風電技術及其并網策略探討

大唐蒙東新能源事業部 孫望族

人們對風能的使用已有數千年的發展史，初期大多是借助大風提水灌溉、使用海洋中曬鹽、使用由風能推動的磨坊等。通過借助大風和水力取代了人工和畜力來推動作業機器，從而大大提高了生產效率[1]。至于人們使用風能來推動船舶行駛，則可追溯到更久遠的時代。我國中小型風力發電機的開發則始于20世紀七十年代，當時研發的風力提水機主要是用來提水灌溉和建設沿海的鹽場，之后研發的較大輸出功率的風力發電機主要應用于江蘇和福建等沿海，而在內蒙古地區由于獲得了地方政府的大力支持，順應了本地資源和本地民眾的需要，小型風力發電機的研究和普及也獲得了蓬勃發展。

1 風電技術概述

風電技術指的是將風能發電的技術進行充分地利用，在一般情況下，是以風力發電機的制造為主要的應用形式。值得注意的是，風能是可再生能源之一，其已經成為世界各國發展的主要研究方向之一。風力控制系統的主要結構是風輪，小型發電機的葉片多采用木質材料，中大型風力發電系統的葉片采用的是玻璃纖維或者是高強度的復合材料。輪轂是風輪樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件[2]。

風機的調速裝置是為了保證葉片轉速恒定不變，筆者整合分析，有以下三種方法：一是風輪偏離主風向，二是利用氣動阻力，三是改變葉片的槳距角。大型發電機的槳距控制，用于改善風機的啟動特性、發電機并網前的速度調節、減少聯網時的沖擊電流、按發電機的額定功率來限制轉子的啟動功率，具體的效用還包括在故障情況下使機組安全停機。

風力控制系統主要是將風能轉化為機械能，通過加工處理之后再將機械能轉化為電能的一種電力設備。從廣義的角度來看，風力發電機組在進行工作時，主要圍繞太陽作為熱源，將大氣作為中間媒介，充分利用熱能實現發電的發動機。風力發電最大的特征就是利用自然能源作為動力，與傳統石化能源相比，風力發電更加綠色環保。

在常規情況下，把發電功率在10kW及以內的風能發電廠，叫做中小型風能發電廠。中小型風能發電廠結構大致上由以下幾個結構構成：風輪直徑、發動機、旋轉體、調速機、調向機、剎車機構和塔架。根據風力發電機風連軸的部位分，又可分為水準軸風能發動機和豎向恒載風能發動機。

一是水準軸風能發動機：由于水準軸風能發動機的風輪直徑繞著一條水準平面軸線轉動，風連軸與風向平行，在風輪直徑上的葉片為徑向布局的，與轉動軸方向相同，且與風輪直徑上的旋轉面有固定夾角（又稱安裝角）。風輪葉片數量為1～10片（一般為3片、5片、6片），因此其在高速運行時需要較高的風能效率，在正常運轉時需較多的風能。

二是豎恒載風力發電機：豎向恒載風力發電機的風輪繞一個豎向恒載轉動，風連軸和方向相同。其特性是能夠接收來自一個方向的風能，所以在方向發生變化后，無需對吹風[3]。加拿大、中國、德國、英國和美國等發達國家的中小型風電設備生產商規模占比達到世界規模的50%。全世界擁有成套商業化發電設備產品制造技術的中小型風電設備生產商達到330多家。預計，另有近三百家公司布局于供應鏈、信息技術、咨詢和后服務等產業細分方向。受制造商地區分布限制，世界主要的中小型風電設備輸出大國數量相對集中，主要分布于我國、北美各國以及少數歐盟國家。發展中國家在這一技術的發展中一直具有關鍵作用。值得一提的是，世界各地有多達120余家中小型風電設備生產商的存在。

