4.3 保證電網的穩定性

要保證電壓系統的穩定性，就必須從整體系統的設計環節著手，增強其技術性，同時保證在設計環節中硬件設備的選擇具有正確性和適用性，以保證整個電壓系統的整體結構和使用技術在設計階段都能滿足要求[3]。當運用智能化、自動化控制設備時，需要重視設備的適當設置，以避免新能源發電方式（如風力發電）中可能出現的干擾因素對系統造成不利影響，提升應用效果和智能化水平。同時，為使風電電站的應用更加安全、可靠，有關人員應該對異步發電機的使用給予足夠的關注和認識，并在風電大規模發展的背景下，盡量避免多臺電機設備并網時出現的電壓系統異?，F象。同時，有關部門應根據實際情況，采取相應的對策，確保電網的總體穩定，確保電網的安全穩定。

4.4 提高對“孤島效應”的檢測

主動頻率偏移檢測法是一種基于逆變電源輸出頻率的有源故障診斷方法。在電力系統中，由于逆變負荷的作用，當發生停電時，其輸出電壓將發生翻轉。當逆變電源并網電網后，其輸出頻率將有不同程度的偏差，如果偏差持續時間太長，將產生“孤島效應”。正確使用檢測儀可以發現此異常，檢測儀會將檢測儀的結果傳送至監管人員，讓監管人員及時處理。而被動相位偏移檢測法一般都是基于電網的正常工作參數。在風力發電并網時，逆變器起到了主動的作用，使得電力系統和公網在同一頻率上運行，一旦公網發生故障，將會造成全網的癱瘓。在并網時，逆變電源的電流輸出和公網的電流有很大的相位差，可以通過這個相位差來了解電壓和電流的變化情況，并對其進行分析。

4.5 對保護設備的改進

在風力發電機的實際工作中，為了減小其對發電機的不利影響，必須采取相應的保護措施。目前，較為普遍的是無功補償型動態保護，它可以有效地提高供電站的安全能力。在具體的設計工作中，設計者應當掌握無功補償裝置的容量指標，電網結構的特點以及風電場的容量指標，并將其與相應的設計工作的參考指標結構聯系起來，從而對電網的結構進行優化和改善。在調節系統出現故障時，可以通過低壓模式對風機進行自動切斷，從而保證整個調節系統的穩定性及總體運行狀況的穩定性[4]。在實際操作過程中，需要對電力系統的控制和負荷的運行情況進行準確的掌握。在一些特定的條件下，為保證電網的平穩運行，可以選擇直流電源的運行模式，使電網以恒定的電流并網。

4.6 加強系統的后期維護

系統的后期維護工作對風力發電并網系統正常運作及對其進行有效控制具有十分重要的意義。

后期維護工作的內容主要包括兩個方面：一是安全控制；二是維修控制。

從安全控制角度來看：一是要持續改進和完善有關的安全生產控制制度，明確各項安全需求；二是要強化風電建設的全過程控制，實現風電建設的先期控制，確保風電建設的安全、可控；三是要對風電設備的制造流程進行規范化的控制。

在維修控制上，要對風機設備做好日常的維修，并對其進行定期的檢查，以確保風電設備的正常運轉；同時，要強化對有關附件的控制，保證在發生故障時及時發現并進行替換，避免影響到全網的正常運轉，進而提升風力發電系統的效能。

5 結語

總之，風能發電是新能源的一種重要形式，推進風力發電并網電網仍是我國能源結構調整的必然選擇，也是提升電力傳輸品質與效率的一項重要舉措。在風電并網運行中，要根據風電的特性和風電的運行方式，對系統的關鍵部分進行有效的控制，使其在并網條件下能夠更好地發揮風電對電網的作用，保證電網的安全穩定。同時，在并網電力系統運行過程中，技術人員必須對各種系統的工作狀態及裝置的工作原理進行更為準確、高效的分析，以保證新型、智能化、綠色環保的電網系統運行模式的推廣應用。