羅慶欣，曹睿博，李思涵，何 軍，吳挺星

黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027

0 引言

隨著社會與科技的飛速發(fā)展，人們對于能源的需求量逐年增加，但目前全球傳統(tǒng)常規(guī)能源（石油、煤炭等）的儲備前景堪憂，使用傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染等問題也十分嚴重。因此，人們對新能源的呼聲越來越高。據(jù)統(tǒng)計，2021年11月，我國新能源發(fā)電量達到1.035 57×1012kW·h，年內首次突破1×1012kW·h，同比增長32.97%，占全國用電量的比例達13.8%，同比提升2.14%。我國使用的能源資源包括煤炭、石油、天然氣、水能等常規(guī)能源，也包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、波浪能、洋流能、潮汐能、海洋能、氫能、核能等新能源。其中，新能源一般是指利用新技術開發(fā)利用的可再生能源。

電能是由一次能源轉換得到的二次能源，電能既適于大量生產(chǎn)、集中管理、自動化控制和遠距離輸送，又具備使用方便、潔凈、經(jīng)濟的特點[1]。用電能替代其他能源，可以提高能源的利用效率，而新能源發(fā)電技術就是利用新能源發(fā)電的技術。我國是用電大國，我國的現(xiàn)代化建設面臨著嚴峻的能源供應挑戰(zhàn)。為了緩解能源供應的緊張局面，要在全社會倡導節(jié)約，建設節(jié)約型社會。在倡導節(jié)約用電的同時，還需要積極尋求能夠替代傳統(tǒng)常規(guī)能源的新能源發(fā)電技術。常見的新能源發(fā)電技術有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電、生物質能發(fā)電、地熱發(fā)電等。隨著科技的發(fā)展，將會有越來越多的新能源發(fā)電技術被發(fā)現(xiàn)和使用。對此，文章以風力發(fā)電技術為例探索新能源發(fā)電技術的相關問題。

當風力發(fā)電技術產(chǎn)生的電流接入電網(wǎng)時，可能會引發(fā)寬頻震蕩等一系列問題，使電網(wǎng)安全受到威脅。如何改進風力發(fā)電并網(wǎng)時的電力系統(tǒng)連接方式，使風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用，是需要探討和解決的一個關鍵問題。文章結合風力發(fā)電的實際要求，探討如何在并網(wǎng)背景下實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制，并提出相應的優(yōu)化措施。

1 風力發(fā)電技術及其并網(wǎng)系統(tǒng)概述

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能總量約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量大10倍。我國的風能儲量大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53×108kW?！吨腥A人民共和國2021年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2021年，我國并網(wǎng)風電裝機容量為3.284 8×108kW，同比增長16.6%。

風力發(fā)電技術是將自然環(huán)境中的風能轉化為電能的一種發(fā)電技術，風能的開發(fā)需要考慮取材的便捷性和發(fā)電原理的簡潔性[2]。風力發(fā)電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機提升旋轉的速度，以促使發(fā)電機發(fā)電?，F(xiàn)有的風力發(fā)電技術在3 m/s的微風速度下便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電不需要使用燃料，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，因此在新能源發(fā)電領域中得到充分重視和廣泛應用[3]。

在風力發(fā)電背景下實現(xiàn)電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運行時，發(fā)電機的頻率與宏觀電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率需要保持一致。風力發(fā)電主要有恒速恒頻發(fā)電及變速恒頻發(fā)電兩種基本的發(fā)電形式。其中，恒速恒頻發(fā)電形式需要控制風力發(fā)電機的失速調節(jié)狀態(tài)，主要應用異步感應發(fā)電機承擔相應的發(fā)電工作；變速恒頻發(fā)電主要依靠電力電子變頻器發(fā)揮作用，利用變頻器可以確保風力發(fā)電機輸出頻率與電能轉化頻率的一致性，使電機輸出的能源可以直接轉化為穩(wěn)定的電能資源[4]。

2 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結構

在風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)揮作用的基本結構為微網(wǎng)系統(tǒng)。其應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在若并網(wǎng)系統(tǒng)在運行中受到干擾或者出現(xiàn)問題，微網(wǎng)系統(tǒng)能夠自動檢測并初步解決這些問題；在微網(wǎng)系統(tǒng)中有分布式電源，因此微網(wǎng)系統(tǒng)能夠使電網(wǎng)受到的干擾降到最低[5]。