2 風電技術并網對電網的影響

由于風力轉換具有隨機性的特點，所以風電場出力也就是隨機的。風能自身的特性使其輸出功率可靠性低，這就會給供電系統有功、無功均衡調節造成障礙。在風電容量相對比較高的供電網中，或許會出現隱患。諸如電壓波動和閃變、頻譜偏移、噪聲等現象，更關鍵的是：網絡靜態穩定、移動平穩等都有待檢驗。當然，同樣裝機內容的風電場在截然不同的接入點對供電系統的作用還是有所不同的，在電流電容大的接入點對系統作用小，反之，作用就大[4]。

客觀研究風電場對主電網運營的作用，要從平穩和移動兩層面加以研究。穩態分析只是對風電場的電力系統做出潮流計算的一種形式。在平穩潮流分析中，風電場的高壓線路并不是單純作為PQ結點或PU結點。含風電場的計算機系統對平衡結點的有功、無功平衡技術給出了最高標準，要詳細地研究風電場設備在供電系統的大、小模式下，能否適應網絡系統安全穩定運行的各項條件。

而由于各種類型的風電機組的原理、形式等都不一樣，所以對各類風電場的潮流計算方式也存在差別。針對由異步發電機組所構成的風電場，選擇風電場、主系統分別迭代的方式：首先要確定風力，取值范圍在從風機角度切入的風力和剪掉風力范圍。考慮尾流影響，可通過RAHMAN模式測算出各臺發電風機輪轂處風力。再通過各臺風機功率風速曲線，測算出各臺風力輸出能量P，以及整個風電場的ΣP。

3 風電技術并網的策略

3.1 網架、機組選型的改善及加強

網架、機組選型的改善及加強，要使電網建設跟得上場站建設。加強風電機組的選型，采用雙饋變速機組，降低風電機組在暫態過程中對電網的沖擊，且通過改變風電機組的動態，無功利用支撐能力在暫態過程中，或系統故障后的修復過程所產生的電網壓力，以保持整個電網的暫態壓力平衡。采用具備低電壓穿越能力的機組，讓風電機組在電網產生相應的故障，電壓也隨之降低的過程中，將機組保護動作時間，進行及時的躲過，并使并網發電的狀態能夠得到持續性的保持，在故障問題消失后，機組的常態運行就能夠迅速恢復，系統波動的減少也就由此得到充分保證、風機脫網對電網產生沖擊的問題也能夠及時減少。

3.2 電網電壓自動控制AVC系統的規劃調整

風電場按照調度并網協議，布置滿足場站實際運行要求的無功補償裝置且分組裝設，并配置濾波器。根據調度統一安排，規劃、設置智能電網電壓無功自動控制AVC系統，根據調度自動化控制系統收集的各節點遙測資料，經過在線分析和運算，以各節點壓力符合要求、關口效率因數科學合理為限制要求，完成線上壓力無功優化控制，以達到主變分接開關調整數量盡量減少、電容器投切最科學合理、發電廠無功付出最優化、電流通過率最大和輸電網損率最小的綜合優化要求，并最后形成控制命令，經過調度自動化控制系統的手動運行，完成全網統一聯調試驗，并達成壓力無功最大化手動循環控制系統的目的。

3.3 風功率預測精準性的提升

風電場宏觀選址及風電機組微觀選址精準度的提升，與風功率預測天氣預報、現場測風塔、電氣后臺實時數據等的準確性是息息相關的。完善場站及調度風功率系統的建設，并優化系統算法實時改進，來提高風功率預測精度，是必須踐行的關鍵舉措。根據調度統一安排，布置智能電網電壓無功自動控制AGC有功控制系統，其能夠自動接收調度主站系統下發的有功控制指令或調度計劃曲線，根據計算的可調裕度，優化分配調節機組的有功功率，使整個電場的有功出力，不超過調度指令值。

3.4 合理、有效規劃風電場接入位置

在風電場已經成功并網之后，其對電壓產生的影響、對于配電網損壞的影響，都和風電場的接入位置，是息息相關的，一旦出現風電場接入位置的選擇不合理的問題，配電網電壓的明顯波動問題、電網系統的網損過大問題也就會隨之產生，基于這種情況的產生，為了保證其影響的有效、及時降低，就需要相關人員進行風電場接入位置的合理選擇。具體的選擇方式如下。

