风力发电并网系统的控制和优化策略

风力发电并网系统的控制和优化策略

张晋扬

辽宁龙源新能源发展有限公司      辽宁省沈阳市    110500

摘要：提高能源利用率、改善能源结构、发展可再生能源是目前世界各国高度重视的一个热点问题。风能作为应用技术最成熟的可再生能源，风力发电成为解决世界能源危机的有效途径之一，而风力发电并网技术是推动风力发电发展的主要动力。

关键词：风力发电；并网系统；控制；优化策略；

一、风力发电概述

风力发电的利用方式主要有二:一类是独立运行供电系统,单机容量一般为0.~10 kW;另一类是作为常规电网电源,商业化机组单机容量主要为150~2000 kW,其中,大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式,已成为当今世界风能利用的主要形式。从风中吸收能量,将风能转化为机械能,叶轮通过一增速齿轮箱带动发电机旋转(直驱式风电系统无此环节),发电机再将机械能转化为电能,并入电网供用户使用。并网型风电系统的风机一般为水平轴式,该风机在其桨叶正对风向时才旋转,由偏航系统根据风向控制风机迎风。变桨矩机组还需一套变桨矩系统,主要有液压型与电气传动型两类,前者适合在大中型机组中应用,后者具有可靠性高和桨叶独立可调的特点。

二、风力发电机组并网对电网运行的影响

1.电力电量平衡。由于风力发电系统的不确定性，发电机组的日电力电量平衡和电 源安排变得非常困难。若风电预测水平不足，且风电功率过高时可能会导致全网备用不足，而若风电功率过低时有可能会增加常规火电机组调峰容量，从而给火电机组的煤耗指标带来巨大影响。同时风电预测的偏差还可能导致电网跨省联络计划的执行受到影响。

2.调峰、调频及备用由于风电功率的随机性，系统的调峰裕度必须大于风电接入电网的功率，而风力发电机组的反调峰特性又会使负荷峰谷差变大，因此对系统调峰具有相当大的难度。而风力发电的不稳定也会迫使火电机组大幅度参与系统调频工作，导致系统频率忽高忽低，达不到规定的指标。

3.电压与无功功率控制。风电机组的类型不同，无功功率特性差异很大。风电机的无功功率不可控必然会导致电压忽高忽低，无功补偿装置频繁投切。目前普遍 应用的风电机虽然能够保证风机不向系统吸收无功，但不具备恒电压调节能力。

4.潮流及稳定性。由于风力大小的随机性，风力大小无法进行准确预测，然而风力发电厂的有功出力又主要取决于风力的作用，因此会导致电网无法进行功率预测并采取有效的预控措施。各种各样的因素都可能致使风电机大 量脱网，从而导致电网潮流发生巨大的波动或者转移。在某些并网风电 场所地区，当风电场处于高出力运行状态时，首段负荷系统转变为送端 系统从而导致电压稳定性降低，这类由于风电场的无功功率特性引起的 问题依然普遍存在。

三、风力发电并网系统的控制和优化策略

1.风力机驱动滑差可调的绕线式异步发电机与电网并联运行。根据风力机的特性可知,风力机的风能利用系数与风力机运行时的叶尖速比有关,因此,当风速变化而风力机转速不变化时,风力机的值将偏离最佳运行点,从而导致风电机的效率降低。为了提高风电机组的效率,国外厂家研制出了滑差可调的绕线式异步发电机。这种发电机可以在一定的风速范围内,以变化的转速运转,而发电机仍输出额定功率,无需借助调节风力机叶片桨距来维持其额定功率输出,这样就避免了风速频繁变化造成的功率起伏,改善了输出电能的质量;同时也减少了变桨距控制系统的频繁动作,提高了风电机组运行的可靠性,延长了使用寿命。

