风力发电并网控制系统分析
摘要：风电工程在我国逐渐兴起，以其清洁、可持续等特性颇受人们青睐。但风力发电易受环境影响而产生波动，由此带来的风电并网问题也必需得到重视。本文介绍了一种普适性的发电并网控制系统，提供了一种以微网技术为基础的并网控制策略和方式，从环保性与经济性的角度分析了该风电系统的应用范围，并揭示了风电并网控制领域未来的研究方向。
0 引言
以风电为主的新能源发电系统在我国已投入使用，且近年来风电场的数量在不断增加。中国新能源装机比重逐年上升，截至2013年底，全国风电并网容量为77.16GW，2013年全国风电和光伏发电量达140TW·h，相当于一个中等发达省份的用电量。根据国家可再生能源发展规划，到2020年全国风电装机容量将达到200GW，届时中国的能源结构将发生重大改变，因此必须提前开展相关研究以支撑新能源的大规模发展。
风电等新能源发电受所处环境影响较大，故其所发电力幅值、频率及相位等特征的变化较传统发电系统更大。当新能源并网的发电量较小时，这种不稳定性对整个电网带来的影响较小，并网时产生的波动可看作负荷预测误差；但当新能源并网的发电量达到一定程度时，其将对整个电网产生影响，如：增大电网调峰、调频的压力；增加电网运行方式安排以及备用容量配置的难度；影响电网的供电质量；影响系统安全稳定性。此时，基于传统发电的确定性调度管理方式已不再适用，且目前新能源发电调度受政策影响较大，故需针对新能源运行特点及政策要求，运用的调度技术支持手段，建立新的并网控制系统，使电网运行能充分适应大规模新能源发电的特性，提高电力系统新能源利用率。[1]
1 新能源发电并网控制系统框图分析
图1 新能源发电并网控制系统框图
如上图所示，新能源发电并网系统的控制分为电网和新能源场站两个部分。电网部分将新能源场站作为一个整体进行管理；而场站部分以整体形式参与电网调度，对场内风电机组及其他设备进行局部管理，通过两方面协调配合以支撑新能源调度。
在新能源场站部分，新能源调度技术支持系统通过建设智能监控平台，实现对场内所有设备的统一管理，以支持新能源调度。其主要内容包括：风电机组和风资源监测、功率预测、有功控制和无功控制。场站部分通过优化各模块功能，成为符合并网技术标准的友好型场站，为全网新能源调度提供支撑。电网部分则从全网角度出发，建立主站新能源调度技术支持应用，并与常规能源调度技术支持应用进行协调，辅助全网安全稳定运行。新能源调度技术支持应用内容又可以分为两个部分：其一是实时运行部分，包括风电机组和风资源监测、全网功率预测、新能源调度计划、新能源实时运行风险评估；其二是评价分析部分，包括弃风统计、优先调度评价、数据分析。[2]
2 系统的特点及能量控制方式
2.1 系统的特点
新能源控制系统的建设目的是保证新能源发电效率更高且能协助电网安全稳定运行。同时它也是电网调度的一部分，其目的是对波动性强、场站数量众多的新能源进行精细化管理，为电网调度提供技术支撑。为了保证电网安全稳定运行、促进新能源并网运行规范化管理，新能源调度应能够实时监测场功率和变化趋势，预测风电发电功率，在此基础上制定合理的风电场发电计划，并通过对风电场的并网运行特性进行评价，以加强对场站的管理，协调优化新能源与常规电源的调度，支撑全系统安全稳定运行，提高系统新能源利用率，即新能源调度应包含新能源实时监测、预测、调度计划与控制、辅助决策等方面的内容。[3]
2.2 系统的能量控制方式
2.2.1使用微网技术进行控制
微网可以对新能源发电在并网的过程中所带来的负面问题进行有效的协调控制，使得分布式电源在并网的过程中不过给电网带来的干扰得到了降低。在典型的微网结构中，主要存在着分布式微源、负荷、电能转换设备及储能装置所组成的一套系统，其可以对能源进行灵活的处理。对于微网电源来说，其存在着多种能源形式，像风能发电、太阳能发电都可以成为其能源形式。微网中存在着主要负荷及次要负荷两种形似，前一种是对电能的质量及可靠性都要求比较高，后一种对电能的质量及可靠性要求就比较低了。微网中的分布式电源可以直接的来将产生的电力进行并网。它不仅可以对本地进行供电，还可以将剩余的电力并人到电网之中。
在对微网的控制过程中，因为其含有许多个微电源，这些种类各异的微电源，所存在的各种特征都是不一样的，但是在电力系统中，所需要的能量是要求平衡的，因此在微网工作过程中，怎样的来使得电力系统都保持一种稳定的状态，以便于使得微网对电网的冲击做到减小，这都是我们在工作过程中需要进行考虑的问题。需要在微网工作的过程中，会各种部件之间存在的问题进行协调与控制。
2.2.2 对于微网的能量管理
在整个微网当中，其核心组成部分就是高级能量管理，它能够根据市场对于能源的需要来进行相关的控制，其可以对分布式设备及负荷的灵活调度来使得整个系统得到最优化的工作。在微网的使用过程中，其能够自由的与电网之间进行能量的交换，并且其可以在特殊情况发生的时候，能够对非关键的负荷做到牺牲或者是延迟，来使得其能够对需求进行响应，为电力负荷提供一些保障。[4]
3 系统的环保性分析
风电工程对环境的影响有利有弊。
首先，风能是清洁的可再生能源，安全、可再生、可循环使用、具备规模化发展且高性价比。充分利用风能可减少常规石化能源的消耗，符合国家能源发展战略和世界能源发展方向。且风电场向大气排放的污染物为零，实现固体、气体零排放，对保护大气环境有积极作用，尤其对改善目前的雾霾天气有积极的作用。风电场相比燃煤电厂可节省大量淡水资源，减少水环境污染，特别是对淡水资源匮乏的沿海及干旱地区更为重要。
而风电工程对环境的破坏主要在以下几个方面：一是噪声污染，其主要来源于风机组设备的运转。二是电磁辐射，其在电气设备在运行时产生，辐射源包括发电机、电动机、输电线路、变电所等。三是安装、检修风电机组时所形成的油污染，产生的主要原因是风电机组在吊装、调试及日常检修中不规范就会造成漏油、滴油、油布乱扔等现象，对植被、土壤形成污染。四是对植被和水土流失的影响：风电场在建设道路、机组基础、线塔基础及线路施工时对土壤及植被造成损坏，恢复不及时易造成水土流失等。五是风电场建设对鸟类的影响：主要是对候鸟夜间迁徙造成的危害。
因此，风电作为可再生能源，对环境最大利益就是替代传统的化石能源，减少发电造成的不可逆污染。相比之下，其不利影响基本都是可以控制或避免的。下面将逐步针对社会上重点关注的不利影响进行剖析。[5]
4 系统的经济性分析
