探討風力發電并網系統的控制和優化策略

摘要

作為一種常見的新能源發電方式，風力發電在電力工業中發揮著重要作用。其通過風力驅動風葉片旋轉，將風能轉化為電力，并經發電機輸送給用戶，滿足日常需求。我國在全球風力發電領域技術優勢明顯，深入研究風力發電技術對優化能源結構和實現環保目標意義重大，備受國際關注。未來需不斷創新，實現技術突破，為能源發展提供動力。本文探討風電并網系統的控制和優化策略，以供參考。

關鍵詞：風力發電并網系統；風力發電；系統控制；優化策略

0 引言

風電作為可再生資源，具有低污染、儲量大等優點。隨著國家綠色發展戰略推進，我國風力發電技術進步顯著，總裝機容量與并網規模逐年增長，為工農業生產和居民生活提供大量電力。然而，風電并網涉及諸多復雜技術與管理問題。為促進風電新能源快速利用，需依據其特點采取技術措施，提升并網性能與供電質量，優化電力供應結構，推動風電及新能源產業健康發展，助力能源綠色低碳轉型。

1 風力發電

1.1 概述

我國風能資源豐富，三北地區、東南沿海及附近海域風力發電應用廣泛。風力渦輪系統是風力發電機組關鍵部分，由風力渦輪機、機艙和塔架組成。風力渦輪機將風能轉化為機械能，其葉片制造材料需高強度、輕量化，常見雙流線形狀，特殊情況用 S 形葉片。運行中，風力渦輪機等部件易受自然環境影響，需定期維護保養。塔架支撐風力發電設備，高度依風力渦輪機直徑和風資源剪切指數而定，通常在 70 - 140m 之間。發電機將機械能轉化為電能，容量與風力渦輪機葉片長度相關。隨著技術進步，風力發電在我國能源結構中地位提升，而降低并網損耗、提升電壓調節控制能力成為新能源行業研究熱點。

1.2 特點

風力渦輪機在發電中起關鍵作用。風作用于葉片使其旋轉，風速增加轉速漸趨穩定，實現風能到機械能轉化，發電機再將機械能轉化為電能。基本風力發電系統由風扇葉片和發電機組成，葉片旋轉產生機械能并驅動發電機運行，從而將風能轉化為電能，減少對傳統能源依賴，推動綠色能源發展。

2 風力發電并網技術

風力發電領域應用多種先進技術，包括模擬技術、電力調度技術、風力發電預測技術和實驗檢測技術。

模擬技術構建風電模型模擬實際運行，揭示潛在問題，優化機組接入電網。電力調度技術是電網穩定關鍵，依靠風電預測控制風能不利影響，時間序列漸進法增強其科學性和實用性。風電預測技術結合多種天氣預報模型，分析風速、風向等數據，預測風機運行狀態和輸出功率，克服惡劣天氣影響，了解功率波動規律，實現風能準確控制。實驗檢測技術通過現場實驗獲取并網關鍵參數，評估電網性能，優化系統運行。

3 風力發電并網系統控制

3.1 風力預測控制

風力不穩定性使發電能源供應不穩定，影響風力渦輪機發電能力，且輸出電能不穩定，難以與渦輪機良好配合。風力預測控制技術應運而生并廣泛應用，通過預測風力對風電系統動態調整，增強電網穩定性和整合效率。預測分短期和中期，短期關注渦輪機實時優化，中期為發電提供穩定依據。利用多種技術手段模擬分析風力數據，可獲更準確預測結果。

3.2 最大功率點跟蹤控制

最大功率點跟蹤控制通過智能調節風力渦輪機速度或槳距角，確保不同風速下機組最佳運行，輸出最大功率。該策略依賴先進控制系統和算法，實時監測風速和機組運行狀態并調整。低風速時提高機組速度獲取更多風力，高風速時調節槳距角減少風力捕獲，保障機組安全穩定運行，提高發電效率。

3.3 有功功率和無功功率控制

風電并網系統向電網提供有功功率同時提供無功功率，對提升電網電壓質量至關重要。風電場需配備無功補償設備，實現精細無功電壓控制，分析機組接入點電壓調整特性。有功功率控制通過調整風力渦輪機輸出功率，匹配電網需求，控制機組轉速或槳距角實現最大功率點跟蹤，必要時限制功率。無功功率控制調整發電機無功輸出，使用無功功率補償裝置維持電網電壓穩定。

