風電新能源的并網技術研究

摘要：電力企業在推動風電項目數字化轉型發展的同時，致力于并網技術的創新應用，加強智慧風電生產管理，確定風電最大并網容量，降低電網壓力，實現風電新能源并網預測，加強儲能建設。基于此，對風電新能源并網技術展開研究。綜合分析風電并網運行對電網造成的影響，以解決問題、平抑電網波動為目標，提出風電新能源并網的關鍵技術措施，以期可以促進風電產業的穩定、有序發展，實現新能源的最大化利用。

關鍵詞：風電新能源 并網技術 功率預測 無功補償

Research on Grid Connection Technology of Wind Power New Energy

YANG Yang

Guoneng Shenwan Energy Co.， Ltd.， "Hefei， Anhui Province， 230051 China

Abstract： While promoting the digital transformation and development of wind power projects， power companies are committed to innovative application of grid connection technology， strengthening smart wind power production management， determining the maximum grid connection capacity of wind power， reducing grid pressure， realizing wind power new energy grid connection prediction， and strengthening energy storage construction. Based on this， tThis article conducts research on wind power new energy grid connection technology， comprehensively analyzes the impact of wind power grid connection operation on the power grid， and proposes key technical measures for wind power new energy grid connection with the goal of solving problems and smoothing grid fluctuations， key technical measures for wind power new energy grid connection are proposed，. in order toIt is hoped that this can promote the stable and orderly development of the wind power industry and achieve the maximum utilization of new energy.

Key Words： Wind power， new energy; Grid connectioned technology; Power prediction; Reactive power compensation

近年來，我國以開發利用可再生能源作為電力行業發展方向，大力建設風電新能源項目，把風能轉換為電力能源，同步提高新能源發電比重與降低火力發電比重。然而，風電新能源系統本身存在間歇性、隨機性的特征，并網運行期間面臨一系列難點問題。為提高電網穩定系數，要重視風電新能源并網影響，改善風電并網技術，提高風電新能源的經濟效益與生態效益。

1 風電新能源并網[ 2]"產生的影響

1.1 提高電網調度難度系數

早期電網采取單端電源結構形式，電網結構簡單，發電規模可控，電網調度工作得以順利開展，僅需要根據負荷規模來調整發電規模，即可滿足用戶的用電需求，保證電網平穩運行。然而，隨著風電新能源的接入，電網結構從單端電源轉為多電源結構，并且風電場本身存在出力狀況隨機波動的特性，電氣功率輸出水平取決于風能注入量，風能注入量則取決于當地氣象條件。輸出功率頻繁波動，間接導致電網運行頻率與負荷情況處于波動狀態，這會大幅度提高電網調度的難度系數，很難精準掌握不同時刻的實際發電規模^[1]。

1.2 降低電能質量

風電新能源并網運行活動本身會大幅度降低電網的電能質量。一方面，接入風電新能源，會改變電網潮流分布情況。潮流分布方向、規模發生變化，取決于風電場并網位置與風電容量，向電網注入過多逆向功率，由此引起電力設備失效、電網運行頻率偏移等連鎖反應，嚴重時，還會引起大范圍停電事件。另一方面，風電場輸出功率和電網電壓水平有著密切聯系。在風電機組輸出功率不受控制頻繁波動狀態下，電網電壓水平也會發生變化，這一現象被稱為并網振蕩，最終引發電壓閃絡、諧波干擾等多項問題，導致電網的電能質量下降。

1.3 導致繼電保護失效

風電新能源并網運行期間，風電系統和電網運行狀態都會發生顯著變化，現有繼電保護策略失效。例如：面向電流保護功能，風電并網運行期間，會增加開關短路電流規模，風電容量越大，開關短路電流規模越大，二者呈現正比例關系，如果開關短路電流規模遠遠超出先期設定的保護定值，則會導致繼電保護裝置頻頻展開動作^[2]。同時，風電系統與電網都具備繼電保護系統，兩套繼電保護系統保持獨立運行狀態，互不協同，也可能因保護策略相互沖突而致使繼電保護裝置失效。