一是靈敏度分析法：系統的電壓穩定水平與其節點的靈敏度指標有關。將負載穩定和風電場的接入位置相互聯系，對風電場的接入位置，需要通過無功變化的傳感器對判斷裝置內電網的重要位置和脆弱區域進行了判斷。

二是最優潮流算法：通過預先設定目標函數，然后進行最優的潮流算法，從而使限制要求的滿足以及對風電場的滲透率達到最佳值，然后通過計算各個接入端的目標函數值，從而使風電場的接入位置達到最佳。

三是連續潮流計算法：因為系統電壓穩定水平可以通過其最薄弱母線反應。接入點的最佳位置是通過對由連續潮流計算法得出的關于量化電壓穩態性的指標進行比較得出。上述方法都只從理論上對風電場對電網的接入位置進行了研究。但現實中風電場的接入地點的選取，則需要結合許多方面的各種因素加以全面考量，包括風電場的情況、接入設備的電力等級及其經濟效益等。

3.5 合理、規范規劃風電場最大接入容量

3.5.1 風電規模指標衡量

目前，風電穿透功率極限、風電場短路容量比兩個指標，通常被用來衡量系統中風力發電的規模，并作為分析和評價的根據。一是風能透過功率極限：風能透過輸出功率是指整個系統中風電場接入系統容積占整個系統總負載的比率。風能透過功率極限界定為在符合特定科技指數的前提條件下，可接入整個系統的最高風電場裝機容積與整個系統最高負載的比率。從全網視角，考察風電場電流對整個系統頻率的負面影響。二是風電場短路容量比：風電場額定容積與該風電場并網點時的短路容積之比。從風電場并網的局部電網的角度，用作風電接入后對局部電網的電壓質量的影響研究。

3.5.2 最大接入容量影響因素

風電場對供電系統的最大接入，不但和風電場自身的無功補償狀況、工作特點等相關，還考慮其所接入的設備的網絡結構、負載性能、負載狀況等各種因素的綜合影響。具體體現為以下幾點。

一是對常規機組的旋轉設備水平：風電最大接入能力的提高，通常都是利用對常規發電機組的旋轉設備的能力提升來完成。二是風電設備的類型：采用了恒速恒頻的風電設備風電場，往往因為本身就缺乏無功補償，而要求在外部添加無功補償設備，給電網加大了無功壓力，也因此對其最大接入能力產生了限制。而對基于變速恒頻的風電機組的風電場來說，風電機組可以調節無功，進而提高其最大介入容量。三是系統的網絡結構：負荷一定時，系統的網絡結構連接的緊密程度直接影響風電最大接入容量。風電場接入電網時，選取不同的接入點，其最大接入容量也會不同。上述對于最大接入容量影響因素的分析，在具體界定的過程中還需要結合具體的實際情況，進行細致的分析。

3.6 責任管理的強化，保證體系的完善構建

對風電場的規劃、設計、施工、驗收、運行全過程進行全程管理，同時加快建設保障風電安全體系，規范電廠運行要求，完善雙細則考核規范，配置合適的繼電保護裝置及保護整定，電站制定切實可行的運行管理方法，將責任落實到位。運行人員要定期進行專業培訓，當風電并網后如果出現故障能夠及時對故障進行預案處理，避免電網發生較大的事故，最大限度地減少對電網的擾動，保障電網安全穩定運行。

4 結語

綜上所述，風電技術及其并網策略是保證風能充分作用于發電的關鍵，本文從風電技術概述、風電技術并網對電網的影響、風電技術并網的策略等多個角度出發，對風電技術的創新發展、風電并網問題的解決等，進行了全面剖析、闡述，希望能夠為風電技術并網工作的開展，提供相應的思路與建議。