风电与电网的协调是一个复杂的系统工程，核心在于克服风电的间歇性、波动性和部分不可预测性，确保电网安全、稳定、可靠和经济运行。同时，电能传输过程涉及多项关键技术，以确保风电高效、可靠地并入大电网并输送到用户侧。
以下是风电与电网协调的关键方面及电能传输过程中的技术要点解析：
一、 风电与电网协调的核心挑战与策略
风电特性带来的挑战:
- 间歇性： 风速变化导致发电功率波动，甚至可能短时间内从满发到零。
- 波动性： 分钟级、小时级的功率波动对电网频率和电压调节构成压力。
- 部分不可预测性： 尽管预测技术不断进步，但风速和功率预测仍存在一定误差。
- 低惯性/弱电网支撑能力： 传统同步发电机具有旋转惯性，能抵抗频率突变。而风电通过电力电子变流器并网，自身惯性贡献很小（除非采用虚拟惯量控制），在电网扰动时可能加剧系统不稳定。
- 地理位置集中： 风资源丰富地区往往远离负荷中心，需要大规模远距离输电。
协调策略与技术:
- 精确预测：
- 技术要点： 利用数值天气预报、气象站数据、风电场历史运行数据和机器学习算法，进行超短期（分钟-小时级）、短期（小时-天级）和中长期（天-周级）的风速和风电功率预测。
- 作用： 为电网调度提供依据，提前安排常规机组启停、备用容量和输电计划，减少不确定性影响。
- 并网规范与技术要求：
- 技术要点： 各国电网运营商制定严格的并网规范，要求风电场具备：
- 低电压穿越能力： 电网电压瞬间跌落时，风电场不能立即脱网，需保持并网运行并向电网提供无功功率支持，帮助电压恢复。
- 高电压穿越能力： 电网电压异常升高时，风电场需保持并网并限制输出功率。
- 有功功率控制： 能够根据调度指令调节有功出力（限功率运行、自动发电控制AGC参与）。
- 无功功率/电压控制： 能够调节无功输出，维持并网点电压稳定（自动电压控制AVC参与）。
- 频率响应能力：
- 一次调频： 检测电网频率下降时，自动增加有功出力（需预留备用容量）。
- 虚拟惯量控制： 通过变流器控制算法模拟同步发电机的惯性响应，在频率变化初期快速释放或吸收功率。
- 作用： 确保风电场在电网故障或波动时成为“友好型电源”，主动支撑电网稳定，而非被动脱网加剧问题。
- 灵活资源与系统调节：
- 技术要点：
- 灵活调节电源： 利用燃气轮机、抽水蓄能、具有深度调节能力的水电、具备快速爬坡能力的火电（改造后）等作为调峰、调频备用。
- 储能系统： 电池储能、飞轮储能、压缩空气储能等，可快速吸收/释放功率，平抑风电波动、提供调频服务、削峰填谷。
- 需求侧响应： 激励用户在高风电出力/低电价时段增加用电，或在低风电出力/高电价时段减少用电。
- 跨区域互联： 通过大电网互联，在更大范围内消纳和平衡风电出力（如“西电东送”）。
- 作用： 提供足够的灵活性和调节能力，弥补风电波动性和不可预测性带来的功率不平衡。
- 电网规划与升级：
- 技术要点：
- 加强风电场集中地区的电网结构（增加输电线路、变电站容量）。
- 建设特高压等远距离、大容量输电通道，将风电从资源区输送到负荷中心。
- 应用柔性交流输电系统设备优化潮流分布。
- 作用： 提供足够的物理传输通道，避免弃风限电。
- 先进的调度与市场机制：
- 技术要点：
- 采用更短周期的电力调度（如5分钟、15分钟），更快响应风电变化。
- 建立完善的电力市场（包括电能量市场、辅助服务市场、容量市场），通过价格信号激励风电场提供调频、备用等辅助服务，激励其他灵活性资源参与调节。
- 作用： 优化资源配置，提高系统运行效率和经济性。
二、 电能传输过程中的技术要点解析（从风电场到用户）
风电机组内部发电与转换：
- 技术要点：
