风电外送电力系统暂态稳定性分析及提升策略

风电外送电力系统暂态稳定性分析及提升策略

宋秋雨

摘要：随着这些技术的快速发展和应用扩展，其系统的性能和可靠性分析显得尤为重要，性能和可靠性不仅直接关系到能源的有效利用率和系统的经济性，也是保障能源供应安全和稳定的关键因素。因此加强对光伏和风力发电系统进行标准化的性能和可靠性分析，不仅可以为系统设计、运营维护提供科学依据，还能为行业标准的制定和改进提供参考。

关键词：风电外送；电力系统；稳定性

引言

在新能源发电控制系统中，风能是主要可持续利用资源，基于风能的发电系统，在运行稳定、故障预测过程中对于提升风能利用率，保障能源可持续供应等都具有积极意义。最近几年，随着风能发电技术研发能力的提高，风能发电系统机组规模、技术复杂程度越来越高，因此对系统运行稳定和安全提出更高要求。鉴于此，对风能发电系统运行稳定性及故障预测进行研究，对推动风能发电系统高效运转，实现可持续发展具有重要参考价值。

1风力发电的原理及特点

1.1原理

风能是一种可再生能源，具有无限潜力和广泛分布的特点，而风力发电是利用风能驱动风力发电机组转动，进而驱动发电机产生电能的过程，其具有无污染、可再生、运行成本低等许多优点。然而，风力发电也存在一些缺点，如建设周期长、占用大量土地、噪声污染等。

1.2特点

风力发电的特点包括以下几个方面：一是随机性。风速的变化是随机的，因此风力发电的输出功率也是不稳定的，具有很大的随机性。二是间歇性。由于风的不连续性，风力发电在短时间内可能会突然停止，导致电网的供电量突然减少。三是清洁、可持续。风能是一种可再生能源，没有污染，符合环保要求。四是分布广泛。风能资源在全球范围内广泛分布，不受地域限制。五是建设周期短。相对于火电、水电等传统能源项目，风力发电项目的建设周期相对较短。六是运营成本低。风力发电的运行成本相对较低，维护成本也相对较少。

2风能发电系统的稳定性问题

2.1风能量的不稳定性及其影响

作为全球重要的可再生能源，风能具有清洁性、可再生性，并得到全球发电系统研发人员的高度关注。但风能发电系统的稳定与安全是制约其大规模应用的瓶颈。依据国际能源署（IEA）的相关调研数据显示，在风能发电系统中，导致发电作业不稳定的主要原因是风速的快速波动，直接影响了发电机组的持续稳定运行，阻碍发电效率的提高。例如在国际上某风能发电厂中，依据相关数据分析，风速在短周期内可从3m/s变化到12m/s，导致发电量短时间内波动超过200%。此种不稳定性变化，要求风能发电系统中的下行电网有足够的调节能力来平衡供需，否则可能引起频率和电压的不稳定，甚至导致局部电网处于崩溃状态。

2.2发电系统的失效原因

在风能发电系统中，主要包含风力涡轮机、传动装置、发电控制系统等组件，其中任何一个装置结构发生稳定性失效，都会导致整个发电机组停机，影响发电效率，延迟发电周期。据相关研究数据统计，风力发电机组故障率可控制在0.5%～1%。从故障原因看，主要是由于部分元件结构发生故障，加上设备老化、日常维护不当等原因导致的。例如，针对德国风力发电机组的研究发现，由于载荷的长期变化，会导致机组内部的齿轮箱出现严重磨耗，进而导致发电系统的发电效率下降，甚至导致系统处于完全停机状态。除此之外，发电机组各个组成部件的结构设计、整体工作流程等都会导致系统失效，例如在早期风电机组叶片结构在受到极端天气环境的影响时，容易发生断裂，此类失效现象不仅会减少风能发电量，同时增加后期维护成本，对周边环境造成不利因素。

3风力发电系统提升策略

3.1监测与诊断技术应用

标准化的监测和诊断技术主要包括振动分析、声发射检测、热成像技术及电气系统的检测,通过振动分析可以监测风机的机械部件（如轴承和齿轮箱）的状态，及时发现异常振动，预测潜在的故障。声发射检测技术则用于捕捉风机结构中的微小裂纹或断裂，对于早期诊断结构性问题有着很大帮助。而热成像技术可以检测风机组件中的过热问题，帮助维护团队识别电气故障或摩擦引起的热点，电气系统检测则关注于电气连接和绝缘的完整性，确保发电效率和安全。

3.2设计和材料创新

在风力发电系统中，设计和材料创新是提升性能与可靠性、降低成本的关键途径，首要策略之一是采用先进的叶片设计,通过计算流体动力学模拟（CFD）来优化叶片形状，减少阻力并提高升力，从而获得更高的能量捕获率。而现代风机叶片大多使用复合材料制造，如碳纤维增强塑料（CFRP），这些材料既轻又坚固，但仍然存在提升空间，可开发更高性能的复合材料，比如通过纳米技术增强的复合材料，进一步提高叶片的强度和耐久性，同时降低重量。除了叶片设计和材料，风力发电机组的整体结构设计同样在不断创新之中，可采用模块化设计简化装配过程，减少运输和安装成本。

3.3提升制造质量和精度

大型风力发电机械系统的可靠性显著依赖于制造阶段的精度及质量控制，这就要求在整个制造过程中，从零部件的加工和生产到最终的装配环节，都必须严格地遵循质量标准和管理流程，同样还要对整个制造过程进行质量监控。以发电机制造为例，需要确保电线绕组的匝间绝缘质量，以及在真空压力浇注过程中要满足各项技术要求，同时也要确保磁场线密度在1.2T范围内，这样才能达到发电效率的最优化。同样，在风力发电机机组的装配过程中，针对关键零部件的装配工艺进行持续优化和改进具有至关重要的意义，不仅有助于减少可能发生的故障，还可以降低零部件的磨损。例如，在齿轮箱的安装过程中，保证轴承的圆度和齿轮的齿面接触率尽可能高，达到或超过95％，从而显著提高齿轮箱本身的可靠性。

3.4优化维修计划

优化维修计划是一种对设备执行定期检查和替换的策略，其目的在于延长设备寿命并提高运行效率。为实现这一目标，应对大型风力发电机械系统的关键部件（如轴承、齿轮箱和刹车系统等）制定包含预防性维修、计划停机维修和紧急维修等多层次维修方案。维修周期性指南的制定可借助统计韦布尔分布等数学模型预测潜在故障设备，从而有针对性地安排相应的维修与保养计划，例如，轴承的更换周期可保持在2～3年，齿轮箱油的更换周期则保持在1000～1500运行小时。同时，在维修过程中，严格执行验收标准，如对齿轮箱油的清洁度要求SHA值达到NAS1638等级6以下，以确保维修后设备的运行质量。

结束语

风力发电作为一种清洁、可持续的能源在全球范围内得到了广泛关注和大力推广。然而，风力发电的随机性和间歇性特点给电网带来了诸多影响，包括电压波动、频率不稳、谐波污染等问题给电网的安全稳定运行构成威胁。因此需要采取相应的应对策略和技术措施来降低这些影响，同时还需要加强管理和技术创新，促进多元化能源发展，以提高电网的稳定性和可靠性。在全球能源转型的大背景下推动可再生能源的可持续发展。总之，实现风力发电与电网运行协调发展，电源企业和电网企业要深入分析当前风电发展技术瓶颈与政策原因，把握风电发展的技术特点和政策导向，努力解决风力发电对电网调度、电能质量和电网安全稳定性的影响，确保风力发电企业和电网企业利益的最大化。

参考文献

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