風電與電網的協調是一個復雜的系統工程，核心在于克服風電的間歇性、波動性和部分不可預測性，確保電網安全、穩定、可靠和經濟運行。同時，電能傳輸過程涉及多項關鍵技術，以確保風電高效、可靠地并入大電網并輸送到用戶側。
以下是風電與電網協調的關鍵方面及電能傳輸過程中的技術要點解析：
一、 風電與電網協調的核心挑戰與策略
風電特性帶來的挑戰:
- 間歇性： 風速變化導致發電功率波動，甚至可能短時間內從滿發到零。
- 波動性： 分鐘級、小時級的功率波動對電網頻率和電壓調節構成壓力。
- 部分不可預測性： 盡管預測技術不斷進步，但風速和功率預測仍存在一定誤差。
- 低慣性/弱電網支撐能力： 傳統同步發電機具有旋轉慣性，能抵抗頻率突變。而風電通過電力電子變流器并網，自身慣性貢獻很小（除非采用虛擬慣量控制），在電網擾動時可能加劇系統不穩定。
- 地理位置集中： 風資源豐富地區往往遠離負荷中心，需要大規模遠距離輸電。
協調策略與技術:
- 精確預測：
- 技術要點： 利用數值天氣預報、氣象站數據、風電場歷史運行數據和機器學習算法，進行超短期（分鐘-小時級）、短期（小時-天級）和中長期（天-周級）的風速和風電功率預測。
- 作用： 為電網調度提供依據，提前安排常規機組啟停、備用容量和輸電計劃，減少不確定性影響。
- 并網規范與技術要求：
- 技術要點： 各國電網運營商制定嚴格的并網規范，要求風電場具備：
- 低電壓穿越能力： 電網電壓瞬間跌落時，風電場不能立即脫網，需保持并網運行并向電網提供無功功率支持，幫助電壓恢復。
- 高電壓穿越能力： 電網電壓異常升高時，風電場需保持并網并限制輸出功率。
- 有功功率控制： 能夠根據調度指令調節有功出力（限功率運行、自動發電控制AGC參與）。
- 無功功率/電壓控制： 能夠調節無功輸出，維持并網點電壓穩定（自動電壓控制AVC參與）。
- 頻率響應能力：
- 一次調頻： 檢測電網頻率下降時，自動增加有功出力（需預留備用容量）。
- 虛擬慣量控制： 通過變流器控制算法模擬同步發電機的慣性響應，在頻率變化初期快速釋放或吸收功率。
- 作用： 確保風電場在電網故障或波動時成為“友好型電源”，主動支撐電網穩定，而非被動脫網加劇問題。
- 靈活資源與系統調節：
- 技術要點：
- 靈活調節電源： 利用燃氣輪機、抽水蓄能、具有深度調節能力的水電、具備快速爬坡能力的火電（改造后）等作為調峰、調頻備用。
- 儲能系統： 電池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等，可快速吸收/釋放功率，平抑風電波動、提供調頻服務、削峰填谷。
- 需求側響應： 激勵用戶在高風電出力/低電價時段增加用電，或在低風電出力/高電價時段減少用電。
- 跨區域互聯： 通過大電網互聯，在更大范圍內消納和平衡風電出力（如“西電東送”）。
- 作用： 提供足夠的靈活性和調節能力，彌補風電波動性和不可預測性帶來的功率不平衡。
- 電網規劃與升級：
- 技術要點：
- 加強風電場集中地區的電網結構（增加輸電線路、變電站容量）。
- 建設特高壓等遠距離、大容量輸電通道，將風電從資源區輸送到負荷中心。
- 應用柔性交流輸電系統設備優化潮流分布。
- 作用： 提供足夠的物理傳輸通道，避免棄風限電。
- 先進的調度與市場機制：
- 技術要點：
- 采用更短周期的電力調度（如5分鐘、15分鐘），更快響應風電變化。
- 建立完善的電力市場（包括電能量市場、輔助服務市場、容量市場），通過價格信號激勵風電場提供調頻、備用等輔助服務，激勵其他靈活性資源參與調節。
- 作用： 優化資源配置，提高系統運行效率和經濟性。
二、 電能傳輸過程中的技術要點解析（從風電場到用戶）
風電機組內部發電與轉換：
- 技術要點：
