风力发电对电力系统的影响及解决措施

2021-11-24杨云峰徐鑫王永浩刘世涛刘嵩

商品与质量 2021年6期

杨云峰徐鑫王永浩刘世涛刘嵩

1.青海黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司青海西宁 810000

2.国核信息科技有限公司山东济南 250101

在全球应对气候变化背景下，可再生能源在各国制定的减缓目标中将起到越来越重要的作用。面对能源短缺的局面，走能源可持续发展道路成为历史的必然，风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的一种新型可再生能源，在解决全球气候变暖的问题、促进低碳产业经济发展、提高国家能源安全等方面具有重要的战略意义。在我国，风力发电有效减缓了我国煤电能源不足的状况，能够有效弥补可能出现的能源应缺口。由于科技的进步和发展以及人们对电能需求量的增加，表明发电关键技术要不断革新，通过相关的机械设备以及技术等将风能转化为但能，保证电力系统能够安全、有效的运转起来，不断满足人们对电能的使用需求。

1 风力发电技术概述

从资源的储量来说，风能资源储量比较高，同水资源相比突出，为水资源储量的10 倍。借助风力发电，主要是将风力转换为驱动风力的机械力，借助发电机进行能源转换，形成电能。技术的应用分析如下：①风机类型。依据装机容量指标进行划分，主要包括小型机、中型机、大型机以及特大型机。一般来说，风机的容量越大，那么桨叶的长度就越大。根据发电机转速指标，细化为恒速机、变速机、多态定速机。②设备的组成和功能分析。使用的风力发电机组，组成结构为风轮、机舱以及基础等。运行的风轮，组成结构包括叶片和变桨系统等。叶片的形状如何，影响着风能的吸收程度。运行时，风机风速如果大于切出风速，利用旋转状态的叶尖，来完成气动制动。如果叶片处于异常状态运行下，那么要及时有效应对覆冰或者腐蚀等问题，确保叶片得到有效保护以及防护。③风机控制技术。使用的并网发电机，类型包括双馈机、双速异步机以及变速风力发电机。新的并网技术，引入了模糊控制技术，高效调节转速以及功率。利用神经网络，对叶片浆距进行控制，并且预测风轮气动特性，有着不错的效果。当风电场处于并网运行状态时，吸收无功，为了保证运行的效益，为风电场配置SVC 或者其他无功补偿装置，通过实时动态补偿，减少因为输送功率引发的系统振荡情况，优化电网运行状态。

2 风力发电对电力系统的影响

2.1 对风电场规模影响

目前，我国电网规模逐步扩大。但风电场接入容量相对较低，占电网总装机容量，不会对电网频率造成太大影响，这不是限制风电场建设规模的主要条件。对于负荷消纳少，以及风能资源丰富的地区，同时，电网结构相对薄弱。如果此时存在风电大量输入时，不但影响接入点的电压，还会改变潮流分布情况，这种情况是制约风电建设规模的主要因素。风能是不可控制的，导致风电机组出力的波动和间歇性。目前，风电预测精度有待提高，增加了电力调度的难度。从电网的角度来看，风电机组是一种随机干扰源，对电网的可靠运行增加了一定的风险。因此，关键问题是确定风电场在规划和设计阶段就能够确定最大输入容量。

2.2 对保护的影响

为了延长风机接触器寿命，风机在始终保持并网状态，当起动风速接近时，允许出现风电机组以电动机方式短时运行，这确定了风机潮流不固定的性质。所以要充分考虑继电保护装置的整定和配置。当风电机组三相短路故障在短距离内发生时，故障电流是断断续续的特点，在不对称故障时提供的短路电流也有限。这种情况增加了风电场保护检测故障的技术难度，也可能影响原有配电网保护装置的正确运行，这在最初配电网的保护配置和整定时没有考虑到。

3 风力发电解决措施

3.1 着力解决供需矛盾

从新能源发电技术的应用分布来说，早期主要布局在中东部，即经济发达的区域，因为这些区域的电力系统网络相对成熟，应用新技术，只需要结合需求，对电网系统进行相应的调整便能够达到发电要求。电力新能源需求不断增加的背景下，我国需要着力解决上述部分不均衡问题[3]。目前来说，风电开发布局持续优化。2019 年前三季度，中东部和南方地区新增风电并网228 万kW，占全国的44.7%。截至2019 年9 月底，中东部和南方地区风电装机5826 万kW。结合实际需求，不断优化电力新能源的部署，满足多样化需求。

3.2 海上风电场技术

众所周知，海上风力资源比起内陆风力资源较为丰富，具有稳定的主导风向，且风电技术受环境的影响较小，能够有效促进海上风电发展，但不可避免存在的一些技术性难题还有待解决，如风电系统保护和维保技术、海上风电场运输技术以及海上风电场的协调控制技术等，若能够得到有效解决，对并网型风力发电技术的稳定发展具有重要意义。

3.3 粒子群优化算法

粒子群优化算法（ParticleSwarmOptimization，PSO）或称鸟群觅食法。PSO 算法是一种并行算法，它从随机解出发，通过群体中个体间的合作和信息共享来寻找最优解，并通过自我适应程度来评价其优缺点。粒子群算法的本质是假定无质量的粒子来模拟鸟群中的鸟，其中每个粒子均两种属性：速度和位置。在总群中，每个粒子需要分别找到最优解，并将其记录为当前单个极值Pibest。同时，每个粒子的个体极值与整个粒子群中的其他粒子共享信息，找到最优的个体极值作为整个粒子群的当前全局最优解即群体极值Gbest，粒子群中的所有粒子根据自身搜索所得的个体极值和群体中全部粒子的信息，根据此时的全体最优解来更新粒子自身的速度和位置。

3.4 保护装置的调整

目前通常对风电场保护装置进行配置与整定是按照终端变电站的方案来确定。基本由上级变电站的保护来切除风场送出线路的故障，而风场的风电机组由孤岛保护、低电压保护等来逐台切除。但是这种保护配置方法对于今后有大量风电场接入配电网时，会降低系统的可靠性。调峰管理存在的难点需要通过以下方法来破解，首先通过收集各种风电机组技术参数、预测气象信息，实时发电计划和AGC算法以风速风机出力和负荷预测为基础，并应用于工程；其次，调度部门根据原则，承担同一范围内其他机组各风电场出力波动引起的调峰问题发电机组，使各发电机组能够从管理上积极开展预测工作。为解决风电机组引起的电压波动问题，实现整个区域电网无功电压的最优控制，扩大了无功控制系统的应用范围，将无功电压控制系统纳入风电场接入点变电站。

3.5 科学规划

推动新能源的发展以及应用，当前的重要任务为科学合理规划，这也是发展电力新能源的基本要求。具体落实方面，需要相关主管部门能够坚持经济和绿色的基本原则，深度分析当前能源市场的基本需求，除了做好水电和火电的规划外，制定符合发展实际的可再生能源目标。基于提出的新能源发展以及利用总目标，对新能源发电技术的应用，进行合理规划，优化规划方案，并且提出相应的标准，为电力新能源发展和应用面临的问题，提出具体的解决措施，推动新能源发电技术的高效发展。