科普 | 什么是风电并网？

风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球范围内广泛应用。随着对风电的开发和利用，能够有效减少火力发电厂的数量，从而减少对煤炭资源的消耗，促进我国的可持续发展。那么，你知道什么是风电并网吗？它是如何顺利并入电网的？

（资料图：三一重能）

什么是风电并网

风力发电有两种不同的类型：

独立运行的——离网型：

离网型风力发电机指独立于电网运行的风力发电机组，其产生的电能不直接接入电网，而是储存在储能装置（如蓄电池）中，供负载需要时使用。离网型风力发电机的单机容量一般较小，不超过10kW。

主要适用于牧区、林区、通讯基站、气象站、海岛及边防哨所等电网无法有效覆盖的地区。离网型风力发电机具有成本低、应用灵活、维护简便等优点，且能够节省国家用电。

接入电力系统运行的——并网型：

风电并网运行是指将风力发电机组与电网连接，通过发电机发出的电能与电网同步后，将电能输送到电网，以满足电力系统的需求。并网型风力发电机的单机容量一般较大，可以达到兆瓦级。

主要应用于大型风力发电场，可以得到大电网的补偿和支撑，更充分地开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。

（资料图：电气风电）

风电并网的优点

1、建设工期短：风电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风机的运输及安装时间不超过三个月，一个10MW级的风电场建设工期不超过一年，而且安装一台即可投产一台。

2、实际占地面积小，对土地质量要求低：风电场内设备建的筑面积仅约占风电场的1%，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

3、运行管理自动化程度高：可做到无人值守另一方面，风力发电受到其一次能源——风能的限制。

风电并网方法

风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、同步发电机和双馈发电机三种方式。

1、异步发电机并网

①异步发电机直接并网：指当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网，自动并网的信号由铡速装置给出，而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同。

缺点：直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降。适用于异步发电机容量在百千瓦级以下而电网容量较大的情况下。

②异步发电机降压并网：在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度，采取的一种平滑并网技术。

缺点：因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除。

适用于：百千瓦级以上、容量较大的机组，显而易见这种并网方法的经济性较差。

③异步电机的软并网：指在风力发电系统中，为了解决大型异步发电机直接并网时可能产生的大冲击电流问题，而采取的一种平滑并网技术。这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。

优点：这种软并网方连接方式可以省去一个并网自动开关，因而控制回路较为简单，而且避免了有触头自动开关触头弹跳、沾着及磨损等现象，可以保证较高的开关频率。

不足：需选用电流允许值大的高反压双向晶闸管，这是因为双向晶闸管中通过的电流需满足能通过异步发电机的额定电流值，而具有旁路并网自动开关的软并网连接方式中的高反压双向晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满足要求。

（资料图：电气风电）

2、同步发电机组并网：

同步发电机并网是由风力机驱动同步发电机经变频装置与电网并联。

直驱交流永磁同步发电机组的并网是由风力机直接驱动低速交流发电机，通过工作速度快．驱动功率小、导通压降低的IGBT逆变器井网。

3、双馈发电机组并网：

双馈风力发电机并网系统的工作原理基于电磁感应和电力电子变换技术，允许在变速运行状态下，发电机仍能以恒定频率向电网输送电能。

双馈发电机并网系统主要由定子、转子和一套电力电子变流器组成，在运行过程中，风力驱动发电机的叶片转动，带动转子旋转，进而通过齿轮箱增速，使转子以更高的速度旋转。转子通过变流器与电网相连，可以根据需要从电网吸收或向电网馈送电能。

双馈风力发电机组并网可以保证电网运行的稳定性，也可以保证电能供给的质量，这种装置具有结构简单的优点，而且机械部件受外力影响较小，在机组控制时较为灵活，而且运行的效率也较高。

风电并网审批流程

以海上风电项目为例，电网并网是将风电项目选址的电力输配网与国家电网系统进行连接，实现电力的输送和交换。电网并网的审批与接入流程通常由以下几个阶段组成：

1.项目选址阶段：海上风电项目的选址是审批与接入流程的起点。选址阶段需要充分考虑风能资源、水深情况、地理环境以及相关政策和法规的要求。项目方需提交选址方案、环境评估报告等文件，进行评估和审批。

2.并网申请阶段：项目选址确定后，项目方需要向国家能源主管部门提交并网申请。并网申请包括项目概况、技术参数、电网接入方案、风电场规模等内容。申请材料需要详细描述风电场的运行机制、电网接入方式以及可行性分析等信息。

3.电网审查与评估阶段：国家能源主管部门会对并网申请进行审查与评估。审查内容包括风电场的技术可行性、电网接入能力、对国家电网运行的影响等。国家能源主管部门可能会与项目方进行几轮的技术沟通与治谈，以确保项目的可行性和安全性。

4.并网协议谈判阶段：在电网审查与评估通过后，项目方和国家电网运营商需进行并网协议的谈判。谈判内容包括电网接入条件、输电线路建设、电力购售价格等。双方需达成一致并签订正式的合同。

5.施工建设阶段：项目方根据并网协议开始进行风电场的施工建设。施工建设包括风机安装、电缆敷设、变电站建设等。在施工过程中，需遵守相关环保和安全法规，并与国家电网运营商密切合作，确保工程进展顺利。

6.并网调试与验收阶段：风电场建设完成后，需要进行并网调试和验收。调试过程包括并网运行试验、电力负荷平衡等。一旦调试通过并顺利接入国家电网系统，项目方才能正式开始发电和运营。

