探讨风力发电并网系统的控制和优化策略

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。其通过风力驱动风叶片旋转，将风能转化为电力，并经发电机输送给用户，满足日常需求。我国在全球风力发电领域技术优势明显，深入研究风力发电技术对优化能源结构和实现环保目标意义重大，备受国际关注。未来需不断创新，实现技术突破，为能源发展提供动力。本文探讨风电并网系统的控制和优化策略，以供参考。

关键词：风力发电并网系统；风力发电；系统控制；优化策略

0 引言

风电作为可再生资源，具有低污染、储量大等优点。随着国家绿色发展战略推进，我国风力发电技术进步显著，总装机容量与并网规模逐年增长，为工农业生产和居民生活提供大量电力。然而，风电并网涉及诸多复杂技术与管理问题。为促进风电新能源快速利用，需依据其特点采取技术措施，提升并网性能与供电质量，优化电力供应结构，推动风电及新能源产业健康发展，助力能源绿色低碳转型。

1 风力发电

1.1 概述

我国风能资源丰富，三北地区、东南沿海及附近海域风力发电应用广泛。风力涡轮系统是风力发电机组关键部分，由风力涡轮机、机舱和塔架组成。风力涡轮机将风能转化为机械能，其叶片制造材料需高强度、轻量化，常见双流线形状，特殊情况用 S 形叶片。运行中，风力涡轮机等部件易受自然环境影响，需定期维护保养。塔架支撑风力发电设备，高度依风力涡轮机直径和风资源剪切指数而定，通常在 70 - 140m 之间。发电机将机械能转化为电能，容量与风力涡轮机叶片长度相关。随着技术进步，风力发电在我国能源结构中地位提升，而降低并网损耗、提升电压调节控制能力成为新能源行业研究热点。

1.2 特点

风力涡轮机在发电中起关键作用。风作用于叶片使其旋转，风速增加转速渐趋稳定，实现风能到机械能转化，发电机再将机械能转化为电能。基本风力发电系统由风扇叶片和发电机组成，叶片旋转产生机械能并驱动发电机运行，从而将风能转化为电能，减少对传统能源依赖，推动绿色能源发展。

2 风力发电并网技术

风力发电领域应用多种先进技术，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。

模拟技术构建风电模型模拟实际运行，揭示潜在问题，优化机组接入电网。电力调度技术是电网稳定关键，依靠风电预测控制风能不利影响，时间序列渐进法增强其科学性和实用性。风电预测技术结合多种天气预报模型，分析风速、风向等数据，预测风机运行状态和输出功率，克服恶劣天气影响，了解功率波动规律，实现风能准确控制。实验检测技术通过现场实验获取并网关键参数，评估电网性能，优化系统运行。

3 风力发电并网系统控制

3.1 风力预测控制

风力不稳定性使发电能源供应不稳定，影响风力涡轮机发电能力，且输出电能不稳定，难以与涡轮机良好配合。风力预测控制技术应运而生并广泛应用，通过预测风力对风电系统动态调整，增强电网稳定性和整合效率。预测分短期和中期，短期关注涡轮机实时优化，中期为发电提供稳定依据。利用多种技术手段模拟分析风力数据，可获更准确预测结果。

3.2 最大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪控制通过智能调节风力涡轮机速度或桨距角，确保不同风速下机组最佳运行，输出最大功率。该策略依赖先进控制系统和算法，实时监测风速和机组运行状态并调整。低风速时提高机组速度获取更多风力，高风速时调节桨距角减少风力捕获，保障机组安全稳定运行，提高发电效率。

3.3 有功功率和无功功率控制

风电并网系统向电网提供有功功率同时提供无功功率，对提升电网电压质量至关重要。风电场需配备无功补偿设备，实现精细无功电压控制，分析机组接入点电压调整特性。有功功率控制通过调整风力涡轮机输出功率，匹配电网需求，控制机组转速或桨距角实现最大功率点跟踪，必要时限制功率。无功功率控制调整发电机无功输出，使用无功功率补偿装置维持电网电压稳定。