2.风电系统的控制子系统非常复杂，通常分为电气控制子系统和机械控制子系统两部分。电气控制子系统的功能是：网侧变流器驱动、机侧变流器驱动和无功电容器组的投切；机械子系统的功能是：调节桨矩角、并网控制、偏航控制、制动和刹车等。一是四象限变流器的设计。目前，国内有很多厂家有能力生产四象限运行的变流装置，然而它们的容量都很有限。随着并网型风机的大型化发展，大容量变流器的实现非常关键；随着容量的增大，变流器的可靠性、电磁兼容性等问题不可忽视。二是风力机模拟系统设计控制系统的优劣需要通过一系列的实验来验证。风轮机非常庞大，现场的吊装非常昂贵，以至于现场实验的方案不太可行。缩小模型比例，用风洞实验代替现场实验似乎可行，然而反复的风洞实验代价也是不匪。一般的做法是在实验室用原动机模拟风力机机械特性，通过原动机带动发电机来验证控制系统的性能。因此，风力机模拟系统设计的好坏直接关系到实验效果，该系统不但需要实现风力机的机械特性，而且需要保证风速变化瞬间的转矩响应速度。三是双馈电机控制技术。双馈电机的变速控制可以提高风电系统的效率。如何找到系统的最优运行点，实现最大风能的捕获；如何实现输出电能的谐波尽可能小，功率因素接近为1，以上性能要求对双馈电机的控制方法和控制系统设计带来了挑战。四是并网技术并网技术包括并网条件监测和并网控制。风电系统是一类复杂的大系统，需要监测的物理量非常多，包括风速、电网电压 :相位、幅值、频率;、风机转速、系统温度等等，对上述物理量的有效监测有助于系统的稳定性运行。并网控制对风电系统的并网运行至关重要，其难点在于如何减小并网冲击，以及如何与最大风能捕获和电能质量控制相结合。五是桨矩角控制技术。桨矩角控制的目的在于限制风机转速和系统输出功率。由于桨矩角与风机转速、系统输出功率为强非线性关系，因此其控制规律很难把握，这给桨矩角控制带来了困难。六是系统监控技术。由于风机的安装、起吊非常复杂昂贵，合理有效的实时监测可以预防故障的发生，降低系统的运行成本，因此很有必要对风电系统的运行状态进行监控，并根据监测量作及时必要的容错控制。而且风能的随机性和系统中大量电力电子装置给输出电能带来了大量的谐波，电能质量监测评估也非常重要。

3.安全控制器接受主控的运行信号并监测网电状态，在网电断开时对刹车系统、励磁屏进行控制，实现独立的安全控制|。为提高在网电断开时的响应速度，安全控制器接收主控制器的普通输出点信号作为对正常运行状态的判定，同时在应急电源侧对网电进行监测。当输出失效，并且应急电源侧网电断开时，安全控制器立即响应，将励磁屏和液压刹车系统供电切换到后备电源，启动刹车程序。安全控制器设置在应急电源柜内。应急电源系统，又称后备电源，其主要功能是给刹车液压电机、励磁屏供电，并同时保证控制系统的供电。在网电正常的情况下，如果出现超风速时电机转速过高、电压过高、电机发热严重等故障时，由网电给刹车液压站电机供电，主控制器发出刹车命令，对液压站电机、刹车电磁阀、励磁系统进行控制，实现刹车等安全控制功能；安全控制器在网电正常情况下，通过开关电源模块给蓄电池充电，保证蓄电池总是处于满荷状态；当网电断开时，如果正处于风轮运行状态，则立即将液压站电机、刹车电磁阀、励磁屏切换由后备电源供电，并启动紧急刹车程序，实现独立的安全控制功能。

随着智能电网的逐步发展，我国风电技术进入了快速发展时期，如果能克服这些风力发电并网的技术难题，则可以对我国的电网系统发展起到非常重要的助推作用。无论从我国风能资源和能源需求来看，还是从保护环境的角度出发，大规模发展风能之类的可再生能源是中国的必然选择。我国智能电网的发展还处在初级阶段，需要我们付诸努力，将中国智能电网的研究推向新的高度。

参考文献：

[1]张大平.风力发电机组的变论域自适应模糊控制[J].控制工程, 2019, 10(4): 342-345.

[2]闫新佳.基于神经网络的风力发电控制系统[J].控制与决策, 2019, 12(7): 482-486.