风电技术及其并网策略探讨

2023-12-28大唐蒙东新能源事业部孙望族

电力设备管理 2023年20期

大唐蒙东新能源事业部孙望族

人们对风能的使用已有数千年的发展史，初期大多是借助大风提水灌溉、使用海洋中晒盐、使用由风能推动的磨坊等。通过借助大风和水力取代了人工和畜力来推动作业机器，从而大大提高了生产效率[1]。至于人们使用风能来推动船舶行驶，则可追溯到更久远的时代。我国中小型风力发电机的开发则始于20世纪七十年代，当时研发的风力提水机主要是用来提水灌溉和建设沿海的盐场，之后研发的较大输出功率的风力发电机主要应用于江苏和福建等沿海，而在内蒙古地区由于获得了地方政府的大力支持，顺应了本地资源和本地民众的需要，小型风力发电机的研究和普及也获得了蓬勃发展。

1 风电技术概述

风电技术指的是将风能发电的技术进行充分地利用，在一般情况下，是以风力发电机的制造为主要的应用形式。值得注意的是，风能是可再生能源之一，其已经成为世界各国发展的主要研究方向之一。风力控制系统的主要结构是风轮，小型发电机的叶片多采用木质材料，中大型风力发电系统的叶片采用的是玻璃纤维或者是高强度的复合材料。轮毂是风轮枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件[2]。

风机的调速装置是为了保证叶片转速恒定不变，笔者整合分析，有以下三种方法：一是风轮偏离主风向，二是利用气动阻力，三是改变叶片的桨距角。大型发电机的桨距控制，用于改善风机的启动特性、发电机并网前的速度调节、减少联网时的冲击电流、按发电机的额定功率来限制转子的启动功率，具体的效用还包括在故障情况下使机组安全停机。

风力控制系统主要是将风能转化为机械能，通过加工处理之后再将机械能转化为电能的一种电力设备。从广义的角度来看，风力发电机组在进行工作时，主要围绕太阳作为热源，将大气作为中间媒介，充分利用热能实现发电的发动机。风力发电最大的特征就是利用自然能源作为动力，与传统石化能源相比，风力发电更加绿色环保。

在常规情况下，把发电功率在10kW及以内的风能发电厂，叫做中小型风能发电厂。中小型风能发电厂结构大致上由以下几个结构构成：风轮直径、发动机、旋转体、调速机、调向机、刹车机构和塔架。根据风力发电机风连轴的部位分，又可分为水准轴风能发动机和竖向恒载风能发动机。

一是水准轴风能发动机：由于水准轴风能发动机的风轮直径绕着一条水准平面轴线转动，风连轴与风向平行，在风轮直径上的叶片为径向布局的，与转动轴方向相同，且与风轮直径上的旋转面有固定夹角（又称安装角）。风轮叶片数量为1～10片（一般为3片、5片、6片），因此其在高速运行时需要较高的风能效率，在正常运转时需较多的风能。

二是竖恒载风力发电机：竖向恒载风力发电机的风轮绕一个竖向恒载转动，风连轴和方向相同。其特性是能够接收来自一个方向的风能，所以在方向发生变化后，无需对吹风[3]。加拿大、中国、德国、英国和美国等发达国家的中小型风电设备生产商规模占比达到世界规模的50%。全世界拥有成套商业化发电设备产品制造技术的中小型风电设备生产商达到330多家。预计，另有近三百家公司布局于供应链、信息技术、咨询和后服务等产业细分方向。受制造商地区分布限制，世界主要的中小型风电设备输出大国数量相对集中，主要分布于我国、北美各国以及少数欧盟国家。发展中国家在这一技术的发展中一直具有关键作用。值得一提的是，世界各地有多达120余家中小型风电设备生产商的存在。

2 风电技术并网对电网的影响

由于风力转换具有随机性的特点，所以风电场出力也就是随机的。风能自身的特性使其输出功率可靠性低，这就会给供电系统有功、无功均衡调节造成障碍。在风电容量相对比较高的供电网中，或许会出现隐患。诸如电压波动和闪变、频谱偏移、噪声等现象，更关键的是：网络静态稳定、移动平稳等都有待检验。当然，同样装机内容的风电场在截然不同的接入点对供电系统的作用还是有所不同的，在电流电容大的接入点对系统作用小，反之，作用就大[4]。

客观研究风电场对主电网运营的作用，要从平稳和移动两层面加以研究。稳态分析只是对风电场的电力系统做出潮流计算的一种形式。在平稳潮流分析中，风电场的高压线路并不是单纯作为PQ结点或PU结点。含风电场的计算机系统对平衡结点的有功、无功平衡技术给出了最高标准，要详细地研究风电场设备在供电系统的大、小模式下，能否适应网络系统安全稳定运行的各项条件。

而由于各种类型的风电机组的原理、形式等都不一样，所以对各类风电场的潮流计算方式也存在差别。针对由异步发电机组所构成的风电场，选择风电场、主系统分别迭代的方式：首先要确定风力，取值范围在从风机角度切入的风力和剪掉风力范围。考虑尾流影响，可通过RAHMAN模式测算出各台发电风机轮毂处风力。再通过各台风机功率风速曲线，测算出各台风力输出能量P，以及整个风电场的ΣP。

