风电新能源发展与并网技术分析评价

2022-03-12熊巧兵

通信电源技术 2022年22期

熊巧兵，吕超

（国电河南新能源有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

风能属于清洁能源，污染小且储量大，发展十分迅速，对保护环境和实现可持续发展战略具有十分重要的作用。随着风力发电的不断投入和快速发展，单机容量和并网规模不断扩大，风力发电在国家电网发电计划中的占比也越来越大。在风力发电并网的同时，需要确保电能质量稳定、电压和频率波动小[1]。

1 风力发电特点

风力发电过程中风速和风向不稳定，不受人为控制，分布随机且具有间歇性[2]。同时，风力发电机本身在发电过程中也不容易调节和控制，这就导致所输出的电能不稳定，具有波动性。

风力发电过程中，风能储存所需要的成本比发电成本更高。同时，不能按照负荷的大小进行风力风电调节。一般情况下，风力发电过程中风轮机的最大效率在60%左右，垂直轴风轮机最大效率为30%～40%，而水平轴风轮机的最大效率为25%～50%，工作效率较低。

风电场的地理位置通常比较偏远，国家电网电力运输结构和相应的输电能力不能够满足风力发电的运输，在大规模风力发电同时需要建设相应的输电环节，加强电网的相关设施建设。风力发电相对于其他发电来说不能够有效分配调度，这是由风能自身的不可控特性所决定，分配过程中无法根据用户的负荷大小来对风力发电设备进行调度。

综上所述，风力发电过程中主要存在的问题在于风能不稳定。对于小型风能发电场合来说，这种缺点对于电力系统而言影响并不大，但随着风电发电占比越来越大，对国家电网的影响将会越来越大[3]。

2 风力发电对国家电网的影响

2.1 风力发电对电能质量影响

输发配电的电力系统在末端电压比较低，造成的电力损耗比较大，不能承受很大的电压频率冲击，风力发电会给电力网系统带来电压闪变和谐波污染的问题。风力发电过程中，发电机组会采用软并网与电网相连，开始工作时会产生冲击电流。当实时风速大于切出风速时，风力发电机会退出运行状态；当风力过大时，会导致风电场中所有的风电设备都停止运行，对整个电力系统造成很大的影响。由于风速的不可控制性和随机性，使风力发电设备输出的电力具有波动性，从而影响出力电能的质量[4]。

2.2 电力系统稳定性

在发电机进行开端开关动作、线路断线故障、短路故障以及风能的波动性影响下，电力系统的电压稳定性和频率稳定性难以保证。

2.2.1 电压稳定性

对于大规模的风力发电来说，风力发电设备接入电力系统网络的过程中，风力发电厂要求补充大量的无功功率，导致电力系统网络电压稳定性降低。风力发电过程中主要使用异步发电机，在运行过程中需要补充无功功率。在发电过程中，风力发电容量占比过大，无功功率的需求无法被满足，这会影响系统中电压的稳定性[5]。如果想提高电源系统的静态电压稳定性，则需要保证风力发电并网过程中满足无功功率的需求，风力发电并网过程与系统静态电压稳定性直接密切相关。电力系统网络强弱会影响暂态电压的稳定性。风力发电过程中的发电机组类型也会影响暂态电压稳定性，对于定速风机而言，通常为鼠笼式感应发电机，其特点是通过减少并缓解故障发生之后，电压能够恢复，在将定速风机接入弱电网时会导致转子转速和电压不受控制。对于变速风机而言，与电网连接的方式是通过逆变器，这能够有效减少风电风力发电场和电网之间的冲击问题，并且在发生故障后能够很快恢复电压。但是，发生故障时变速风机会与电网断开连接，从而使逆变器能够安全保留，这样会导致大量的风力电能缺少。风力发电过程中的穿透功率和风力发电机组的气动功率也会对暂态电压稳定性产生影响。普通异步发电机中恒速风力发电机组是目前广泛使用的发电机组，在接入电力系统网络后能够同时发出有功功率和吸收无功功率。在风速随机不稳定的变化过程中，风力发电机组所吸收或消耗的无功功率也会发生变化，电力系统网络端电压对降落和波动会引起风力发电设备的极端电压降落，从而导致切机，多次发生此类情况会减少风力发电机组的使用时间。因此，满足风力发电场的无功功率补偿问题能够解决风力发电并入电网过程中的电压稳定性。

2.2.2 频率稳定性

风力发电设备容量占电力系统网络总量比例越大，风电场对电力系统网络频率的影响也就越大。当风力发电设备在电力网络中所占比例较高时，由于风电本身的波动性和随机性，它将会对电力网络中电能质量和频率造成一定的影响。因此，电力网络设备中的相关机组研究设计的同时要考虑到频率调节能力，根据电力网络中的频率变化同步调节，同时减少频率的波动性。由于风力发电的不稳定性和不受控制，风力发电厂在遇到没有风能或者风能很少时，则不能进行风力发电，会使电力系统网络频率降低，尤其是风力发电的容量在电力系统网络中占比较大时，影响电力系统网络的频率稳定，需要提高电力系统中的备用容量，并且对输配电调度运行方式进行优化。对于大型电网来说通常备用容量够大且调节能力很好，所以不需要考虑风力发电对电力系统网络频率的影响。但是对于小型电网来说，应当对风力发电过程中的频率变化给予重视[6]。

