風(fēng)電與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，核心在于克服風(fēng)電的間歇性、波動性和部分不可預(yù)測性，確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時，電能傳輸過程涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，以確保風(fēng)電高效、可靠地并入大電網(wǎng)并輸送到用戶側(cè)。
以下是風(fēng)電與電網(wǎng)協(xié)調(diào)的關(guān)鍵方面及電能傳輸過程中的技術(shù)要點(diǎn)解析：
一、 風(fēng)電與電網(wǎng)協(xié)調(diào)的核心挑戰(zhàn)與策略
風(fēng)電特性帶來的挑戰(zhàn):
- 間歇性： 風(fēng)速變化導(dǎo)致發(fā)電功率波動，甚至可能短時間內(nèi)從滿發(fā)到零。
- 波動性： 分鐘級、小時級的功率波動對電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)構(gòu)成壓力。
- 部分不可預(yù)測性： 盡管預(yù)測技術(shù)不斷進(jìn)步，但風(fēng)速和功率預(yù)測仍存在一定誤差。
- 低慣性/弱電網(wǎng)支撐能力： 傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)慣性，能抵抗頻率突變。而風(fēng)電通過電力電子變流器并網(wǎng)，自身慣性貢獻(xiàn)很小（除非采用虛擬慣量控制），在電網(wǎng)擾動時可能加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定。
- 地理位置集中： 風(fēng)資源豐富地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需要大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電。
協(xié)調(diào)策略與技術(shù):
- 精確預(yù)測：
- 技術(shù)要點(diǎn)： 利用數(shù)值天氣預(yù)報、氣象站數(shù)據(jù)、風(fēng)電場歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，進(jìn)行超短期（分鐘-小時級）、短期（小時-天級）和中長期（天-周級）的風(fēng)速和風(fēng)電功率預(yù)測。
- 作用： 為電網(wǎng)調(diào)度提供依據(jù)，提前安排常規(guī)機(jī)組啟停、備用容量和輸電計劃，減少不確定性影響。
- 并網(wǎng)規(guī)范與技術(shù)要求：
- 技術(shù)要點(diǎn)： 各國電網(wǎng)運(yùn)營商制定嚴(yán)格的并網(wǎng)規(guī)范，要求風(fēng)電場具備：
- 低電壓穿越能力： 電網(wǎng)電壓瞬間跌落時，風(fēng)電場不能立即脫網(wǎng)，需保持并網(wǎng)運(yùn)行并向電網(wǎng)提供無功功率支持，幫助電壓恢復(fù)。
- 高電壓穿越能力： 電網(wǎng)電壓異常升高時，風(fēng)電場需保持并網(wǎng)并限制輸出功率。
- 有功功率控制： 能夠根據(jù)調(diào)度指令調(diào)節(jié)有功出力（限功率運(yùn)行、自動發(fā)電控制AGC參與）。
- 無功功率/電壓控制： 能夠調(diào)節(jié)無功輸出，維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定（自動電壓控制AVC參與）。
- 頻率響應(yīng)能力：
- 一次調(diào)頻： 檢測電網(wǎng)頻率下降時，自動增加有功出力（需預(yù)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(fā)電機(jī)的慣性響應(yīng)，在頻率變化初期快速釋放或吸收功率。
- 作用： 確保風(fēng)電場在電網(wǎng)故障或波動時成為“友好型電源”，主動支撐電網(wǎng)穩(wěn)定，而非被動脫網(wǎng)加劇問題。
- 靈活資源與系統(tǒng)調(diào)節(jié)：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 靈活調(diào)節(jié)電源： 利用燃?xì)廨啓C(jī)、抽水蓄能、具有深度調(diào)節(jié)能力的水電、具備快速爬坡能力的火電（改造后）等作為調(diào)峰、調(diào)頻備用。
- 儲能系統(tǒng)： 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(fēng)電波動、提供調(diào)頻服務(wù)、削峰填谷。
- 需求側(cè)響應(yīng)： 激勵用戶在高風(fēng)電出力/低電價時段增加用電，或在低風(fēng)電出力/高電價時段減少用電。
- 跨區(qū)域互聯(lián)： 通過大電網(wǎng)互聯(lián)，在更大范圍內(nèi)消納和平衡風(fēng)電出力（如“西電東送”）。
- 作用： 提供足夠的靈活性和調(diào)節(jié)能力，彌補(bǔ)風(fēng)電波動性和不可預(yù)測性帶來的功率不平衡。
- 電網(wǎng)規(guī)劃與升級：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 加強(qiáng)風(fēng)電場集中地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)（增加輸電線路、變電站容量）。
- 建設(shè)特高壓等遠(yuǎn)距離、大容量輸電通道，將風(fēng)電從資源區(qū)輸送到負(fù)荷中心。
- 應(yīng)用柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化潮流分布。
- 作用： 提供足夠的物理傳輸通道，避免棄風(fēng)限電。
- 先進(jìn)的調(diào)度與市場機(jī)制：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 采用更短周期的電力調(diào)度（如5分鐘、15分鐘），更快響應(yīng)風(fēng)電變化。
- 建立完善的電力市場（包括電能量市場、輔助服務(wù)市場、容量市場），通過價格信號激勵風(fēng)電場提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)，激勵其他靈活性資源參與調(diào)節(jié)。
- 作用： 優(yōu)化資源配置，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。
二、 電能傳輸過程中的技術(shù)要點(diǎn)解析（從風(fēng)電場到用戶）
風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部發(fā)電與轉(zhuǎn)換：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 風(fēng)力捕獲與機(jī)械能轉(zhuǎn)換： 葉片空氣動力學(xué)設(shè)計，變槳距控制優(yōu)化不同風(fēng)速下的功率捕獲。
- 發(fā)電機(jī)類型：
