探讨风力发电并网系统的控制和优化策略

安科瑞张田田

【摘要】：作为一种常见的新能源发电方式，风力发电在电力工业中发挥着重要作用。根据风力驱动风叶片旋转，从而将风能转化为电力，并通过发电机将电力输送给各种用户，满足人们的日常需求。在全球风力发电领域，我国的相关技术具有一定优势。深入研究风力发电技术尤为关键，有利于优化国内能源结构和实现环保目标，引起了国际社会的广泛关注。未来须注意不断创新，实现风力发电技术突破，为能源发展注入强大动力。本文探讨了风电并网系统的控制和优化策略，以供参考。

【关键字】：风力发电并网系统；风力发电；系统控制；优化策略

0引言

风电作为一种可再生资源，具有低污染、储量大等优点。随着近年来**绿色发展战略的深入实施，我国风力发电技术取得重大进展。风力发电总装机容量机并网规模呈逐年增长趋势，为**工农业生产及居民生活提供了大量电力能源。然而，风力发电并网涉及许多复杂的技术和管理问题。为了确保风电新能源的快速利用，须根据风力发电的特点采取相应的技术措施，不断提高并网性能，提高供电质量。进一步优化我国电力供应结构，推动风电及新能源产业的健康发展，为实现能源绿色低碳转型目标提供有力支撑。

1风力发电

1.1概述

我国幅员辽阔，风能资源丰富，特别是在三北地区、东南沿海地区及附近海域，风力发电已成为新能源发电中应用*广泛的方式之一。风力涡轮系统是风力发电机组中*为关键的部分，主要由风力涡轮机、机舱和塔架组成。风力涡轮机在风力发电中起着至关重要的作用，负责将风能转化为机械能。风力涡轮机叶片的制造材料需要具有高强度和轻量化的特性。常见的叶片形状是双流线，在某些特殊情况下，也可以使用S形叶片。然而，在风力发电设备的长期运行过程中，风力涡轮机等部件可能会受到自然环境的影响，出现腐蚀、开裂等质量问题，因此需要定期维护和保养。塔架在风力发电设备中起着支撑作用，其高度调整需要参考风力涡轮机的直径和风资源剪切指数。塔的高度通常在70-140m之间。发电机将机械能转化为电能，其容量与风力涡轮机叶片的长度相关。随着科学技术的不断进步及应用范围的扩大，在我国能源结构中风力发电的地位日益提升，为我国绿色发展和能源转型奠定了坚实基础。如何安全且经济地降低风力发电系统并网损耗，以及风力发电系统主动参与电压调节控制的能力探究，成为当下关于新能源行业的热点研究内容之一。

1.2特点

风力涡轮机在风力发电过程中起着至关重要的作用。当风作用在涡轮机的叶片上时，叶片开始旋转，随着风速的增加，叶片转速逐渐增加，直至转速达到稳定，这个过程将风能转化为有效的机械能，而发电机可以将这些机械能转化为电能。实际上，*基本的风力发电系统只由两部分组成：风力涡轮机的风扇叶片和发电机。风力涡轮机的叶片受到风力的驱动并开始旋转，产生机械能。由于叶片和发电机之间的持续连接，叶片的持续旋转驱动发电机的稳定运行。这样，发电机可以有效地利用叶片产生的机械能转化为电能。通过上述方法将风能转化电能，有利于减少对传统能源的依赖，促进绿色环保能源的发展。

2风力发电并网技术

目前，风力发电领域应用到多种技术，包括模拟技术、电力调度技术、风力发电预测技术和实验检测技术。仿真技术通过构建风电模型来模拟风电系统的实际运行过程，可以准确揭示系统运行中的潜在问题，及时优化风力发电机组接入电网。电力调度技术是保证电网稳定的关键，依靠对风电的准确预测，有效控制风能对电网的不利影响。时间序列渐进法的应用进一步增强了电力调度技术的科学性和实用性。风电预测技术结合多种天气预报模型，通过收集和分析风速、风向等数据，准确预测风机的运行状态和输出功率。风电预测技术能够克服恶劣天气对功率预测的挑战，并通过数字模型深入了解了风电的功率波动规律，进而实现对风能的准确控制。实验检测技术通过大量的现场实验获得风电并网的关键参数，这些参数的研究有助于评估电网的性能，并通过检测并网风电场的电能质量和有功功率调节水平来优化整个系统，确保其稳定运行。