微網(wǎng)系統(tǒng)的組成主要包括微型電源負荷結構、電能轉換設備、儲能裝置等[6]，在實際應用中，這些結構通過協(xié)同作用，能夠充分、合理地應用傳輸進電網(wǎng)的能源，通過能源的有效調配和充分應用，提升并網(wǎng)運行的效果。在發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性方面，微網(wǎng)系統(tǒng)可通過靈活調整負荷級別來保證整體網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性；在實際應用效果方面，由于微網(wǎng)系統(tǒng)中存在分布式電源結構，微網(wǎng)系統(tǒng)除了能夠實現(xiàn)并網(wǎng)電力資源的穩(wěn)定供應，還能在本地供電任務完成后，將剩余的電力資源直接合并融入宏觀的電網(wǎng)系統(tǒng)中繼續(xù)應用，這也是微網(wǎng)系統(tǒng)的智能化和環(huán)保性能的典型體現(xiàn)。

3 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

3.1 微網(wǎng)系統(tǒng)的控制

控制風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結構——微網(wǎng)系統(tǒng)時，需要根據(jù)微電源的類型進行有針對性的控制。不同類型的微電源存在差異，需要在控制過程中結合實際采用相應的控制方法[7]。在具體的控制過程中，工作人員需要基于微網(wǎng)系統(tǒng)的運行模式及不同類型部件的運行狀態(tài)，以保持其良好的協(xié)同運行狀態(tài)為基礎，統(tǒng)籌協(xié)調微網(wǎng)系統(tǒng)中各個設備之間的關系。通過控制各個設備的頻率和運行方式，適當?shù)卣{節(jié)相應的參數(shù)指標，達到高效的控制效果。在落實控制工作的過程中，工作人員需要結合不同設備及不同電網(wǎng)對電力資源供應的宏觀要求，加大對核心技術和核心設備運行狀態(tài)的監(jiān)管力度，及時發(fā)現(xiàn)設備運行狀態(tài)的異常和問題，使微網(wǎng)支持下的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保障系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性和功能的有效性。

3.2 能源控制

能源控制不僅是風力應用中實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標的基本要求，也是風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的核心管理內容。對此，需要結合電網(wǎng)系統(tǒng)的實際運行情況制訂具體的控制策略，控制能源輸出的狀態(tài)。具體而言，可以通過點對點的控制方式控制分布式設備，達到良好的能源利用控制效果；也可以通過靈活調整負荷級別，使整個系統(tǒng)在運行過程中既能有效地發(fā)揮其能源供應的作用，又能夠充分利用各種能源。另外，通過對風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能源管理和控制能夠實現(xiàn)能源之間的相互交換，即使系統(tǒng)遇到一些問題，也能夠靈活調整關鍵負荷區(qū)域，通過犧牲或延遲的方式保持系統(tǒng)運行過程中對外部指令的有效響應，使電力負荷狀態(tài)保持在相對平衡的水平上[8]。

3.3 故障的控制

風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應用規(guī)模和應用需求呈現(xiàn)出不斷復雜化的發(fā)展趨勢，在這一背景下，工作人員需要采取有針對性的措施對風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障進行檢驗和維修，這也是確保并網(wǎng)系統(tǒng)在應用風力發(fā)電時能夠充分穩(wěn)定地發(fā)揮作用的重要前提。現(xiàn)階段，主要應用DER保護系統(tǒng)控制、維護、保養(yǎng)風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。該控制保護系統(tǒng)能夠對過壓、欠壓等異常情況實施保護，對分布式電源的功能發(fā)揮效果也能起到監(jiān)督和保護的作用。除此之外，因為風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)連接的單元數(shù)量存在差異，需要基于其差異設置單元模式，確保可以及時、有效地發(fā)現(xiàn)故障電流并判斷其級別，從而實現(xiàn)更加顯著的繼電保護效果。即使設備本身出現(xiàn)硬件上的故障和危機，也能夠利用風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的自主保護功能盡可能地減少系統(tǒng)故障對電網(wǎng)系統(tǒng)運行的影響。

4 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化策略

在風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，風電并網(wǎng)系統(tǒng)是并網(wǎng)系統(tǒng)中一種常見的、已經(jīng)投入實際應用的運行系統(tǒng)。文章以這種并網(wǎng)模式為例，探討優(yōu)化提升風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)運行性能的有效策略。

4.1 確認關鍵性數(shù)據(jù)