- 风力捕获与机械能转换： 叶片空气动力学设计，变桨距控制优化不同风速下的功率捕获。
- 发电机类型：
- 双馈异步发电机： 转子通过部分功率变流器接入电网，实现变速运行和部分功率控制。成本较低，但低电压穿越能力相对复杂。
- 永磁同步发电机： 通常配备全功率变流器。变速范围宽，控制灵活，电网适应性和故障穿越能力强，成本相对较高。
- 变流器技术： 核心设备，实现：
- 将发电机发出的频率、电压变化不定的交流电整流为直流电。
- 将直流电逆变为与电网同步的、频率和电压稳定的交流电。
- 实现有功功率、无功功率的独立精确控制（实现并网规范要求的功能）。
- 实现低/高电压穿越、虚拟惯量等高级控制功能。
- 滤波： 变流器开关过程会产生谐波，需配置滤波装置（如LCL滤波器）满足电网谐波标准。
风电场内部集电：
- 技术要点：
- 将多台风机的输出通过中压电缆汇集到风电场升压站。
- 需要考虑集电线路的损耗、电压降、保护配置。
- 风电场内部SCADA系统监控每台风机状态和输出。
升压与并网：
- 技术要点：
- 升压变压器： 将风电场集电系统的中压升压至电网接入所需的高压或超高压等级（如35kV -> 220kV/500kV）。
- 并网点： 风电场与公用电网的连接点。
- 并网开关设备： 断路器、隔离开关等，用于并网、解列操作和保护。
- 风电场级控制系统：
- 接收电网调度指令（有功/无功设定值、功率因数、电压设定值等）。
- 协调场内所有风机的有功/无功输出，实现场站级的功率控制、电压控制、频率响应。
- 实现低/高电压穿越等保护控制策略。
- 无功补偿装置： 通常配置动态无功补偿装置，如SVC或SVG，提供快速、连续的无功调节能力，支撑并网点电压稳定。
高压/特高压输电：
- 技术要点：
- 输电线路： 高压架空线路或电缆，需要考虑载流量、热稳定极限、电压等级、电晕损耗、线路阻抗。
- 无功补偿与电压控制：
- 线路本身会产生无功（电容效应），长距离输电需要在线路中间或末端加装并联电抗器吸收多余无功，防止电压过高。
- 线路消耗无功（电感效应），重载时可能导致电压跌落，需要加装并联电容器或SVC/SVG提供无功支撑。
- 系统稳定性： 远距离大容量输电需关注功角稳定、电压稳定问题。
- 特高压技术： 特高压交流/直流输电具有输送容量大、距离远、损耗低的优势，是解决大型风电基地外送的关键技术。
电网调度与保护：
- 技术要点：
- 能量管理系统： 基于风电预测和负荷预测，优化调度所有电源（包括风电），确保实时功率平衡和频率稳定。
- 自动发电控制： 调整可控电源出力，跟踪负荷变化和风电波动，维持系统频率。
- 继电保护： 快速、可靠地检测和隔离电网故障（短路、接地等），保护设备和系统安全。风电接入改变了短路电流水平和特性，需要调整保护定值或采用适应性保护方案。
- 广域测量系统： 基于PMU的广域测量系统提供高精度同步相量数据，增强对电网动态过程的监控能力，有利于含高比例风电电网的稳定控制。
配电与用户侧：
- 高压电经过区域变电站逐级降压，通过配电网输送到最终用户。
总结
风电与电网的协调是一个多维度、多层次的系统工程，涉及预测、并网技术、灵活资源、电网结构、调度策略和市场机制等多个方面。其目标是最大程度地利用清洁的风能资源，同时确保整个电力系统的安全性、稳定性、可靠性和经济性。
电能传输过程中的技术要点则贯穿于风能捕获、机电转换、电力电子变换、电压提升、汇集传输、电网接入、系统调度、远距离输送、电压控制、系统保护等各个环节。变流器技术、低/高电压穿越能力、无功电压控制、频率支撑能力、预测精度、灵活调节资源和强大的输电网络是解决风电并网和传输挑战的关键技术支柱。这些技术的持续进步和应用是推动风电大规模发展的基础。