3风力发电并网系统控制

3.1风力预测控制

风力预测控制在风力发电中的重要性不言而喻。由于风力的不稳定性，通常难以维持风力发电能源的稳定供应，风力的大小和持续时间直接影响风力涡轮机的发电能力。风力增加且持续时间更长，会相应增加风力涡轮机的发电能力。然而，尽管风力发电生产出的电能*终都被整合到电网中，但其能量输出不稳定，难以与风力涡轮机实现良好配合。为了克服这一挑战，风力预测控制技术被研发出来，且已广泛应用于风力发电过程中。通过准确预测风力，对风电系统实施动态调整，增强电网的稳定性，提高其整合效率。目前，通过利用各种技术手段模拟分析风力数据，预测发展趋势，都可以获得更合理、更准确的预测结果。这一预测过程通常分为短期和中期两个阶段，短期预测主要关注风电系统涡轮机的实时调整和优化，以确保其在当前风况下*快速的运行；中期预测则是更多地关注发电系统辐射范围内的风电情况，通过对未来风电做出合理判断，为风电发电提供更稳定可靠的依据。

3.2*大功率点跟踪控制

*大功率点跟踪控制以实现风力涡轮机速度或桨距角的智能调节，确保能在不同风速下的*佳运行，保障输出*大功率。这一方法的实施依赖于良好的控制系统及算法，这些系统及算法能够实时监测风速和机组的运行状态，并做出相应的调整。当风速较低时，控制系统可以通过提高机组的速度来提取更多的风力；当风速高时，为了避免对单元的过度应力或损坏，控制系统可以通过调节桨距角来减少风力的捕获。基于此过程，*大功率点跟踪控制策略不仅提高了风电系统的发电效率，还能够保证风电机组的安全稳定运行。

3.3有功功率和无功功率控制

风电并网系统在向电网提供有功功率，满足电力需求的同时还会提供无功功率，这对提高电网的电压质量至关重要。为了确保风电并网的无功补偿电压稳定性与电网一致，风电场需要配备相应的无功功补偿设备，并实现精细的无功电压控制。分析各组风电机组接入点电压调整特性。有功功率控制主要通过调整风力涡轮机的输出功率来实现，以确保它们与电网的需求相匹配。这包括准确控制机组转速或桨距角，以实现*大功率点跟踪，必要时还要进行功率限制，以避免对电网的影响。无功功率控制主要是通过调整风力发电机的无功功率输出来提高电网的电压质量。在风电场中，可以使用静态无功发电机或电容器组等无功功率补偿装置来提供或吸收无功功率，从而保持电网电压的稳定。

3.4电能质量监测与控制

随着新能源发电机组接入电力系统的比例增加，新能源发电渗透率的提高对电力系统的安全、稳定和灵活经济运行提出了挑战。加强电能质量的监测控制在风力发电系统中至关重要，通过实时监测并记录电压波动和电流谐波等关键参数，能够及时发现并网运行过程中潜在的电能质量问题。这种持续监测不仅提供了有价值的数据支持，还可以更准确地了解风力涡轮机的运行状态。现代技术的应用给风力发电系统的监测和维护带来了革命性的变化。风电质量监测主要依靠优异的电能质量监测设备，能够实时监测风电场内部的电压、电流、频率等关键参数，及时发现电能质量问题。通过采用大数据和云计算技术，实现风电质量数据的远程传输和集中处理，进一步提高监测效率。

4风力发电并网系统的优化策略

4.1评估风能资源

首先，通过构建风力发电量预测模型，结合天气预报等相关数据，提前预测风力发电量的波动情况。并在此基础上，充分利用风电波动特点，结合传统发电设备的灵活性，使电力系统在波动的同时保持平衡。另外，引入储能技术也是一种有效的策略。储能技术可以通过储存和释放能量来平稳调节风力发电的波动，从而减少对电力系统的影响。储能技术的引用提高了系统的稳定性和可靠性，为电力系统的平衡运行提供了更多的选择。智能控制算法可以实时监测和调整风力发电设备的输出，从而加快系统的响应速度，提高稳定性。这项技术的应用将进一步提高风力发电的效率和可靠性。

4.2优化机组布局

首先，优化发电机结构设计和磁路设计比较重要。通过采用电磁设计理念，优化磁路形状，降低磁阻和能量损失，从而提高发电机的转换效率。这一改进为发电机的快速运行奠定了坚实基础。其次，优化发电机的控制策略同样重要。通过改进电流控制算法和电压调节系统，可以提高发电机对外部变化的响应速度和稳定性。增强发电机适应性的同时，还进一步提高了其运行效率。

