风力发电并网系统的控制和优化策略

罗庆欣，曹睿博，李思涵，何 军，吴挺星

黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027

0 引言

随着社会与科技的飞速发展，人们对于能源的需求量逐年增加，但目前全球传统常规能源（石油、煤炭等）的储备前景堪忧，使用传统能源造成的环境污染等问题也十分严重。因此，人们对新能源的呼声越来越高。据统计，2021年11月，我国新能源发电量达到1.035 57×1012kW·h，年内首次突破1×1012kW·h，同比增长32.97%，占全国用电量的比例达13.8%，同比提升2.14%。我国使用的能源资源包括煤炭、石油、天然气、水能等常规能源，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、波浪能、洋流能、潮汐能、海洋能、氢能、核能等新能源。其中，新能源一般是指利用新技术开发利用的可再生能源。

电能是由一次能源转换得到的二次能源，电能既适于大量生产、集中管理、自动化控制和远距离输送，又具备使用方便、洁净、经济的特点[1]。用电能替代其他能源，可以提高能源的利用效率，而新能源发电技术就是利用新能源发电的技术。我国是用电大国，我国的现代化建设面临着严峻的能源供应挑战。为了缓解能源供应的紧张局面，要在全社会倡导节约，建设节约型社会。在倡导节约用电的同时，还需要积极寻求能够替代传统常规能源的新能源发电技术。常见的新能源发电技术有风力发电、光伏发电、水力发电、生物质能发电、地热发电等。随着科技的发展，将会有越来越多的新能源发电技术被发现和使用。对此，文章以风力发电技术为例探索新能源发电技术的相关问题。

当风力发电技术产生的电流接入电网时，可能会引发宽频震荡等一系列问题，使电网安全受到威胁。如何改进风力发电并网时的电力系统连接方式，使风力发电在电力系统中发挥积极作用，是需要探讨和解决的一个关键问题。文章结合风力发电的实际要求，探讨如何在并网背景下实现发电并网系统的有效控制，并提出相应的优化措施。

1 风力发电技术及其并网系统概述

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能总量约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量大10倍。我国的风能储量大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53×108kW。《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》显示，2021年，我国并网风电装机容量为3.284 8×108kW，同比增长16.6%。

风力发电技术是将自然环境中的风能转化为电能的一种发电技术，风能的开发需要考虑取材的便捷性和发电原理的简洁性[2]。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机提升旋转的速度，以促使发电机发电。现有的风力发电技术在3 m/s的微风速度下便可以开始发电。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，因此在新能源发电领域中得到充分重视和广泛应用[3]。

在风力发电背景下实现电力系统的并网运行时，发电机的频率与宏观电网系统的频率需要保持一致。风力发电主要有恒速恒频发电及变速恒频发电两种基本的发电形式。其中，恒速恒频发电形式需要控制风力发电机的失速调节状态，主要应用异步感应发电机承担相应的发电工作；变速恒频发电主要依靠电力电子变频器发挥作用，利用变频器可以确保风力发电机输出频率与电能转化频率的一致性，使电机输出的能源可以直接转化为稳定的电能资源[4]。

2 风力发电并网系统的基本结构

在风力发电并网系统中，发挥作用的基本结构为微网系统。其应用优势主要体现在若并网系统在运行中受到干扰或者出现问题，微网系统能够自动检测并初步解决这些问题；在微网系统中有分布式电源，因此微网系统能够使电网受到的干扰降到最低[5]。

微网系统的组成主要包括微型电源负荷结构、电能转换设备、储能装置等[6]，在实际应用中，这些结构通过协同作用，能够充分、合理地应用传输进电网的能源，通过能源的有效调配和充分应用，提升并网运行的效果。在发电并网系统运行的可靠性方面，微网系统可通过灵活调整负荷级别来保证整体网络系统的运行稳定性；在实际应用效果方面，由于微网系统中存在分布式电源结构，微网系统除了能够实现并网电力资源的稳定供应，还能在本地供电任务完成后，将剩余的电力资源直接合并融入宏观的电网系统中继续应用，这也是微网系统的智能化和环保性能的典型体现。

3 风力发电并网系统的控制策略

3.1 微网系统的控制

控制风力发电并网系统的基本结构——微网系统时，需要根据微电源的类型进行有针对性的控制。不同类型的微电源存在差异，需要在控制过程中结合实际采用相应的控制方法[7]。在具体的控制过程中，工作人员需要基于微网系统的运行模式及不同类型部件的运行状态，以保持其良好的协同运行状态为基础，统筹协调微网系统中各个设备之间的关系。通过控制各个设备的频率和运行方式，适当地调节相应的参数指标，达到高效的控制效果。在落实控制工作的过程中，工作人员需要结合不同设备及不同电网对电力资源供应的宏观要求，加大对核心技术和核心设备运行状态的监管力度，及时发现设备运行状态的异常和问题，使微网支持下的风力发电并网系统稳定运行，保障系统结构的稳定性和功能的有效性。

