調(diào)頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用及對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析

馮江波

摘要：作為現(xiàn)代社會(huì)電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的重要技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電逐漸受到了社會(huì)的關(guān)注，并對(duì)之不停地加以改革和系統(tǒng)化，期待實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于傳統(tǒng)電源發(fā)電的頻率調(diào)節(jié)等功能。當(dāng)前，風(fēng)電技術(shù)作為一種新型清潔能源技術(shù)被運(yùn)用于電力系統(tǒng)中，受到了人們的普遍關(guān)注?；诖耍F(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)所帶來(lái)的影響以及調(diào)頻技術(shù)有效應(yīng)用進(jìn)行深入分析，使該領(lǐng)域得到更長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻技術(shù);風(fēng)力發(fā)電;電力系統(tǒng);影響

1風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響

1.1慣性響應(yīng)與一次調(diào)頻能力出現(xiàn)下滑趨勢(shì)

隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的大力建設(shè)與發(fā)展，也必然會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的停運(yùn)。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行觀(guān)察可知其主要分為兩種類(lèi)型：一是雙饋型風(fēng)機(jī);二是直驅(qū)型風(fēng)機(jī)。兩者的工作原理基本相類(lèi)似，即借助電力變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的有效控制，從而與電網(wǎng)所提供的能量相協(xié)調(diào)。此外，為了確保風(fēng)能得以最大限度地利用，風(fēng)電機(jī)組通常都在最大功率點(diǎn)處進(jìn)行有效工作，若系統(tǒng)處于低頻狀況運(yùn)行時(shí)，則需進(jìn)行調(diào)頻處理。要使電力系統(tǒng)得以安全、有序運(yùn)行，引入跳頻技術(shù)則顯得尤為重要，這樣可避免風(fēng)電系統(tǒng)頻率的變化所帶來(lái)的波動(dòng)現(xiàn)象。

1.2備用容量需求的上升

只有當(dāng)實(shí)際發(fā)電量與用電需求基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀況才是確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障，更是保證供電服務(wù)質(zhì)量的首要因素。但是考慮到風(fēng)力發(fā)電會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)輸出效率的穩(wěn)定性造成不同程度的影響，因此需安裝一種備用容量來(lái)有效解決上述現(xiàn)象。但是風(fēng)力系統(tǒng)的可變性較大，一些突發(fā)因素就會(huì)對(duì)其造成不良影響，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控與準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，為了解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員通過(guò)深入研究后采取擴(kuò)大備用容量的方式加以處理。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，若風(fēng)電滲透率為10%時(shí)，需提高2%的備用容量。從中也能看出風(fēng)力發(fā)電技術(shù)要想得以高效率應(yīng)用，需要結(jié)合組備用容量的之處，但這無(wú)疑會(huì)加大資金地投入，因此在使用中應(yīng)綜合權(quán)衡。

2風(fēng)力發(fā)電中的調(diào)頻技術(shù)

2.1轉(zhuǎn)子慣性控制技術(shù)

當(dāng)前社會(huì)下的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)有了較好地發(fā)展，而它的發(fā)電機(jī)型主要有定速型和變速型兩種。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多數(shù)都采用了鼠籠式發(fā)電機(jī)，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠主動(dòng)為整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供必要的慣性支持，但是在另一方面，它的容量十分的小，而且在頻率調(diào)節(jié)的過(guò)程中起不到任何作用。在兩種風(fēng)機(jī)當(dāng)中，一般采用率較高的是變速型風(fēng)電機(jī)，它具有很好的電力電子變流器控制功能，導(dǎo)致其機(jī)型波動(dòng)范圍一般較大。另外，由于它具有變速性質(zhì)，在發(fā)電系統(tǒng)中操控起來(lái)也就自然顯得方便靈活。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)并不是那么出彩，目前的風(fēng)電能源一般會(huì)選擇最大風(fēng)能捕獲以及控制的裝置，在這樣的狀況下，風(fēng)機(jī)只能運(yùn)行于最大功率周?chē)瑹o(wú)法采用調(diào)頻的相關(guān)技術(shù)，更加無(wú)法有效合理的操控，也沒(méi)有備用的容量，造成了很大的缺陷。盡管變速型風(fēng)機(jī)具有很多缺陷和不足，但它本身可以進(jìn)行良好的控制操縱，只要在控制目標(biāo)以及策略上進(jìn)行一定的調(diào)整完善，就可以充分的使發(fā)電機(jī)組適應(yīng)系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，并作出相應(yīng)的反應(yīng)，也就實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)節(jié)功能。現(xiàn)如今的風(fēng)力發(fā)電并不是非常的發(fā)達(dá)，所以在技術(shù)上還有很多不過(guò)關(guān)，在風(fēng)力的選擇上也較為苛刻，只能選擇最大的風(fēng)能捕獲，這樣發(fā)電機(jī)會(huì)一直維持在最大功率周?chē)?，不能采用調(diào)頻技術(shù)，所以就無(wú)法實(shí)行精準(zhǔn)操作控制，就會(huì)有很大的缺陷。雖然設(shè)備還不是特別完美，但是其本身可以進(jìn)行控制，只要在其基礎(chǔ)上稍微完善系統(tǒng)，就能使電機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)，完全適應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的頻率變化，這就可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)功能，綜合慣量控制方法的方法如圖1所示。

