風(fēng)電新能源發(fā)展與并網(wǎng)技術(shù)分析評價

熊巧兵，呂 超

（國電河南新能源有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

風(fēng)能屬于清潔能源，污染小且儲量大，發(fā)展十分迅速，對保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的作用。隨著風(fēng)力發(fā)電的不斷投入和快速發(fā)展，單機(jī)容量和并網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電在國家電網(wǎng)發(fā)電計劃中的占比也越來越大。在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的同時，需要確保電能質(zhì)量穩(wěn)定、電壓和頻率波動小[1]。

1 風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)速和風(fēng)向不穩(wěn)定，不受人為控制，分布隨機(jī)且具有間歇性[2]。同時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身在發(fā)電過程中也不容易調(diào)節(jié)和控制，這就導(dǎo)致所輸出的電能不穩(wěn)定，具有波動性。

風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)能儲存所需要的成本比發(fā)電成本更高。同時，不能按照負(fù)荷的大小進(jìn)行風(fēng)力風(fēng)電調(diào)節(jié)。一般情況下，風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)輪機(jī)的最大效率在60%左右，垂直軸風(fēng)輪機(jī)最大效率為30%～40%，而水平軸風(fēng)輪機(jī)的最大效率為25%～50%，工作效率較低。

風(fēng)電場的地理位置通常比較偏遠(yuǎn)，國家電網(wǎng)電力運(yùn)輸結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的輸電能力不能夠滿足風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)輸，在大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電同時需要建設(shè)相應(yīng)的輸電環(huán)節(jié)，加強(qiáng)電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)施建設(shè)。風(fēng)力發(fā)電相對于其他發(fā)電來說不能夠有效分配調(diào)度，這是由風(fēng)能自身的不可控特性所決定，分配過程中無法根據(jù)用戶的負(fù)荷大小來對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電過程中主要存在的問題在于風(fēng)能不穩(wěn)定。對于小型風(fēng)能發(fā)電場合來說，這種缺點(diǎn)對于電力系統(tǒng)而言影響并不大，但隨著風(fēng)電發(fā)電占比越來越大，對國家電網(wǎng)的影響將會越來越大[3]。

2 風(fēng)力發(fā)電對國家電網(wǎng)的影響

2.1 風(fēng)力發(fā)電對電能質(zhì)量影響

輸發(fā)配電的電力系統(tǒng)在末端電壓比較低，造成的電力損耗比較大，不能承受很大的電壓頻率沖擊，風(fēng)力發(fā)電會給電力網(wǎng)系統(tǒng)帶來電壓閃變和諧波污染的問題。風(fēng)力發(fā)電過程中，發(fā)電機(jī)組會采用軟并網(wǎng)與電網(wǎng)相連，開始工作時會產(chǎn)生沖擊電流。當(dāng)實(shí)時風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會退出運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)力過大時，會導(dǎo)致風(fēng)電場中所有的風(fēng)電設(shè)備都停止運(yùn)行，對整個電力系統(tǒng)造成很大的影響。由于風(fēng)速的不可控制性和隨機(jī)性，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備輸出的電力具有波動性，從而影響出力電能的質(zhì)量[4]。

2.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

在發(fā)電機(jī)進(jìn)行開端開關(guān)動作、線路斷線故障、短路故障以及風(fēng)能的波動性影響下，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性難以保證。

