风力发电并网系统：控制策略与优化路径之探讨

安科瑞鲁一扬15821697760

【摘要】：风力发电作为一种关键的新能源发电形式，在电力工业领域占据着重要地位。其借助风力驱动风叶旋转，实现风能向电能的转换，并借助发电机将电能传输给各类用户，以满足人们的日常用电需求。在全球风力发电范畴内，我国相关技术具备一定的竞争优势。深入探究风力发电技术对于优化国内能源格局、达成环保目标极为关键，且已引发国际社会的广泛瞩目。未来需着重持续创新，力求在风力发电技术上实现重大突破，为能源领域的稳健发展注入强劲动力。本文将围绕风电并网系统的控制与优化策略展开深入探讨，以期提供有益的参考借鉴。

【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能源，具有污染程度低、储量颇为丰富等显著优势。伴随近年来绿色发展战略的持续深入推进，我国风力发电技术取得了令人瞩目的显著进展。风力发电的总装机容量以及并网规模呈现出逐年稳步增长的良好态势，为工农业生产活动以及居民日常生活提供了大量稳定的电力能源支持。然而，风力发电并网并非一帆风顺，其中涉及诸多复杂的技术难题与管理挑战。为切实保障风电这一新能源能够得以迅速高效地利用，必须依据风力发电自身的独特特性制定并实施相应的技术举措，持续提升并网性能，提高供电质量，进一步优化我国的电力供应结构，有力推动风电及新能源产业的健康可持续发展，为实现能源绿色低碳转型的宏伟目标筑牢坚实基础。

1风力发电

1.1概述

我国地域辽阔，风能资源极为丰富，尤其在三北地区、东南沿海地区及其附近海域，风力发电已然成为新能源发电领域应用最为广泛的方式之一。风力涡轮系统是风力发电机组的核心构成部分，主要由风力涡轮机、机舱以及塔架等部件组成。风力涡轮机在风力发电流程中扮演着举足轻重的角色，承担着将风能转化为机械能的关键任务。风力涡轮机叶片的制造材料需具备高强度与轻量化的特性，常见的叶片形状为双流线，在某些特殊情形下，也可采用 S 形叶片。然而，在风力发电设备的长期运行过程中，风力涡轮机等部件易受自然环境的侵蚀影响，可能出现腐蚀、开裂等质量问题，故而需要定期开展维护与保养工作。塔架在风力发电设备中起着关键的支撑作用，其高度的设定需参考风力涡轮机的直径以及风资源剪切指数，通常塔架高度处于 70 - 140m 之间。发电机则负责将机械能转换为电能，其容量与风力涡轮机叶片的长度密切相关。随着科技的持续进步以及应用范围的不断拓展，风力发电在我国能源结构中的地位日益凸显，为我国的绿色发展与能源转型奠定了坚实根基。当下，如何安全且经济地降低风力发电系统并网损耗，以及深入探究风力发电系统主动参与电压调节控制的能力，已然成为新能源行业备受关注的热点研究课题之一。

1.2特点

风力涡轮机在风力发电进程中起着核心作用。当风力作用于涡轮机叶片时，叶片开始转动，随着风速的逐步提升，叶片转速持续加快，直至达到稳定转速，此过程成功将风能转化为有效的机械能，而发电机能够将这些机械能进一步转化为电能。实际上，最为基础的风力发电系统仅由风力涡轮机的风扇叶片与发电机这两部分构成。风力涡轮机的叶片在风力驱动下持续旋转，产生机械能，由于叶片与发电机之间存在持续的连接关系，叶片的稳定旋转能够驱动发电机稳定运行，从而使发电机有效地将叶片产生的机械能转换为电能。通过上述方式实现风能向电能的转化，有助于减少对传统能源的依赖，有力促进绿色环保能源的蓬勃发展。