此外，适度降低发电机的运行温度也是提快速率的有效途径。在确保安全的前提下，通过采用快速的冷却系统和良好的绝缘材料，能够发电机的热损失，提高了热效率。该方法的实施需要综合考虑发电机的材料、工艺和运行环境等因素。*后，发电机的定期检查、清洁和润滑是保持其有效运行的重要手段。通过保持发电机的良好运行状态，减少机械磨损和电气损耗，从而延长发电机的使用寿命，提高运行效率。这种定期维护方法对确保发电机的长期稳定运行具有重要意义。以专业维修人员为主、设备操作人员做好配合，是在日常维护的基础上进一步对风电设备整体的深入保养，能够有效减少或避免突发故障造成的各种损失。

4.3改善负荷特性

智能电网可以通过实时监测和数据分析，对负荷变化做出快速准确的调整。在高峰时段，智能电网通过优化资源配置，提高电网的供电能力；在低谷时期，合理利用闲置产能，防止资源浪费的发生。风电并网作为一种清洁可再生能源的利用方式，对改善电网负荷特性有着突出作用。风电并网运行可以大大减少对传统能源的依赖，降低电网的负荷压力。同时，风电发电的随机性和波动性使其能够在一定程度上改善电网负荷的波动，从而改善电网的负荷特性，确保电力系统的安全稳定和灵活经济运行。

4.4增强输电能力

作为一个核心环节，电力电子技术在风力发电的转换过程中的应用目标是将自然风能资源转化为稳定、可持续的电能资源。这一转换过程关系到能源的有效利用，并涉及如何有效、安全地长距离传输所产生的电力，确保传输过程中的稳定性，尽可能减少能源损失。为了应对这一挑战，风电公司正在对高压直流（HVDC）技术进行深入研究。这项技术利用高压直流电进行电力传输，不仅可以实现长距离的能量传输，还可以显著降低传输过程中的损耗。HVDC技术的优点在于其对使用环境的要求相对较低，可以确保在各种条件下高质量、低损耗地传输电能，具有非常广阔的应用前景。风力发电的远距离输电是一个至关重要的研究项目。为实现快速的风力发电并网系统，有必要解决长距离输电的问题，减少输电过程中的损失。充分利用电力电子技术，确保风力发电快速、稳定、远距离传输，从而实现其更大的利用价值。

5风力发电在直流快速充电站中的挑战与展望

5.1系统概述

Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

5.2应用场景

城市充电站、工业园区、分布式新能源、数据**、微电网、高速服务区、智慧医院、智慧校园等。

5.3系统结构

5.4系统功能

（1）实施监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

（2）智能监控

对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。

（3）功率预测

对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。

（4）电能质量

实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

（5）可视化运行

实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。

（6）优化控制

通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。

（7）收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

（8）能源分析

通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。

（9）策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

5.5系统功能

 

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG

	内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

 

6结束语

综上所述，作为近年来我国快速发展的可再生资源之一，风力发电在优化能源结构、减少碳排放、保障电力供应安全等方面发挥了重要作用。然而，风力发电行业也面临着一些挑战，风力的不确定性、储存困难以及并网过程中的这些问题都降低了风电的利用率，无法发挥出风力发电的*大潜力。为了应对这些挑战，以后相关技术及领域的研究开发应侧重于提高风电预测的准确性。通过遥感技术、计算机技术的应用，结合大数据与人工智能技术，更准确地预测风能变化趋势，优化风电场的运营和管理，为我国电力供应及新能源行业的可持续发展做出更大贡献。

参考文献:

[1]彭飞.风力发电并网运行的稳定性控制研究[D].南昌:南昌大学,2020.

[2]卓双阳.浅谈新能源发电并网系统的控制[J].科学中国人,2016(35):7.

[3]路立仁.浅析风力发电并网技术及电能控制策略[J].科技与创新,2016(17):134.

[4]吕丰.新能源发电并网系统的控制策略[J].电子测试,2014(1):144-145.

[5]魏伟,许胜辉.风力发电及相关技术综述[J].微电机,2009,42(4):66-68.用

[6]安科瑞高校综合能效解决方案2022.4版.

[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.04版.

[8]马晓明.风力发电并网系统的控制和优化策略.

审核编辑 黄宇