3 风电技术并网的策略

3.1 网架、机组选型的改善及加强

网架、机组选型的改善及加强，要使电网建设跟得上场站建设。加强风电机组的选型，采用双馈变速机组，降低风电机组在暂态过程中对电网的冲击，且通过改变风电机组的动态，无功利用支撑能力在暂态过程中，或系统故障后的修复过程所产生的电网压力，以保持整个电网的暂态压力平衡。采用具备低电压穿越能力的机组，让风电机组在电网产生相应的故障，电压也随之降低的过程中，将机组保护动作时间，进行及时的躲过，并使并网发电的状态能够得到持续性的保持，在故障问题消失后，机组的常态运行就能够迅速恢复，系统波动的减少也就由此得到充分保证、风机脱网对电网产生冲击的问题也能够及时减少。

3.2 电网电压自动控制AVC系统的规划调整

风电场按照调度并网协议，布置满足场站实际运行要求的无功补偿装置且分组装设，并配置滤波器。根据调度统一安排，规划、设置智能电网电压无功自动控制AVC系统，根据调度自动化控制系统收集的各节点遥测资料，经过在线分析和运算，以各节点压力符合要求、关口效率因数科学合理为限制要求，完成线上压力无功优化控制，以达到主变分接开关调整数量尽量减少、电容器投切最科学合理、发电厂无功付出最优化、电流通过率最大和输电网损率最小的综合优化要求，并最后形成控制命令，经过调度自动化控制系统的手动运行，完成全网统一联调试验，并达成压力无功最大化手动循环控制系统的目的。

3.3 风功率预测精准性的提升

风电场宏观选址及风电机组微观选址精准度的提升，与风功率预测天气预报、现场测风塔、电气后台实时数据等的准确性是息息相关的。完善场站及调度风功率系统的建设，并优化系统算法实时改进，来提高风功率预测精度，是必须践行的关键举措。根据调度统一安排，布置智能电网电压无功自动控制AGC有功控制系统，其能够自动接收调度主站系统下发的有功控制指令或调度计划曲线，根据计算的可调裕度，优化分配调节机组的有功功率，使整个电场的有功出力，不超过调度指令值。

3.4 合理、有效规划风电场接入位置

在风电场已经成功并网之后，其对电压产生的影响、对于配电网损坏的影响，都和风电场的接入位置，是息息相关的，一旦出现风电场接入位置的选择不合理的问题，配电网电压的明显波动问题、电网系统的网损过大问题也就会随之产生，基于这种情况的产生，为了保证其影响的有效、及时降低，就需要相关人员进行风电场接入位置的合理选择。具体的选择方式如下。

一是灵敏度分析法：系统的电压稳定水平与其节点的灵敏度指标有关。将负载稳定和风电场的接入位置相互联系，对风电场的接入位置，需要通过无功变化的传感器对判断装置内电网的重要位置和脆弱区域进行了判断。

二是最优潮流算法：通过预先设定目标函数，然后进行最优的潮流算法，从而使限制要求的满足以及对风电场的渗透率达到最佳值，然后通过计算各个接入端的目标函数值，从而使风电场的接入位置达到最佳。

三是连续潮流计算法：因为系统电压稳定水平可以通过其最薄弱母线反应。接入点的最佳位置是通过对由连续潮流计算法得出的关于量化电压稳态性的指标进行比较得出。上述方法都只从理论上对风电场对电网的接入位置进行了研究。但现实中风电场的接入地点的选取，则需要结合许多方面的各种因素加以全面考量，包括风电场的情况、接入设备的电力等级及其经济效益等。

3.5 合理、规范规划风电场最大接入容量

3.5.1 风电规模指标衡量

目前，风电穿透功率极限、风电场短路容量比两个指标，通常被用来衡量系统中风力发电的规模，并作为分析和评价的根据。一是风能透过功率极限：风能透过输出功率是指整个系统中风电场接入系统容积占整个系统总负载的比率。风能透过功率极限界定为在符合特定科技指数的前提条件下，可接入整个系统的最高风电场装机容积与整个系统最高负载的比率。从全网视角，考察风电场电流对整个系统频率的负面影响。二是风电场短路容量比：风电场额定容积与该风电场并网点时的短路容积之比。从风电场并网的局部电网的角度，用作风电接入后对局部电网的电压质量的影响研究。

3.5.2 最大接入容量影响因素

风电场对供电系统的最大接入，不但和风电场自身的无功补偿状况、工作特点等相关，还考虑其所接入的设备的网络结构、负载性能、负载状况等各种因素的综合影响。具体体现为以下几点。

一是对常规机组的旋转设备水平：风电最大接入能力的提高，通常都是利用对常规发电机组的旋转设备的能力提升来完成。二是风电设备的类型：采用了恒速恒频的风电设备风电场，往往因为本身就缺乏无功补偿，而要求在外部添加无功补偿设备，给电网加大了无功压力，也因此对其最大接入能力产生了限制。而对基于变速恒频的风电机组的风电场来说，风电机组可以调节无功，进而提高其最大介入容量。三是系统的网络结构：负荷一定时，系统的网络结构连接的紧密程度直接影响风电最大接入容量。风电场接入电网时，选取不同的接入点，其最大接入容量也会不同。上述对于最大接入容量影响因素的分析，在具体界定的过程中还需要结合具体的实际情况，进行细致的分析。

3.6 责任管理的强化，保证体系的完善构建

对风电场的规划、设计、施工、验收、运行全过程进行全程管理，同时加快建设保障风电安全体系，规范电厂运行要求，完善双细则考核规范，配置合适的继电保护装置及保护整定，电站制定切实可行的运行管理方法，将责任落实到位。运行人员要定期进行专业培训，当风电并网后如果出现故障能够及时对故障进行预案处理，避免电网发生较大的事故，最大限度地减少对电网的扰动，保障电网安全稳定运行。