2风力发电并网技术

当前，风力发电领域涵盖了多种技术类型，其中包括模拟技术、电力调度技术、风力发电预测技术以及实验检测技术。仿真技术通过构建风电模型来模拟风电系统的实际运行流程，能够精准地揭示系统运行过程中潜藏的问题，进而及时对风力发电机组接入电网的方案进行优化。电力调度技术是保障电网稳定运行的关键所在，其依靠对风电的精确预测，有效地控制风能对电网产生的不利影响，而时间序列渐进法的应用更是进一步增强了电力调度技术的科学性与实用性。风电预测技术结合多种天气预报模型，通过广泛收集与深入分析风速、风向等数据，精确预测风机的运行状态与输出功率。风电预测技术能够有效克服恶劣天气对功率预测造成的挑战，并借助数字模型深入剖析风电的功率波动规律，从而实现对风能的精准掌控。实验检测技术通过大量的现场实验获取风电并网的关键参数，对这些参数的深入研究有助于评估电网的性能表现，并通过检测并网风电场的电能质量与有功功率调节水平来优化整个系统，确保其稳定可靠运行。

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环节中具有不可忽视的重要性。由于风力具有天然的不稳定性，通常难以维持风力发电能源的稳定供应，风力的大小以及持续时间会直接对风力涡轮机的发电能力产生影响。风力越大且持续时间越长，风力涡轮机的发电能力便会相应增强。然而，尽管风力发电所生产出的电能最终均会整合至电网之中，但其能量输出的不稳定性致使其难以与风力涡轮机实现良好的协同配合。为有效攻克这一难题，风力预测控制技术应运而生，并已在风力发电过程中得到广泛应用。通过精准预测风力状况，对风电系统实施动态灵活的调整，从而显著增强电网的稳定性，提高其整合效率。目前，借助各种先进的技术手段对风力数据进行模拟分析，预测其发展趋势，能够获取更为合理、精确的预测结果。这一预测过程通常可划分为短期和中期两个阶段，短期预测主要聚焦于风电系统涡轮机的实时调整与优化，以确保其在当前风况下能够实现最为高效快速的运行；中期预测则更多地着眼于发电系统辐射范围内的风电整体情况，通过对未来风电状况做出合理判断，为风力发电提供更为稳定可靠的依据。

3.2*大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪控制旨在实现风力涡轮机速度或桨距角的智能精准调节，确保其在不同风速条件下均能处于最佳运行状态，保障输出最大功率。该方法的有效实施依赖于性能卓越的控制系统及算法，这些系统及算法能够实时监测风速以及机组的运行状态，并据此做出相应的灵活调整。当风速较低时，控制系统可通过提高机组的运行速度来充分提取更多的风力资源；当风速较高时，为有效避免对机组造成过度应力或损坏，控制系统可通过调节桨距角来减少风力的捕获量。基于此过程，最大功率点跟踪控制策略不仅能够显著提高风电系统的发电效率，还能够切实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输送有功功率以满足电力需求的同时，还会提供无功功率，这对于提升电网的电压质量具有至关重要的意义。为确保风电并网的无功补偿电压稳定性与电网保持一致，风电场需要配备相应的无功功率补偿设备，并实现精细化的无功电压控制。深入分析各组风电机组接入点的电压调整特性，有功功率控制主要通过精准调整风力涡轮机的输出功率来实现，以确保其与电网的实际需求精准匹配。这涵盖了对机组转速或桨距角的精确控制，以达成最大功率点跟踪目标，必要时还需进行功率限制，以避免对电网产生不良影响。无功功率控制则主要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，可采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，从而有效维持电网电压的稳定状态。

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不断攀升，新能源发电渗透率的提高对电力系统的安全、稳定、灵活经济运行提出了严峻挑战。加强电能质量的监测与控制在风力发电系统中显得尤为关键，通过实时监测并详细记录电压波动和电流谐波等关键参数，能够及时精准地发现并网运行过程中潜在的电能质量问题。这种持续的监测工作不仅能够提供极具价值的数据支撑，还能够更为精确地了解风力涡轮机的运行状态。现代先进技术的应用为风力发电系统的监测与维护工作带来了革命性的变革。风电质量监测主要依赖于性能优异的电能质量监测设备，其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与集中高效处理，进一步提升了监测效率。

4风力发电并网系统的优化策略

4.1评估风能资源

首先，构建风力发电量预测模型，并结合天气预报等相关数据，提前对风力发电量的波动情况进行精准预测。在此基础上，充分利用风电波动特性，结合传统发电设备的灵活性优势，使电力系统在波动过程中依然能够维持平衡稳定状态。此外，引入储能技术亦是一种行之有效的策略。储能技术能够通过储存与释放能量的方式，平稳调节风力发电的波动特性，从而有效降低对电力系统的负面影响。储能技术的应用显著提高了系统的稳定性与可靠性，为电力系统的平衡运行提供了更多的可行选择。智能控制算法可实时监测并灵活调整风力发电设备的输出，从而大幅提升系统的响应速度，提高稳定性。该项技术的应用将进一步提高风力发电的效率与可靠性。