2.3 电力系统网络调度和规划影响

与其他化石能源不同，风能具有波动性、随机性和不可预测性，无法预测和人工控制。在风力发电网络并网过程中需要电网优化调度系统中的峰谷，将能够调度峰值容量尽可能地调整风力发电过程中的波动，如果整个电力系统网络中的峰值容量并不足以调整风力发电的波动，那么风力发电的运行就会受到一定程度上的限制。在电力系统网络无法用多余的容量来平衡优化风力发电的功率波动情况时，就需要减少风力发电机组容量在整个电力系统网络中容量的占比，因此在安排检修计划和发电计划时，也要对电力系统网络调度电能和减小频率波动这些问题进行讨论分析。系统网络在满足系统电能调度和调整频率的同时，要考虑到风力发电机组发电过程中的波动对负荷的影响。在建设风力发电场的过程中，需要考虑到风力发电机组的布局、风力发电机组的发电机类型以及装机容量，也要考虑到风力发电并网传输电能和电力系统网络调度规划等问题。由于风力发电的随机性和波动性等特点，会导致电网出资建设风电场和维护运行过程中的种种问题发生变化，这也会使电能供应与需求之间的关系发生变化，风力发电的利用小时数较低，这就导致了风力发电的实际收益比火力发电差。风力发电的随机性和波动性需要考虑风力发电机组的装机比例和容量占比，这就需要做好风力发电厂并入电网的规划。电网建设过程中要与风力发电场建设一同开展，并且配套设施大型电力网络。因此，该情况下大型的风力发电厂并入大电网的同时，电网受到的影响会比较小。在实现远距离输发配电的过程中，要优化电能分配，这对电网的发展和地区经济有很重要的意义，为人民日常生活提供了保障。

3 优化风力发电并网策略

3.1 预测风力发电的功率

风力发电规模不断扩大所带来的电能分配问题和系统网络不适应问题使发电企业和电网之间的矛盾越来越大，在东北等地区经常出现风力发电被限制使用的情况。通过准确预测风力发电量，能够克服风力发电的随机性和波动性，使风力发电转化为传统发电模式，减少了风力发电的缺点。随着时代的不断发展，风力发电技术也在不断进步，尽可能提高短期的风力发电预测精度，通过收集到的风速风力方向、天气气温和气压等数据。同时，根据风力发电场周围的地理信息得到风力发电机组相应信息。通过数据统计得到风力发电机组能够实际输出的功率，这种办法能够在不良环境下较为精准地预测到风力发电功率。

3.2 增加无功功率补偿

风力发电并网过程中需要考虑到电压稳定性问题，而无功功率补偿对电压稳定性起着关键作用，可以通过采用动态无功补偿装置提高电力系统网络的暂态稳定性，提高风力发电过程中的安全容量。在出现低电压时自动切除风力发电机组，能够使电力系统网络稳定，同时优化和加强系统网络自身的结构，提高功率参数、功率因数，直接接入电网也能够提高电力系统静态稳定性。

3.3 采用微观网络控制电力系统

风能是一种可再生的环保能源，为了提高电能质量和并网过程中的安全性与可靠性，可以通过应用微网控制技术来改善并网过程中存在的问题。电网建设和规划沟通中可以合理选择微网设立的位置，连接多个风力发电场，通过微网控制的形式减少风力发电电能传输过程中所产生的波动问题，并且能够促使风力发电与并网技术的发展。

3.4 优化风力发电电源系统

风力发电过程中所产生的电能具有波动性，电压不稳定，因此可以有效地针对风力发展过程中产生的电能稳定性进行优化。对风力发电电源系统进行优化，落实改装系统，使系统能够智能控制风力发电电源储能和放电的工作状态。例如，在风能较多时系统会对电源进行充电，停止电源对风轮机放电，风能降低时风能不够会导致风轮机转速下降。将电力系统智能控制技术应用到风力发电与并网技术中，能够提高风力发电的稳定性和可靠性。系统可以通过控制放电使风轮机维持运行，这能够提高风轮机的使用效率，使风力发电与并网技术稳定发展。

3.5 加强风力发电与电网运行的维护

在风力发电的过程中，风能的波动、电力系统网络的故障、风力发电机组和电源的故障都会导致风电并网运行出现问题。通过对风力发电和并网运行的维护强化，能够提高电力系统网络运行质量，为风力发电的应用安全提供保障。通过制定风力发电并网运行工作的定期维修检查工作流程，并且通过智能系统管理技术对风力发电网络和并网运行在线上实时监管，确保风力发电机组和电源的运行稳定性，保障电力系统网络的安全。