在電力網(wǎng)絡并網(wǎng)運行的環(huán)境背景下，關鍵性數(shù)據(jù)主要是指最大注入功率指標和潮流量指標。在風力發(fā)電背景下，風速與風力的分布狀態(tài)具有一定的隨機性。為了提高風力發(fā)電過程中技術人員對風力發(fā)電過程的掌握程度，需要在風電場設計環(huán)節(jié)就確認好最大注入功率指標和相關的數(shù)據(jù)級別，這也是提高風力發(fā)電可靠性的有效策略。當可靠性指標得到提升后，整體的風力發(fā)電效率也能夠得到提升。在確定具體的指標數(shù)值范圍的過程中，需要考慮相關影響因素，包括地域性因素和特殊的干擾因素。技術人員需要結合風力發(fā)電并網(wǎng)運行的具體環(huán)境分析、確認關鍵性數(shù)據(jù)指標。

4.2 優(yōu)化和完善保護裝置

在風電機組運行過程，需要通過保護裝置來減少各種影響因素的負面影響?，F(xiàn)階段，比較常見的保護方式為無功補償動態(tài)保護，這種保護方式能夠有效提升供電廠的安全容量。在具體的設計工作中，設計人員應當了解無功補償裝置的容量指標、電網(wǎng)結構的具體情況、風電廠的容量指標等，將其融入相關設計工作的參照指標結構，優(yōu)化和完善整體電力網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構。若調控系統(tǒng)發(fā)生故障，可采用低電壓方式實現(xiàn)風電機組的自動斷電，使相關系統(tǒng)和整體運行狀態(tài)保持穩(wěn)定。在具體的工作中，技術人員要精準地把握電網(wǎng)的調控及負荷的運行狀態(tài)。在特殊情況下，為了保持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，可選取直流電的運行方式，實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定電流接入。

4.3 確保電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定

為了確保電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要從整體系統(tǒng)的設計環(huán)節(jié)入手，提高其技術性，并且保障設計環(huán)節(jié)中硬件設備選擇的有效性和針對性，確保整個電壓系統(tǒng)的整體結構和使用技術都在設計階段達到要求。尤其是在應用智能化和自動化的控制裝置的過程中，要注意合理地配置裝置，以提升應用效果和智能化程度，避免風力發(fā)電這種新能源發(fā)電模式中可能存在的干擾因素帶來的負面影響?；陲L力發(fā)電廠現(xiàn)階段的應用規(guī)模較大的特征，為了使其應用更為安全可靠，相關人員應充分重視和了解異步發(fā)電機的使用，在大規(guī)模風力發(fā)電的背景下，避免多個電機設備同時運行時的電壓系統(tǒng)異?，F(xiàn)象。此外，相關人員需要采取針對性的措施以保持電壓系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，從而保證系統(tǒng)的正常運行。

4.4 加強系統(tǒng)的后期維護

系統(tǒng)的后期維護對于風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和有效控制起著重要的作用。后期維護主要包含安全管理和檢修管理兩大方面。在安全管理方面，首先需要不斷完善相關的安全生產(chǎn)管理體系，明確安全要求；其次，應當加強對風力發(fā)電系統(tǒng)的施工全過程的管理和超前控制，以保證電力生產(chǎn)過程的安全、可控；最后，應當在風力發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中建立標準化的管理制度和措施。在檢修管理方面，需要安排好風機設備的日常維護和保養(yǎng)工作，進行定期檢測，保證風力發(fā)電設備的運行穩(wěn)定；還需要加強對相關配件的管理，以保證在出現(xiàn)問題時能夠快速找到設備配件進行更換，而不會影響整個電力網(wǎng)絡體系的運行，從而提升風力發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

5 結束語

對于風力發(fā)電模式下的并網(wǎng)運行系統(tǒng)的控制工作，需要結合風力發(fā)電的具體發(fā)電特征和發(fā)電系統(tǒng)的運行模式做好系統(tǒng)結構核心環(huán)節(jié)的控制與優(yōu)化工作。采取有效的控制優(yōu)化措施，使并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)和整個電力網(wǎng)絡的運行狀態(tài)達到更加穩(wěn)定的水平，這是確保電網(wǎng)系統(tǒng)充分利用風力，并為電力資源供應提供保障的重要措施。在未來的并網(wǎng)電力系統(tǒng)運行中，技術人員只有更加精準有效地分析不同系統(tǒng)的運行狀態(tài)和設備的應用原理，才能夠確保新型的、智能化的綠色環(huán)保電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式得到更廣泛的應用。