風電新能源發展與并網技術分析評價

熊巧兵，呂 超

（國電河南新能源有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

風能屬于清潔能源，污染小且儲量大，發展十分迅速，對保護環境和實現可持續發展戰略具有十分重要的作用。隨著風力發電的不斷投入和快速發展，單機容量和并網規模不斷擴大，風力發電在國家電網發電計劃中的占比也越來越大。在風力發電并網的同時，需要確保電能質量穩定、電壓和頻率波動小[1]。

1 風力發電特點

風力發電過程中風速和風向不穩定，不受人為控制，分布隨機且具有間歇性[2]。同時，風力發電機本身在發電過程中也不容易調節和控制，這就導致所輸出的電能不穩定，具有波動性。

風力發電過程中，風能儲存所需要的成本比發電成本更高。同時，不能按照負荷的大小進行風力風電調節。一般情況下，風力發電過程中風輪機的最大效率在60%左右，垂直軸風輪機最大效率為30%～40%，而水平軸風輪機的最大效率為25%～50%，工作效率較低。

風電場的地理位置通常比較偏遠，國家電網電力運輸結構和相應的輸電能力不能夠滿足風力發電的運輸，在大規模風力發電同時需要建設相應的輸電環節，加強電網的相關設施建設。風力發電相對于其他發電來說不能夠有效分配調度，這是由風能自身的不可控特性所決定，分配過程中無法根據用戶的負荷大小來對風力發電設備進行調度。

綜上所述，風力發電過程中主要存在的問題在于風能不穩定。對于小型風能發電場合來說，這種缺點對于電力系統而言影響并不大，但隨著風電發電占比越來越大，對國家電網的影響將會越來越大[3]。

2 風力發電對國家電網的影響

2.1 風力發電對電能質量影響

輸發配電的電力系統在末端電壓比較低，造成的電力損耗比較大，不能承受很大的電壓頻率沖擊，風力發電會給電力網系統帶來電壓閃變和諧波污染的問題。風力發電過程中，發電機組會采用軟并網與電網相連，開始工作時會產生沖擊電流。當實時風速大于切出風速時，風力發電機會退出運行狀態；當風力過大時，會導致風電場中所有的風電設備都停止運行，對整個電力系統造成很大的影響。由于風速的不可控制性和隨機性，使風力發電設備輸出的電力具有波動性，從而影響出力電能的質量[4]。

2.2 電力系統穩定性

在發電機進行開端開關動作、線路斷線故障、短路故障以及風能的波動性影響下，電力系統的電壓穩定性和頻率穩定性難以保證。

2.2.1 電壓穩定性

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

2.2.2 頻率穩定性

風力發電設備容量占電力系統網絡總量比例越大，風電場對電力系統網絡頻率的影響也就越大。當風力發電設備在電力網絡中所占比例較高時，由于風電本身的波動性和隨機性，它將會對電力網絡中電能質量和頻率造成一定的影響。因此，電力網絡設備中的相關機組研究設計的同時要考慮到頻率調節能力，根據電力網絡中的頻率變化同步調節，同時減少頻率的波動性。由于風力發電的不穩定性和不受控制，風力發電廠在遇到沒有風能或者風能很少時，則不能進行風力發電，會使電力系統網絡頻率降低，尤其是風力發電的容量在電力系統網絡中占比較大時，影響電力系統網絡的頻率穩定，需要提高電力系統中的備用容量，并且對輸配電調度運行方式進行優化。對于大型電網來說通常備用容量夠大且調節能力很好，所以不需要考慮風力發電對電力系統網絡頻率的影響。但是對于小型電網來說，應當對風力發電過程中的頻率變化給予重視[6]。