2.2.1 電壓穩(wěn)定性

對于大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電來說，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備接入電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的過程中，風(fēng)力發(fā)電廠要求補(bǔ)充大量的無功功率，導(dǎo)致電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性降低。風(fēng)力發(fā)電過程中主要使用異步發(fā)電機(jī)，在運(yùn)行過程中需要補(bǔ)充無功功率。在發(fā)電過程中，風(fēng)力發(fā)電容量占比過大，無功功率的需求無法被滿足，這會影響系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性[5]。如果想提高電源系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，則需要保證風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)過程中滿足無功功率的需求，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)過程與系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性直接密切相關(guān)。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)弱會影響暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電過程中的發(fā)電機(jī)組類型也會影響暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，對于定速風(fēng)機(jī)而言，通常為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其特點(diǎn)是通過減少并緩解故障發(fā)生之后，電壓能夠恢復(fù)，在將定速風(fēng)機(jī)接入弱電網(wǎng)時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電壓不受控制。對于變速風(fēng)機(jī)而言，與電網(wǎng)連接的方式是通過逆變器，這能夠有效減少風(fēng)電風(fēng)力發(fā)電場和電網(wǎng)之間的沖擊問題，并且在發(fā)生故障后能夠很快恢復(fù)電壓。但是，發(fā)生故障時變速風(fēng)機(jī)會與電網(wǎng)斷開連接，從而使逆變器能夠安全保留，這樣會導(dǎo)致大量的風(fēng)力電能缺少。風(fēng)力發(fā)電過程中的穿透功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動功率也會對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。普通異步發(fā)電機(jī)中恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前廣泛使用的發(fā)電機(jī)組，在接入電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后能夠同時發(fā)出有功功率和吸收無功功率。在風(fēng)速隨機(jī)不穩(wěn)定的變化過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所吸收或消耗的無功功率也會發(fā)生變化，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端電壓對降落和波動會引起風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的極端電壓降落，從而導(dǎo)致切機(jī)，多次發(fā)生此類情況會減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用時間。因此，滿足風(fēng)力發(fā)電場的無功功率補(bǔ)償問題能夠解決風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)過程中的電壓穩(wěn)定性。

2.2.2 頻率穩(wěn)定性

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備容量占電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總量比例越大，風(fēng)電場對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)頻率的影響也就越大。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在電力網(wǎng)絡(luò)中所占比例較高時，由于風(fēng)電本身的波動性和隨機(jī)性，它將會對電力網(wǎng)絡(luò)中電能質(zhì)量和頻率造成一定的影響。因此，電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的相關(guān)機(jī)組研究設(shè)計的同時要考慮到頻率調(diào)節(jié)能力，根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)中的頻率變化同步調(diào)節(jié)，同時減少頻率的波動性。由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性和不受控制，風(fēng)力發(fā)電廠在遇到?jīng)]有風(fēng)能或者風(fēng)能很少時，則不能進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，會使電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)頻率降低，尤其是風(fēng)力發(fā)電的容量在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中占比較大時，影響電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的頻率穩(wěn)定，需要提高電力系統(tǒng)中的備用容量，并且對輸配電調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化。對于大型電網(wǎng)來說通常備用容量夠大且調(diào)節(jié)能力很好，所以不需要考慮風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)頻率的影響。但是對于小型電網(wǎng)來說，應(yīng)當(dāng)對風(fēng)力發(fā)電過程中的頻率變化給予重視[6]。

2.3 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和規(guī)劃影響

與其他化石能源不同，風(fēng)能具有波動性、隨機(jī)性和不可預(yù)測性，無法預(yù)測和人工控制。在風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)過程中需要電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中的峰谷，將能夠調(diào)度峰值容量盡可能地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電過程中的波動，如果整個電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的峰值容量并不足以調(diào)整風(fēng)力發(fā)電的波動，那么風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行就會受到一定程度上的限制。在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法用多余的容量來平衡優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電的功率波動情況時，就需要減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量在整個電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中容量的占比，因此在安排檢修計劃和發(fā)電計劃時，也要對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度電能和減小頻率波動這些問題進(jìn)行討論分析。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在滿足系統(tǒng)電能調(diào)度和調(diào)整頻率的同時，要考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電過程中的波動對負(fù)荷的影響。在建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的過程中，需要考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的布局、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)類型以及裝機(jī)容量，也要考慮到風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)傳輸電能和電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度規(guī)劃等問題。由于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和波動性等特點(diǎn)，會導(dǎo)致電網(wǎng)出資建設(shè)風(fēng)電場和維護(hù)運(yùn)行過程中的種種問題發(fā)生變化，這也會使電能供應(yīng)與需求之間的關(guān)系發(fā)生變化，風(fēng)力發(fā)電的利用小時數(shù)較低，這就導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際收益比火力發(fā)電差。風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和波動性需要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)比例和容量占比，這就需要做好風(fēng)力發(fā)電廠并入電網(wǎng)的規(guī)劃。電網(wǎng)建設(shè)過程中要與風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)一同開展，并且配套設(shè)施大型電力網(wǎng)絡(luò)。因此，該情況下大型的風(fēng)力發(fā)電廠并入大電網(wǎng)的同時，電網(wǎng)受到的影響會比較小。在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸發(fā)配電的過程中，要優(yōu)化電能分配，這對電網(wǎng)的發(fā)展和地區(qū)經(jīng)濟(jì)有很重要的意義，為人民日常生活提供了保障。