3.4 电能质量监测与控制

新能源发电机组接入使电力系统面临挑战，加强电能质量监测控制在风力发电系统中极为重要。实时监测电压波动、电流谐波等关键参数，可及时发现并网电能质量问题，了解风力涡轮机运行状态。先进电能质量监测设备实时监测风电场关键参数，大数据和云计算技术实现数据远程传输和集中处理，提升监测效率。

4 风力发电并网系统的优化策略

4.1 评估风能资源

构建风力发电量预测模型，结合天气预报数据，预测发电量波动，利用波动特点结合传统发电设备灵活性维持电力系统平衡。引入储能技术可平稳调节发电波动，提高系统稳定性和可靠性，智能控制算法实时监测调整发电设备输出，提升效率和可靠性。

4.2 优化机组布局

优化发电机结构设计和磁路设计，采用先进电磁理念优化磁路形状，降低磁阻和能量损失，提高转换效率。改进发电机控制策略，优化电流控制算法和电压调节系统，提升响应速度和稳定性，增强适应性和运行效率。适度降低运行温度，采用快速冷却系统和先进绝缘材料，综合考虑多种因素减少热损失，提高热效率。定期检查、清洁和润滑发电机，保持良好运行状态，减少磨损和损耗，延长使用寿命，专业维修人员主导、操作人员配合的维护方式可减少突发故障损失。

4.3 改善负荷特性

智能电网通过实时监测和数据分析，对负荷变化快速准确调整，高峰时优化资源配置提升供电能力，低谷时利用闲置产能避免浪费。风电并网可减少传统能源依赖，降低电网负荷压力，其随机性和波动性有助于改善电网负荷波动，确保电力系统安全稳定和灵活经济运行。

4.4 增强输电能力

电力电子技术将自然风能转化为稳定电能，长距离输电面临挑战。风电公司研究高压直流（HVDC）技术，其以高压直流电传输，可实现长距离低损耗输电，对环境要求低，应用前景广阔。充分利用该技术可确保风力发电快速、稳定、远距离传输，提升利用价值。

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 储能能量管理系统针对工商业储能电站研制，具备数据采集、处理、存储、查询分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。策略管理支持多种控制策略，可实现下级储能单元统一监控管理，与上级调度系统和云平台交互，保障储能系统安全稳定可靠经济运行。

5.2 应用场景

适用于城市充电站、工业园区、分布式新能源、数据中心、微电网、高速服务区、智慧医院、智慧校园等场景。

5.3 系统结构

5.4 系统功能

1.       实施监管：实时监管微电网运行，涵盖市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，包括收益、天气、节能减排等信息。

2.       智能监控：实时监测系统环境、组件、逆变器、控制逆变一体机、电池、变流器、用电设备等，掌握运行状况。

3.       功率预测：对分布式发电系统进行短、超短期发电功率预测，展示合格率及误差分析。

4.       电能质量：持续监测微电网电能质量和可靠性，分析稳态和暂态数据，监测电压、电流瞬变。

5.       可视化运行：实现微电网无人值守，数字化、智能化、便捷化管理，不间断监控重要负荷与设备。

6.       优化控制：分析历史用电数据和天气条件预测负荷功率，结合分布式电源和储能状态经济优化调度，降低用电成本。

7.       收益分析：用户可查看光伏、储能、充电桩电量和收益数据，可切换年报查看月数据。

8.       能源分析：分析光伏、风电、储能设备发电和转化效率，评估性能与状态。

9.       策略配置：对微电网系统组成、参数、运行策略和统计值进行设置，策略包括计划曲线、削峰填谷、需量控制等。

5.5 系统设备说明

6 结束语

风力发电在优化能源结构、减少碳排放和保障电力供应安全方面作用显著，但面临风力不确定性、储存困难及并网问题，影响风电利用率。未来研究应聚焦提高风电预测准确性，综合应用多种技术，优化风电场运营管理，推动电力供应和新能源行业可持续发展。