4.2优化机组布局

首先，优化发电机结构设计与磁路设计至关重要。通过引入电磁设计理念，对磁路形状进行优化，降低磁阻与能量损失，从而有效提升发电机的转换效率。这一改进举措为发电机的高效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不容忽视。通过改进电流控制算法与电压调节系统，能够显著提高发电机对外部环境变化的响应速度与稳定性。在增强发电机适应性的同时，进一步提升其运行效率。

此外，适度降低发电机的运行温度也是提高发电速率的有效途径之一。在确保安全的前提下，采用高效的冷却系统与优质的绝缘材料，能够有效减少发电机的热损失，提高热效率。该方法的实施需要综合考量发电机的材料、工艺以及运行环境等多方面因素。最后，定期对发电机进行检查、清洁与润滑是维持其有效运行的重要手段。通过确保发电机处于良好的运行状态，减少机械磨损与电气损耗，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于保障发电机的长期稳定运行具有极为重要的意义。以专业维修人员为主导，设备操作人员密切配合，在日常维护的基础上，进一步对风电设备进行全面深入的保养，能够有效减少或避免突发故障所造成的各类损失。

4.3改善负荷特性

智能电网可借助实时监测与数据分析技术，对负荷变化做出迅速且精准的调整。在用电高峰时段，智能电网通过优化资源配置，有效提升电网的供电能力；在用电低谷时期，则合理利用闲置产能，防止资源浪费现象的发生。风电并网作为一种清洁可再生能源的利用方式，对于改善电网负荷特性具有显著的积极作用。风电并网运行能够大幅减少对传统能源的依赖，有效降低电网的负荷压力。同时，风电发电的随机性与波动性使其能够在一定程度上改善电网负荷的波动状况，从而优化电网的负荷特性，确保电力系统的安全稳定、灵活经济运行。

4.4增强输电能力

电力电子技术作为风力发电转换过程中的核心环节，其应用目标在于将自然风能资源高效转换为稳定、可持续的电能资源。这一转换过程不仅关乎能源的有效利用，还涉及如何安全、高效地实现长距离电力传输，并确保传输过程中的稳定性，最大程度减少能源损耗。为有效应对这一挑战，风电企业正深入开展对高压直流（HVDC）技术的研究。该技术采用高压直流电进行电力传输，不仅能够实现长距离的能量输送，还可显著降低传输过程中的损耗。HVDC 技术的优势在于其对使用环境的要求相对较低，能够确保在各类条件下均能实现高质量、低损耗的电能传输，具有极为广阔的应用前景。风力发电的远距离输电是一项至关重要的研究课题。为实现高效的风力发电并网系统，必须妥善解决长距离输电过程中的诸多问题，降低输电损耗。充分利用电力电子技术，确保风力发电能够快速、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精心研制的本地化能量管理系统，其具备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、历史曲线等丰富功能。其中策略管理支持多种控制策略选择，涵盖计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅能够实现对下级各储能单元的统一监控与管理，还可达成与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接收上级调度指令，又能满足远程监控与运维需求，有力确保储能系统安全、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

总而言之，风力发电在我国属于近年来迅猛发展的可再生资源。其于优化能源结构、削减碳排放以及保障电力供应的稳定性与安全性等多方面，均彰显出极为关键的价值与作用。但不可忽视的是，风力发电行业同样遭遇诸多挑战。风力自身的变幻无常、电能存储的艰难性以及并网环节所存在的各类问题等，皆致使风电的利用率大打折扣，进而难以将风力发电的最大效能充分释放出来。

为有效攻克这些难题，后续在相关技术及领域的深入探究与开发进程中，理应将提升风电预测精准度视作核心要点。借助遥感技术与计算机技术，并融合大数据分析以及人工智能算法，对风能的变动趋向予以更为精确的预估，进而达成风电场运营管理的优化升级，最终为我国电力供应体系的完善以及新能源行业的持久、稳健前行奉献更为卓越的力量，有力推动我国能源事业迈向新的高度与辉煌。

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