3.2 能源控制

能源控制不仅是风力应用中实现节能环保目标的基本要求，也是风力发电并网系统在并网状态下的核心管理内容。对此，需要结合电网系统的实际运行情况制订具体的控制策略，控制能源输出的状态。具体而言，可以通过点对点的控制方式控制分布式设备，达到良好的能源利用控制效果；也可以通过灵活调整负荷级别，使整个系统在运行过程中既能有效地发挥其能源供应的作用，又能够充分利用各种能源。另外，通过对风力发电并网系统的能源管理和控制能够实现能源之间的相互交换，即使系统遇到一些问题，也能够灵活调整关键负荷区域，通过牺牲或延迟的方式保持系统运行过程中对外部指令的有效响应，使电力负荷状态保持在相对平衡的水平上[8]。

3.3 故障的控制

风力发电并网系统的应用规模和应用需求呈现出不断复杂化的发展趋势，在这一背景下，工作人员需要采取有针对性的措施对风力发电并网系统中可能发生的故障进行检验和维修，这也是确保并网系统在应用风力发电时能够充分稳定地发挥作用的重要前提。现阶段，主要应用DER保护系统控制、维护、保养风力发电并网系统。该控制保护系统能够对过压、欠压等异常情况实施保护，对分布式电源的功能发挥效果也能起到监督和保护的作用。除此之外，因为风力发电并网系统连接的单元数量存在差异，需要基于其差异设置单元模式，确保可以及时、有效地发现故障电流并判断其级别，从而实现更加显著的继电保护效果。即使设备本身出现硬件上的故障和危机，也能够利用风力发电并网系统的自主保护功能尽可能地减少系统故障对电网系统运行的影响。

4 风力发电并网系统的优化策略

在风力发电并网系统中，风电并网系统是并网系统中一种常见的、已经投入实际应用的运行系统。文章以这种并网模式为例，探讨优化提升风力发电并网系统运行性能的有效策略。

4.1 确认关键性数据

在电力网络并网运行的环境背景下，关键性数据主要是指最大注入功率指标和潮流量指标。在风力发电背景下，风速与风力的分布状态具有一定的随机性。为了提高风力发电过程中技术人员对风力发电过程的掌握程度，需要在风电场设计环节就确认好最大注入功率指标和相关的数据级别，这也是提高风力发电可靠性的有效策略。当可靠性指标得到提升后，整体的风力发电效率也能够得到提升。在确定具体的指标数值范围的过程中，需要考虑相关影响因素，包括地域性因素和特殊的干扰因素。技术人员需要结合风力发电并网运行的具体环境分析、确认关键性数据指标。

4.2 优化和完善保护装置

在风电机组运行过程，需要通过保护装置来减少各种影响因素的负面影响。现阶段，比较常见的保护方式为无功补偿动态保护，这种保护方式能够有效提升供电厂的安全容量。在具体的设计工作中，设计人员应当了解无功补偿装置的容量指标、电网结构的具体情况、风电厂的容量指标等，将其融入相关设计工作的参照指标结构，优化和完善整体电力网络系统的结构。若调控系统发生故障，可采用低电压方式实现风电机组的自动断电，使相关系统和整体运行状态保持稳定。在具体的工作中，技术人员要精准地把握电网的调控及负荷的运行状态。在特殊情况下，为了保持电网系统的稳定运行，可选取直流电的运行方式，实现电网的稳定电流接入。

4.3 确保电压系统的稳定

为了确保电压系统的稳定，需要从整体系统的设计环节入手，提高其技术性，并且保障设计环节中硬件设备选择的有效性和针对性，确保整个电压系统的整体结构和使用技术都在设计阶段达到要求。尤其是在应用智能化和自动化的控制装置的过程中，要注意合理地配置装置，以提升应用效果和智能化程度，避免风力发电这种新能源发电模式中可能存在的干扰因素带来的负面影响。基于风力发电厂现阶段的应用规模较大的特征，为了使其应用更为安全可靠，相关人员应充分重视和了解异步发电机的使用，在大规模风力发电的背景下，避免多个电机设备同时运行时的电压系统异常现象。此外，相关人员需要采取针对性的措施以保持电压系统的整体稳定性，从而保证系统的正常运行。

4.4 加强系统的后期维护

系统的后期维护对于风力发电并网系统的正常运行和有效控制起着重要的作用。后期维护主要包含安全管理和检修管理两大方面。在安全管理方面，首先需要不断完善相关的安全生产管理体系，明确安全要求；其次，应当加强对风力发电系统的施工全过程的管理和超前控制，以保证电力生产过程的安全、可控；最后，应当在风力发电系统的生产过程中建立标准化的管理制度和措施。在检修管理方面，需要安排好风机设备的日常维护和保养工作，进行定期检测，保证风力发电设备的运行稳定；还需要加强对相关配件的管理，以保证在出现问题时能够快速找到设备配件进行更换，而不会影响整个电力网络体系的运行，从而提升风力发电系统的工作效率。

5 结束语

对于风力发电模式下的并网运行系统的控制工作，需要结合风力发电的具体发电特征和发电系统的运行模式做好系统结构核心环节的控制与优化工作。采取有效的控制优化措施，使并网后的电力系统和整个电力网络的运行状态达到更加稳定的水平，这是确保电网系统充分利用风力，并为电力资源供应提供保障的重要措施。在未来的并网电力系统运行中，技术人员只有更加精准有效地分析不同系统的运行状态和设备的应用原理，才能够确保新型的、智能化的绿色环保电网系统运行模式得到更广泛的应用。