2.3 電力系統網絡調度和規劃影響

與其他化石能源不同，風能具有波動性、隨機性和不可預測性，無法預測和人工控制。在風力發電網絡并網過程中需要電網優化調度系統中的峰谷，將能夠調度峰值容量盡可能地調整風力發電過程中的波動，如果整個電力系統網絡中的峰值容量并不足以調整風力發電的波動，那么風力發電的運行就會受到一定程度上的限制。在電力系統網絡無法用多余的容量來平衡優化風力發電的功率波動情況時，就需要減少風力發電機組容量在整個電力系統網絡中容量的占比，因此在安排檢修計劃和發電計劃時，也要對電力系統網絡調度電能和減小頻率波動這些問題進行討論分析。系統網絡在滿足系統電能調度和調整頻率的同時，要考慮到風力發電機組發電過程中的波動對負荷的影響。在建設風力發電場的過程中，需要考慮到風力發電機組的布局、風力發電機組的發電機類型以及裝機容量，也要考慮到風力發電并網傳輸電能和電力系統網絡調度規劃等問題。由于風力發電的隨機性和波動性等特點，會導致電網出資建設風電場和維護運行過程中的種種問題發生變化，這也會使電能供應與需求之間的關系發生變化，風力發電的利用小時數較低，這就導致了風力發電的實際收益比火力發電差。風力發電的隨機性和波動性需要考慮風力發電機組的裝機比例和容量占比，這就需要做好風力發電廠并入電網的規劃。電網建設過程中要與風力發電場建設一同開展，并且配套設施大型電力網絡。因此，該情況下大型的風力發電廠并入大電網的同時，電網受到的影響會比較小。在實現遠距離輸發配電的過程中，要優化電能分配，這對電網的發展和地區經濟有很重要的意義，為人民日常生活提供了保障。

3 優化風力發電并網策略

3.1 預測風力發電的功率

風力發電規模不斷擴大所帶來的電能分配問題和系統網絡不適應問題使發電企業和電網之間的矛盾越來越大，在東北等地區經常出現風力發電被限制使用的情況。通過準確預測風力發電量，能夠克服風力發電的隨機性和波動性，使風力發電轉化為傳統發電模式，減少了風力發電的缺點。隨著時代的不斷發展，風力發電技術也在不斷進步，盡可能提高短期的風力發電預測精度，通過收集到的風速風力方向、天氣氣溫和氣壓等數據。同時，根據風力發電場周圍的地理信息得到風力發電機組相應信息。通過數據統計得到風力發電機組能夠實際輸出的功率，這種辦法能夠在不良環境下較為精準地預測到風力發電功率。

3.2 增加無功功率補償

風力發電并網過程中需要考慮到電壓穩定性問題，而無功功率補償對電壓穩定性起著關鍵作用，可以通過采用動態無功補償裝置提高電力系統網絡的暫態穩定性，提高風力發電過程中的安全容量。在出現低電壓時自動切除風力發電機組，能夠使電力系統網絡穩定，同時優化和加強系統網絡自身的結構，提高功率參數、功率因數，直接接入電網也能夠提高電力系統靜態穩定性。

3.3 采用微觀網絡控制電力系統

風能是一種可再生的環保能源，為了提高電能質量和并網過程中的安全性與可靠性，可以通過應用微網控制技術來改善并網過程中存在的問題。電網建設和規劃溝通中可以合理選擇微網設立的位置，連接多個風力發電場，通過微網控制的形式減少風力發電電能傳輸過程中所產生的波動問題，并且能夠促使風力發電與并網技術的發展。

3.4 優化風力發電電源系統

風力發電過程中所產生的電能具有波動性，電壓不穩定，因此可以有效地針對風力發展過程中產生的電能穩定性進行優化。對風力發電電源系統進行優化，落實改裝系統，使系統能夠智能控制風力發電電源儲能和放電的工作狀態。例如，在風能較多時系統會對電源進行充電，停止電源對風輪機放電，風能降低時風能不夠會導致風輪機轉速下降。將電力系統智能控制技術應用到風力發電與并網技術中，能夠提高風力發電的穩定性和可靠性。系統可以通過控制放電使風輪機維持運行，這能夠提高風輪機的使用效率，使風力發電與并網技術穩定發展。

3.5 加強風力發電與電網運行的維護

在風力發電的過程中，風能的波動、電力系統網絡的故障、風力發電機組和電源的故障都會導致風電并網運行出現問題。通過對風力發電和并網運行的維護強化，能夠提高電力系統網絡運行質量，為風力發電的應用安全提供保障。通過制定風力發電并網運行工作的定期維修檢查工作流程，并且通過智能系統管理技術對風力發電網絡和并網運行在線上實時監管，確保風力發電機組和電源的運行穩定性，保障電力系統網絡的安全。

4 結 論

我國在不斷發展的過程中需要長期穩定大量的電能，通過分析目前的風力發電和與并網技術，能夠保障我國發展過程中的電能供應穩定性。研究大規模風力發電并網對電力系統的影響，有助于提高并網運行的安全性，推動風力發電相關行業的不斷發展，改善能源結構的變化需求。