2.2變槳控制技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)轱L(fēng)力的大小不同而使用調(diào)頻技術(shù)，在風(fēng)力較大的地區(qū)會(huì)采用變槳控制的方式來(lái)適應(yīng)風(fēng)力。具體操作中首先要對(duì)槳距角進(jìn)行精準(zhǔn)的操控，改變槳葉與風(fēng)的角度和整體輸入能量的大小，最好將其控制在最大功率以下，這樣就會(huì)留出容量備用，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的控制。在風(fēng)力較為緩和的環(huán)境下，應(yīng)當(dāng)將槳距角調(diào)大，這樣備用功率也會(huì)增大。變槳技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電十分重要，因?yàn)槠渚哂辛己玫牟倏匦?，可適用范圍非常廣，可以適用所有風(fēng)速。但是它也有不好的一面，因?yàn)闃?gòu)造為機(jī)械組成，所以反應(yīng)較慢，而且不宜經(jīng)?；顒?dòng)，不然會(huì)出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)行受阻，甚至有可能癱瘓，風(fēng)機(jī)的槳距角控制特性曲線(xiàn)如圖2所示。雖然變槳技術(shù)有明顯的弊端，但是在額定的風(fēng)力下使用顯然還是利大于弊，盡管會(huì)產(chǎn)生一定的維護(hù)費(fèi)用，但是收益明顯大于支出的。

2.3轉(zhuǎn)子超速控制

相對(duì)于轉(zhuǎn)子的慣性控制而言，轉(zhuǎn)子的超速控制可以更有效且全面地對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的速度進(jìn)行合理控制，也就可以使風(fēng)機(jī)不再處于最大功率的點(diǎn)上，從而保留一部分的功率備用，并且可以將其用于頻率調(diào)節(jié)當(dāng)中。轉(zhuǎn)子超速控制的技術(shù)目前主要包括對(duì)控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式的改善，比如在現(xiàn)有的雙饋風(fēng)機(jī)使用中，轉(zhuǎn)子超速控制的使用須在額定風(fēng)速以下，同時(shí)轉(zhuǎn)子超速控制可以有效增加輔助的頻率控制。當(dāng)風(fēng)機(jī)的頻率下降時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)跟隨下降，這樣不僅可以通過(guò)部分動(dòng)能的釋放來(lái)調(diào)整提高頻率反應(yīng)變化能力，同時(shí)也可以大大增加整體機(jī)組的發(fā)電功率，在其中，也就實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)節(jié)的功能。雖然轉(zhuǎn)子超速控制具有以上的優(yōu)點(diǎn)，但它在頻率調(diào)節(jié)的過(guò)程中，存在著控制和操縱上的盲區(qū)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到甚至即將超過(guò)額定的數(shù)值后，機(jī)組會(huì)主動(dòng)地通過(guò)對(duì)槳距角的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高對(duì)功率已經(jīng)失去了主要的提升作用，因此，轉(zhuǎn)子超速控制的運(yùn)行僅限于額定風(fēng)速以下。變速風(fēng)機(jī)超速控制見(jiàn)圖3所示。

3儲(chǔ)能參與風(fēng)電調(diào)頻

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是非常重要的存在，它就像是后勤人員，時(shí)刻保障著整個(gè)機(jī)組正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，它的主要功能就是儲(chǔ)備能源，而且儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性，對(duì)于系統(tǒng)的指令可以在短時(shí)間內(nèi)分析并作出正確的反應(yīng)，而且它還非常的穩(wěn)定，在調(diào)節(jié)頻率的過(guò)程中同樣也扮演了非常重要的角色。當(dāng)使用得當(dāng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)非常大的收益，但是如果使用不當(dāng)，就會(huì)造成一定程度上的損失，例如成本過(guò)高導(dǎo)致利益降低，或是質(zhì)量不合格導(dǎo)致儲(chǔ)備容量達(dá)不到要求等，這些問(wèn)題都會(huì)或多或少的影響風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，所以在實(shí)際工作中，工作人員也在積極研發(fā)解決問(wèn)題的辦法，最終發(fā)現(xiàn)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子控制相結(jié)合可以有效避免上述情況的發(fā)生。比如在轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中，由于其具有很強(qiáng)的靈活性，所以會(huì)在第一時(shí)間對(duì)系統(tǒng)頻率的變化做出反應(yīng)和調(diào)整，盡可能保證儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存更多的能量，從而產(chǎn)生更多的利益，這對(duì)成本的控制也有著非常大的影響。再如在變槳控制中，在系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的一段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以持續(xù)發(fā)揮作用，在沒(méi)有其他因素的干擾下就可以將運(yùn)行成本降低。從大局角度出發(fā)，不難看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的重要性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行也有著至關(guān)重要的作用，應(yīng)該有效合理的利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，才可以得到更大收益。

4結(jié)論

綜上所述，隨著風(fēng)電技術(shù)地日益成熟，可為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供一定的保障。通過(guò)在風(fēng)力發(fā)電中引入調(diào)頻技術(shù)，有效解決了風(fēng)機(jī)運(yùn)行中不穩(wěn)定等不良現(xiàn)象，提高其使用效率，然而由于我國(guó)在風(fēng)電技術(shù)方面的研究還較為有限，對(duì)其地成功運(yùn)用還有待進(jìn)一步探究，因此技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)電力技術(shù)地相關(guān)優(yōu)勢(shì)，不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)，提高風(fēng)電技術(shù)地使用效率。

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