3 優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)策略

3.1 預(yù)測風(fēng)力發(fā)電的功率

風(fēng)力發(fā)電規(guī)模不斷擴(kuò)大所帶來的電能分配問題和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不適應(yīng)問題使發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)之間的矛盾越來越大，在東北等地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電被限制使用的情況。通過準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)力發(fā)電量，能夠克服風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和波動性，使風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)發(fā)電模式，減少了風(fēng)力發(fā)電的缺點(diǎn)。隨著時代的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷進(jìn)步，盡可能提高短期的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測精度，通過收集到的風(fēng)速風(fēng)力方向、天氣氣溫和氣壓等數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場周圍的地理信息得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相應(yīng)信息。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠?qū)嶋H輸出的功率，這種辦法能夠在不良環(huán)境下較為精準(zhǔn)地預(yù)測到風(fēng)力發(fā)電功率。

3.2 增加無功功率補(bǔ)償

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)過程中需要考慮到電壓穩(wěn)定性問題，而無功功率補(bǔ)償對電壓穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用，可以通過采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置提高電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)穩(wěn)定性，提高風(fēng)力發(fā)電過程中的安全容量。在出現(xiàn)低電壓時自動切除風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠使電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，同時優(yōu)化和加強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自身的結(jié)構(gòu)，提高功率參數(shù)、功率因數(shù)，直接接入電網(wǎng)也能夠提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性。

3.3 采用微觀網(wǎng)絡(luò)控制電力系統(tǒng)

風(fēng)能是一種可再生的環(huán)保能源，為了提高電能質(zhì)量和并網(wǎng)過程中的安全性與可靠性，可以通過應(yīng)用微網(wǎng)控制技術(shù)來改善并網(wǎng)過程中存在的問題。電網(wǎng)建設(shè)和規(guī)劃溝通中可以合理選擇微網(wǎng)設(shè)立的位置，連接多個風(fēng)力發(fā)電場，通過微網(wǎng)控制的形式減少風(fēng)力發(fā)電電能傳輸過程中所產(chǎn)生的波動問題，并且能夠促使風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

3.4 優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電電源系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電過程中所產(chǎn)生的電能具有波動性，電壓不穩(wěn)定，因此可以有效地針對風(fēng)力發(fā)展過程中產(chǎn)生的電能穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。對風(fēng)力發(fā)電電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，落實(shí)改裝系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠智能控制風(fēng)力發(fā)電電源儲能和放電的工作狀態(tài)。例如，在風(fēng)能較多時系統(tǒng)會對電源進(jìn)行充電，停止電源對風(fēng)輪機(jī)放電，風(fēng)能降低時風(fēng)能不夠會導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降。將電力系統(tǒng)智能控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)中，能夠提高風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)可以通過控制放電使風(fēng)輪機(jī)維持運(yùn)行，這能夠提高風(fēng)輪機(jī)的使用效率，使風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展。

3.5 加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)運(yùn)行的維護(hù)

在風(fēng)力發(fā)電的過程中，風(fēng)能的波動、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的故障、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和電源的故障都會導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)問題。通過對風(fēng)力發(fā)電和并網(wǎng)運(yùn)行的維護(hù)強(qiáng)化，能夠提高電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量，為風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用安全提供保障。通過制定風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行工作的定期維修檢查工作流程，并且通過智能系統(tǒng)管理技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)和并網(wǎng)運(yùn)行在線上實(shí)時監(jiān)管，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和電源的運(yùn)行穩(wěn)定性，保障電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 結(jié) 論

我國在不斷發(fā)展的過程中需要長期穩(wěn)定大量的電能，通過分析目前的風(fēng)力發(fā)電和與并網(wǎng)技術(shù)，能夠保障我國發(fā)展過程中的電能供應(yīng)穩(wěn)定性。研究大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響，有助于提高并網(wǎng)運(yùn)行的安全性，推動風(fēng)力發(fā)電相關(guān)行業(yè)的不斷發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)的變化需求。