风力发电并网及电能质量控制研究

风力发电并网及电能质量控制研究

马万和

新疆金风科技股份有限公司         新疆 乌鲁木齐839000

摘要：随着传统化石能源如石油、天然气等的逐步枯竭，风能、太阳能、核能等清洁能源已逐步发展为当今世界不可或缺的新能源，风能更是成为位居前列的开发能源。目前，我国已在甘肃、新疆、内蒙古以及舟山群岛等区域成功建设大型风电场，助力我国西电东送国家战略和长三角地区经济增长。但大量的风力发电也给大电网的安全运行带来了挑战。风力发电具有间歇性、不确定性等特征，当风电并网后若无有效的控制措施干预，将干扰火电、水电等构成的传统大电网的稳定性。为充分利用风电资源，提高风力发电的友好和稳定能力，国家出台相关要求，风电并网时必须严格遵守低电压穿越的技术规范，并对其不同故障程度下的低电压穿越能力进行工程验证，提高新型电力系统的抗故障和抗风险能力。因此，研究低电压穿越技术对风力发电的快速、稳定发展具有重要意义。

关键词：风力发电;并网;电能质量;控制

引言

随着经济的发展和社会的发展，我国的综合国力和风力发电的发展速度都在加快。在“双碳”新能源发展战略的指引下，电力系统调频、调峰需求不断增加，在这种背景下，风力发电系统将会更加稳定地发展，以消纳蓄能、减少资源浪费、充分利用风能，并结合风力发电的实际情况，合理调整电力的供电状况，提高电力系统的稳定性。

1、风力发电系统原理

风力发电系统由风力机、发电机、传动链、控制装置等构成，其作用是将清洁的风能转换为电能，再通过风电并网将电能传输至千家万户。风力发电的控制装置用于应对风能的极度不确定性，是将不可控能量向可控能量传递的关键设备。风力机是我们对风力发电系统认知的宏观产物，通常由三片桨叶组成的风轮、塔架等构成。根据安装地点的不同，分为水平面安装的风力机和垂直面安装的风力机两种；按照控制策略不同，还可以将风力机分为定距失速、变距失速和主动失速三种类型。发电机是连接风力机产生的机械能和电能的桥梁，风电并网有极其严苛的条件，不仅要保证并网点电压幅值相同，还需要做到并网频率相同[1]。风力发电机有恒速运行和变速运行两种结构，而变速运行需要与变流器组合使用才能实现。变流器物理结构由二极管、IGBT等功率电子器件组成，通过采用先进的高性能控制算法，可以实现任何频率和幅值的风力发电与大电网相连。风力发电发展初期，在各风电场应用较多的是笼式异步风力发电机和双馈异步风力发电机，后来PMSG因功率因素高、定子电阻损耗小等优点逐步得到了工业认可和推广。时至今日，诸多学者又提出了一种以永磁同步电机为传动载体的新型变速恒频风力发电机。

2、风力发电并网技术的运用特征

从风力发电并网技术的使用特征上看，该类发电形态多采用风力资源，其在应用时带有极强的环保性。相关部门在应用风力发电并网技术期间，应恰当观察技术应用时的操作环境，利用对相关环境的科学控制，有效处理并网技术中的各项麻烦，适时增强并网技术的操作规范，并透过对应的规范性内容，适当加强并网技术运用的环保性，满足该项技术使用过程的各项需求，因而相关部门应恰当规范风力发电和光伏发电并网技术的运用内容，增强该发电技术使用的针对性。

3、风力发电并网及电能质量控制研究

3.1预防性机会维修策略

在预防性机会维修正式开始时，需要将风力发电机的参数初始化，并且给每个部件都要进行编号处理。然后，使用二次抛物线插值法来进行计算公式的优化，从而得出维修的最优解。接着，使用相关的公式求出机会维修N个部件需要消耗的时间的区间。之后记录下来最先达到并超出范围极点的部件，并将其设定为预防性维修部件。此后还需要判断其他部件的情况，看是否还有满足要求的部件，如果有则将满足条件的部件记录下来，并将其设定为机会维修部件，对所有满足条件的部件进行6修，如果没有则直接进行预防性部件的维修。由此达到更新所有部件的目标。接下来，还需要判断机组运行的时间是否比T大。如果是，则统计相关数据，并且计算出最后的维修费用。如果不是，则需要重新记录最先达到时间最长范围的部件，并且进行之后的判断和计算。由此实现风电系统中的预防性机会维修的目标，节省总体的维修费用。