- 雙饋異步發(fā)電機(jī)： 轉(zhuǎn)子通過部分功率變流器接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行和部分功率控制。成本較低，但低電壓穿越能力相對復(fù)雜。
- 永磁同步發(fā)電機(jī)： 通常配備全功率變流器。變速范圍寬，控制靈活，電網(wǎng)適應(yīng)性和故障穿越能力強(qiáng)，成本相對較高。
- 變流器技術(shù)： 核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)：
- 將發(fā)電機(jī)發(fā)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?yōu)榕c電網(wǎng)同步的、頻率和電壓穩(wěn)定的交流電。
- 實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的獨(dú)立精確控制（實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)規(guī)范要求的功能）。
- 實(shí)現(xiàn)低/高電壓穿越、虛擬慣量等高級控制功能。
- 濾波： 變流器開關(guān)過程會產(chǎn)生諧波，需配置濾波裝置（如LCL濾波器）滿足電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
風(fēng)電場內(nèi)部集電：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 將多臺風(fēng)機(jī)的輸出通過中壓電纜匯集到風(fēng)電場升壓站。
- 需要考慮集電線路的損耗、電壓降、保護(hù)配置。
- 風(fēng)電場內(nèi)部SCADA系統(tǒng)監(jiān)控每臺風(fēng)機(jī)狀態(tài)和輸出。
升壓與并網(wǎng)：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 升壓變壓器： 將風(fēng)電場集電系統(tǒng)的中壓升壓至電網(wǎng)接入所需的高壓或超高壓等級（如35kV -> 220kV/500kV）。
- 并網(wǎng)點(diǎn)： 風(fēng)電場與公用電網(wǎng)的連接點(diǎn)。
- 并網(wǎng)開關(guān)設(shè)備： 斷路器、隔離開關(guān)等，用于并網(wǎng)、解列操作和保護(hù)。
- 風(fēng)電場級控制系統(tǒng)：
- 接收電網(wǎng)調(diào)度指令（有功/無功設(shè)定值、功率因數(shù)、電壓設(shè)定值等）。
- 協(xié)調(diào)場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的有功/無功輸出，實(shí)現(xiàn)場站級的功率控制、電壓控制、頻率響應(yīng)。
- 實(shí)現(xiàn)低/高電壓穿越等保護(hù)控制策略。
- 無功補(bǔ)償裝置： 通常配置動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，如SVC或SVG，提供快速、連續(xù)的無功調(diào)節(jié)能力，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。
高壓/特高壓輸電：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 輸電線路： 高壓架空線路或電纜，需要考慮載流量、熱穩(wěn)定極限、電壓等級、電暈損耗、線路阻抗。
- 無功補(bǔ)償與電壓控制：
- 線路本身會產(chǎn)生無功（電容效應(yīng)），長距離輸電需要在線路中間或末端加裝并聯(lián)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(yīng)），重載時可能導(dǎo)致電壓跌落，需要加裝并聯(lián)電容器或SVC/SVG提供無功支撐。
- 系統(tǒng)穩(wěn)定性： 遠(yuǎn)距離大容量輸電需關(guān)注功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定問題。
- 特高壓技術(shù)： 特高壓交流/直流輸電具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低的優(yōu)勢，是解決大型風(fēng)電基地外送的關(guān)鍵技術(shù)。
電網(wǎng)調(diào)度與保護(hù)：
- 技術(shù)要點(diǎn)：
- 能量管理系統(tǒng)： 基于風(fēng)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，優(yōu)化調(diào)度所有電源（包括風(fēng)電），確保實(shí)時功率平衡和頻率穩(wěn)定。
- 自動發(fā)電控制： 調(diào)整可控電源出力，跟蹤負(fù)荷變化和風(fēng)電波動，維持系統(tǒng)頻率。
- 繼電保護(hù)： 快速、可靠地檢測和隔離電網(wǎng)故障（短路、接地等），保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)安全。風(fēng)電接入改變了短路電流水平和特性，需要調(diào)整保護(hù)定值或采用適應(yīng)性保護(hù)方案。
- 廣域測量系統(tǒng)： 基于PMU的廣域測量系統(tǒng)提供高精度同步相量數(shù)據(jù)，增強(qiáng)對電網(wǎng)動態(tài)過程的監(jiān)控能力，有利于含高比例風(fēng)電電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。
配電與用戶側(cè)：
- 高壓電經(jīng)過區(qū)域變電站逐級降壓，通過配電網(wǎng)輸送到最終用戶。
總結(jié)
風(fēng)電與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)是一個多維度、多層次的系統(tǒng)工程，涉及預(yù)測、并網(wǎng)技術(shù)、靈活資源、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)度策略和市場機(jī)制等多個方面。其目標(biāo)是最大程度地利用清潔的風(fēng)能資源，同時確保整個電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
電能傳輸過程中的技術(shù)要點(diǎn)則貫穿于風(fēng)能捕獲、機(jī)電轉(zhuǎn)換、電力電子變換、電壓提升、匯集傳輸、電網(wǎng)接入、系統(tǒng)調(diào)度、遠(yuǎn)距離輸送、電壓控制、系統(tǒng)保護(hù)等各個環(huán)節(jié)。變流器技術(shù)、低/高電壓穿越能力、無功電壓控制、頻率支撐能力、預(yù)測精度、靈活調(diào)節(jié)資源和強(qiáng)大的輸電網(wǎng)絡(luò)是解決風(fēng)電并網(wǎng)和傳輸挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)支柱。這些技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和應(yīng)用是推動風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)。