- 風力捕獲與機械能轉換： 葉片空氣動力學設計，變槳距控制優化不同風速下的功率捕獲。
- 發電機類型：
- 雙饋異步發電機： 轉子通過部分功率變流器接入電網，實現變速運行和部分功率控制。成本較低，但低電壓穿越能力相對復雜。
- 永磁同步發電機： 通常配備全功率變流器。變速范圍寬，控制靈活，電網適應性和故障穿越能力強，成本相對較高。
- 變流器技術： 核心設備，實現：
- 將發電機發出的頻率、電壓變化不定的交流電整流為直流電。
- 將直流電逆變為與電網同步的、頻率和電壓穩定的交流電。
- 實現有功功率、無功功率的獨立精確控制（實現并網規范要求的功能）。
- 實現低/高電壓穿越、虛擬慣量等高級控制功能。
- 濾波： 變流器開關過程會產生諧波，需配置濾波裝置（如LCL濾波器）滿足電網諧波標準。
風電場內部集電：
- 技術要點：
- 將多臺風機的輸出通過中壓電纜匯集到風電場升壓站。
- 需要考慮集電線路的損耗、電壓降、保護配置。
- 風電場內部SCADA系統監控每臺風機狀態和輸出。
升壓與并網：
- 技術要點：
- 升壓變壓器： 將風電場集電系統的中壓升壓至電網接入所需的高壓或超高壓等級（如35kV -> 220kV/500kV）。
- 并網點： 風電場與公用電網的連接點。
- 并網開關設備： 斷路器、隔離開關等，用于并網、解列操作和保護。
- 風電場級控制系統：
- 接收電網調度指令（有功/無功設定值、功率因數、電壓設定值等）。
- 協調場內所有風機的有功/無功輸出，實現場站級的功率控制、電壓控制、頻率響應。
- 實現低/高電壓穿越等保護控制策略。
- 無功補償裝置： 通常配置動態無功補償裝置，如SVC或SVG，提供快速、連續的無功調節能力，支撐并網點電壓穩定。
高壓/特高壓輸電：
- 技術要點：
- 輸電線路： 高壓架空線路或電纜，需要考慮載流量、熱穩定極限、電壓等級、電暈損耗、線路阻抗。
- 無功補償與電壓控制：
- 線路本身會產生無功（電容效應），長距離輸電需要在線路中間或末端加裝并聯電抗器吸收多余無功，防止電壓過高。
- 線路消耗無功（電感效應），重載時可能導致電壓跌落，需要加裝并聯電容器或SVC/SVG提供無功支撐。
- 系統穩定性： 遠距離大容量輸電需關注功角穩定、電壓穩定問題。
- 特高壓技術： 特高壓交流/直流輸電具有輸送容量大、距離遠、損耗低的優勢，是解決大型風電基地外送的關鍵技術。
電網調度與保護：
- 技術要點：
- 能量管理系統： 基于風電預測和負荷預測，優化調度所有電源（包括風電），確保實時功率平衡和頻率穩定。
- 自動發電控制： 調整可控電源出力，跟蹤負荷變化和風電波動，維持系統頻率。
- 繼電保護： 快速、可靠地檢測和隔離電網故障（短路、接地等），保護設備和系統安全。風電接入改變了短路電流水平和特性，需要調整保護定值或采用適應性保護方案。
- 廣域測量系統： 基于PMU的廣域測量系統提供高精度同步相量數據，增強對電網動態過程的監控能力，有利于含高比例風電電網的穩定控制。
配電與用戶側：
- 高壓電經過區域變電站逐級降壓，通過配電網輸送到最終用戶。
總結
風電與電網的協調是一個多維度、多層次的系統工程，涉及預測、并網技術、靈活資源、電網結構、調度策略和市場機制等多個方面。其目標是最大程度地利用清潔的風能資源，同時確保整個電力系統的安全性、穩定性、可靠性和經濟性。
電能傳輸過程中的技術要點則貫穿于風能捕獲、機電轉換、電力電子變換、電壓提升、匯集傳輸、電網接入、系統調度、遠距離輸送、電壓控制、系統保護等各個環節。變流器技術、低/高電壓穿越能力、無功電壓控制、頻率支撐能力、預測精度、靈活調節資源和強大的輸電網絡是解決風電并網和傳輸挑戰的關鍵技術支柱。這些技術的持續進步和應用是推動風電大規模發展的基礎。