3.2氢燃料储能

氢燃料的储存主要依靠电化学设备，将燃料中的氧化剂和化学能转换成电能，并在“双碳”的发展战略和可持续发展的指导下，将其逐步推广到风力发电领域。氢燃料的储存能力是没有上限的，根据电解质的不同，可以分为直接甲醇燃料储能装置、质子交换膜燃料储能装置、碱性燃料储能装置。在风力发电场中，最常用的是膜燃料的质子交换膜燃料。在质子交换膜燃料储能设备的操作中，燃料和氧通过双击板的气道进入两极，通过膜电极位置的扩散区，再进入催化层，在膜阳极催化剂的作用下，氢被分解为水、质子和电子，水和质子通过质子交换膜进入阴极，电子通过外电通路进入阴极，最终与氧分子发生反应，在一系列的化学反应中，进行储能和充电，并在压缩、液化和金属化的储能模式下，达到了长时间的储能。目前，氢气储存技术已逐步深入，技术难题逐步得到解决，而且有关元件的成本也在不断下降，使得氢燃料储存技术有了较大的发展空间

[2]。

3.3混合储能技术

目前风力发电系统中的储能设备以蓄电池为主，但其寿命短、功率密度低、维护难度大、对环境造成的污染较大，因此可以采用蓄电池和超级电容的组合技术来解决这一问题。超级电容储能设备具有高的寿命、高的能量密度和高的功率利用率，并且不需要维修，可以通过被动式和主动式结构的方式与蓄电池进行互补并联，从而形成一种新型的能量存储设备。混合蓄能设备集成两种不同形式的优点，既能有效地延长设备的使用寿命，又能兼顾经济和技术，同时又能保证能源转换的效果，因此，混合能源在风力发电领域的应用前景十分广阔。在风力发电机组运行状况异常的情况下，利用该设备对风力发电机组进行快速充电和放电，以填补风力发电机组在电力系统负荷高峰期的不足。

3.4先进能源电力电子技术

新进能源电力电子技术主要包含小容量或者大容量、高电压控制技术、低损耗电力电子器件技术以及新型电力电子设备技术等。比如，一种新型半导体材料做成的电力电子器件，其相比于Si半导体器件来说，具有较强耐高温、损耗较低以及反向截止电压较高等特点，随着研发的进一步深入，在今后输配电系统中，可能成为新一代低损耗、高电压以及大功率电子装置主要组成部分。另外，随着新型电力系统下电网波动性增强，为了保障电力系统稳定、高效，对于动态补波补功的新型电力电子设备需求将会显著提升。同时，在控制技术方面，研发人员一直在不断优化数字信号处理器性能，从而使系统控制整体流程具有较强多样性、合理性以及灵活性[3]。

3.5自动化控制系统数据整合中应用智能化技术

风力发电自动化控制系统运行阶段，为实现对自动化控制系统数据的有效整合分析，则应当合理运用智能化技术，解决风力发电数据的处理难度。基于深度学习、人工智能技术、计算机神经网络技术的合理运用，保证风力发电工程运行数据得到深度剖析，为后续风电工程的可持续发展提供有力参考。

结束语

总之，新的能源体系需要自主学习型、智慧化“能源互联网”。相关人员应提高对能源互联网重视程度，通过不断创新和发展，构建开放式管理及服务平台，配置合理的交易准则以及技术标准，形成“能源资产市场”，实现能源资产的全生命周期管理，促进其可持续发展。

参考文献：

[1]关小明.风力发电并网技术及电能质量控制研究[J].科技风,2021,(22):143.

[2]林勇.风力发电并网技术及电能质量控制对策探析[J].装备维修技术,2021,(02):182.

[3]张玉林.探究风力发电并网技术及电能质量控制措施[J].工程建设与设计,2021,(22):55-56+62.