3.4 電能質量監測與控制

新能源發電機組接入使電力系統面臨挑戰，加強電能質量監測控制在風力發電系統中極為重要。實時監測電壓波動、電流諧波等關鍵參數，可及時發現并網電能質量問題，了解風力渦輪機運行狀態。先進電能質量監測設備實時監測風電場關鍵參數，大數據和云計算技術實現數據遠程傳輸和集中處理，提升監測效率。

4 風力發電并網系統的優化策略

4.1 評估風能資源

構建風力發電量預測模型，結合天氣預報數據，預測發電量波動，利用波動特點結合傳統發電設備靈活性維持電力系統平衡。引入儲能技術可平穩調節發電波動，提高系統穩定性和可靠性，智能控制算法實時監測調整發電設備輸出，提升效率和可靠性。

4.2 優化機組布局

優化發電機結構設計和磁路設計，采用先進電磁理念優化磁路形狀，降低磁阻和能量損失，提高轉換效率。改進發電機控制策略，優化電流控制算法和電壓調節系統，提升響應速度和穩定性，增強適應性和運行效率。適度降低運行溫度，采用快速冷卻系統和先進絕緣材料，綜合考慮多種因素減少熱損失，提高熱效率。定期檢查、清潔和潤滑發電機，保持良好運行狀態，減少磨損和損耗，延長使用壽命，專業維修人員主導、操作人員配合的維護方式可減少突發故障損失。

4.3 改善負荷特性

智能電網通過實時監測和數據分析，對負荷變化快速準確調整，高峰時優化資源配置提升供電能力，低谷時利用閑置產能避免浪費。風電并網可減少傳統能源依賴，降低電網負荷壓力，其隨機性和波動性有助于改善電網負荷波動，確保電力系統安全穩定和靈活經濟運行。

4.4 增強輸電能力

電力電子技術將自然風能轉化為穩定電能，長距離輸電面臨挑戰。風電公司研究高壓直流（HVDC）技術，其以高壓直流電傳輸，可實現長距離低損耗輸電，對環境要求低，應用前景廣闊。充分利用該技術可確保風力發電快速、穩定、遠距離傳輸，提升利用價值。

5 風力發電在直流快速充電站中的挑戰與展望

5.1 系統概述

Acrel - 2000MG 儲能能量管理系統針對工商業儲能電站研制，具備數據采集、處理、存儲、查詢分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線等功能。策略管理支持多種控制策略，可實現下級儲能單元統一監控管理，與上級調度系統和云平臺交互，保障儲能系統安全穩定可靠經濟運行。

5.2 應用場景

適用于城市充電站、工業園區、分布式新能源、數據中心、微電網、高速服務區、智慧醫院、智慧校園等場景。

5.3 系統結構

5.4 系統功能

1.       實施監管：實時監管微電網運行，涵蓋市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，包括收益、天氣、節能減排等信息。

2.       智能監控：實時監測系統環境、組件、逆變器、控制逆變一體機、電池、變流器、用電設備等，掌握運行狀況。

3.       功率預測：對分布式發電系統進行短、超短期發電功率預測，展示合格率及誤差分析。

4.       電能質量：持續監測微電網電能質量和可靠性，分析穩態和暫態數據，監測電壓、電流瞬變。

5.       可視化運行：實現微電網無人值守，數字化、智能化、便捷化管理，不間斷監控重要負荷與設備。

6.       優化控制：分析歷史用電數據和天氣條件預測負荷功率，結合分布式電源和儲能狀態經濟優化調度，降低用電成本。

7.       收益分析：用戶可查看光伏、儲能、充電樁電量和收益數據，可切換年報查看月數據。

8.       能源分析：分析光伏、風電、儲能設備發電和轉化效率，評估性能與狀態。

9.       策略配置：對微電網系統組成、參數、運行策略和統計值進行設置，策略包括計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.5 系統設備說明

6 結束語

風力發電在優化能源結構、減少碳排放和保障電力供應安全方面作用顯著，但面臨風力不確定性、儲存困難及并網問題，影響風電利用率。未來研究應聚焦提高風電預測準確性，綜合應用多種技術，優化風電場運營管理，推動電力供應和新能源行業可持續發展。