风电并网输电流程

1.风力发电站建设：在选定的风资源丰富区域建设风力发电站，安装风力发电机及相关配套设施。选址时需综合考虑风速、地形、环境影响等因素，确保风电场能够高效运作。

2.电力生产：风力发电机通过叶片捕获风能，带动发电机运转，从而产生电能。发电机将机械能转换为电能，形成交流电。

（资料图：中船海装）

3.升压：由于风力发电站输出的电压较低（通常为690V或1100V），为了减少传输过程中的损耗，需要通过升压变压器将电压升高至适合远距离传输的水平（如35kV、110kV甚至更高）。

4.输电：升压后的电能通过输电线路输送至电网接入点。输电线路可能是架空线或地下电缆，根据实际情况选择。

5.并网点：在电网接入点，风电场的电力将与主电网相连，这一过程需要满足电网的技术标准和调度要求。并网点处通常设有变电站，负责电力的接入和分配。

6.监控与调度：并网后，风电场的运行状态将受到电力调度中心的实时监控，以确保电力系统的稳定运行。调度中心通过智能电网技术，对风电场的发电量进行预测和调控，保证供需平衡。

7.配电：最终，风电通过配电网分配给终端用户，满足生产和生活的用电需求。配电网络负责将高压电转换为适合家庭和企业使用的低压电。

风电并网关键技术

并网型风力发电机需要满足电网的接入要求，包括电压、频率、相位等参数与电网一致。为了确保风电平稳并入电网，需要依赖一系列先进的技术手段：

1.智能电网技术：利用物联网、大数据、云计算等技术，实现对风电场的智能化管理和调度。智能电网技术能够实时监测电力系统的运行状态，及时发现并处理异常情况，提高系统的可靠性。

2.储能技术：通过电池储能系统、抽水蓄能电站等技术，平滑风电输出的波动，提高电力系统的稳定性。储能系统可以在风力充足时储存多余的电能，在风力不足时释放出来，保证电力供应的连续性。

3.预测技术：通过对风速、风向等气象参数的精确预测，提前做好发电计划，确保供需平衡。这不仅有助于提高风电的利用率，还能减少对传统化石能源的依赖。

4.电网调度技术：电力调度中心通过先进的调度算法，合理安排风电和其他电源的发电计划，确保电力系统的稳定运行。调度技术还需要考虑到电网的安全性和经济性。

5.逆变器技术：风力发电机产生的交流电需要通过逆变器转换为适合电网频率和相位的电能，逆变器技术的进步使得这一转换过程更加高效和稳定。

（资料图：金风科技）

海上风电并网技术：

海上风电场典型并网技术方案主要有高压交流输电（HVAC）系统、常规直流输电（LCC-HVDC）系统、柔性直流输电（VSC-HVDC）系统、分频输电（FFTS）系统。

高压交流输电系统：技术成熟、经济性好、应用广泛，但高压交流电缆充电无功问题会制约线路输送的容量和距离，且需配置无功补偿设备。

常规直流输电系统：需要安装滤波装置、无功补偿设备，增大了海上升压平台的施工量和复杂度，至今并无海上风电送出的实际应用。

柔性直流输电系统：采用全控型器件来避免换相失败问题，可实现有功和无功功率的解耦控制，提高故障穿越能力。

风电并网对电力系统的影响

在进行风电并网的时候，还存在一些较为常见的问题，往往会对电力系统造成一些影响，导致电网不能正常运行。

1、对电网系统的冲击

异步电动机是最常采用的发电装置，而这种异步电动机中没有配备独立的电磁装置，所以只能在电网系统的帮助下完成对磁场的建立。在直接进行风电机组并网的情况下，很可能会产生很大的电压冲击，从而形成冲击电流。

这种冲击电流直接与电网系统电压相关，在风电场的容量和规模较小的时候，冲击电流并不会对电网系统的正常运行造成影响。但在风电场的规模和电厂容量不断增加的情况下，并网时产生的冲击电流将会对电网的争产运行造成很大的影响，其中主要是会导致电网的电压骤降，从而影响电网系统的安全和稳定。

2、影响电压稳定性

对电力系统而言，影响电网系统电压稳定性的关键因素是无功功率。而在并网的过程中风电场会通过吸收电网的无功功率来建立自身需要的磁场。

在风电机组的转速很快的情况下，无功功率的吸收会逐渐增大。而在机组转速不断下降的时候，对无功功率的吸收将会不断减小。通过综合分析可以发现，出现这种情况的根本原因是受到风力自身的特性影响，由于其波动性很强，所以会对直接对电网的电压稳定性造成影响。

3、对电能质量的影响

对于风电场而言，其无功功率的输出存在很大的波动性，这样就会直接对电网系统的电压稳定性和电能质量造成影响。

①在风电场对电网系统瞬时冲击降低的情况下，需要采取软启动的方式，并加强对相关设备的管理，而在晶闸管出现故障的时候很可能会导致次谐波的产生。

②在风电场并网的瞬间，如果电流出现持续的变化，会导致换流器的运行负荷不断增加，导致大量谐波的产生，这样就会让风电场吸收的无功功率不断增加，导致电网的电压不断降低。

4、对继电保护装置的影响

电力分配系统是我国传统电网采用的主要系统，这样能够让产生的电能借助电力系统被传输到各个负荷，从而保证电能的单向传输。但是在完成风电并网之后，传统的单向电能传输方式将被改变，取而代之的将是双向传输。

为了防止风电机组在投入运营后损坏自身的设备，对整个电网的稳定和安全造成影响，要让风电机组的电动机保持正常运转，并对系统进行减负处理。

当并入电网系统的风电场规模较大的时候，就需要重新对电网系统的短路电流的大小进行评估，并且要对短路容量进行检测。这样能够保证断路器在并网后仍然能够承受短路容量，避免在出现短路电流的时候无从解决。