2 風電新能源并網[ 3]"中的關鍵技術

2.1 并網方式

并網方式直接決定著風電系統與電網運行穩定程度，可以將電網實際承受的沖擊程度控制在可接受范圍內，基于風電機組類型來選擇恰當的并網方式。例如：對于異步風電機組，可以采取空載并網、獨立負載并網兩種并網方式。空載并網是在并網前保持雙饋發電機組空載運行狀態，定子電流保持在0，同步獲取電網電壓信息，包含電壓頻率、電壓幅值、電壓相位等，基于電壓信息對風電機組實施勵磁調節，并網運行期間，始終保持風電機組定子空載電壓水平、電網電壓水平的一致狀態?？蛰d并網方式具備易于控制、基本不存在沖擊電流的優勢作用，并網期間，風電機組與電網進行柔性連接，盡量以最大功率點跟蹤作為控制策略。獨立負載并網強調在風電機組定子側接入阻性負載，負載兩端電壓水平和電網電壓水平保持一致，再把風電機組接入電網保持運行，可以實現無沖擊并網目標，并網后切除負載，把風電機組定子側功率全部輸送至電網^[3]。如果風電機組所帶電阻負責在并網運行過程同步向本地負載供電，則保持風電機組帶負載運行狀態，優先滿足本地負載供電需求，再把多余能量輸送給電網。獨立負載并網模式下，風電機組本身具備能量調節功能，有助于放寬調速能量要求，但也存在控制系統結構復雜的局限性。

2.2 功率預測

功率預測技術依托氣象數據和數學模型來實現。建立數學分析模型，導入風電機組的歷史運行數據，以歷史數據作為訓練樣本，對數學模型進行長期訓練，用于掌握風電機組輸出功率的客觀變化規律，以及氣象條件、風電輸出功率二者的內在聯系。風電新能源并網運行過程中，向數學模型導入實時氣象數據，預測未來時刻的風電輸出功率，用于評估風電并網對電網造成的沖擊影響，并根據預測結果來優化調整電網調度方案。

2.2.1短時滾動預測

建立滾動預測機制，每隔一段時間，風電控制系統自行預測未來時刻的輸出功率，把預測結果同步反饋給運維人員和電網，確保風電并網運行過程始終處于可控狀態。正常情況下，輸出功率預測頻率保持在4～6 h/次，必要情況下，執行超短期功率預測任務，預測頻率提高到15 min/次。同時，對比驗證預測結果和實際輸出功率，深入探究二者偏差原因，同步調整預測規則、改進預測方法。

2.2.2 儲能聯控

風電機組運行期間，如果面臨強風、無風等特殊天氣，則會導致輸出功率遠超或遠低于標準功率，這無疑會對電網造成劇烈沖擊。為控制風電機組輸出功率的波動幅度，盡可能減輕電網遭受沖擊，需要額外部署儲能裝置，以功率預測報告作為儲能裝置控制依據。預測功率超出標準功率時，儲能裝置執行充電任務；預測功率低于標準功率時，儲能裝置執行放電任務。充放電容量即為預測功率、標準功率的差值^[4]。

2.3 功率控制

目前，在風電新能源項目，多數風電機組為異步發電機，風電并網運行過程中，不斷從電網吸取容性無功進行勵磁調節。根據實際情況來看，異步風電機組所需勵磁電流普遍保持在20%～30%額定電流不等，少數情況下的勵磁電流甚至達到40%額定電流水準。從電網角度來看，若異步風電機組吸收過多容性無功，則會導致電網功率因數下滑，最終加劇電網網損程度。為提高電網穩定系數與降低網損程度，必須應用功率控制技術，以盡量提高功率因數。

2.3.1 有功功率控制

向風電機組下達控制指令，通過把控機組出力狀況來控制風電場有功功率，同步監測功率變化過程，要求實際變化幅度不超出允許控制范圍。如果風電系統出現運行故障，或是電網出現各類緊急事件，則酌情切除風電機組，以繼電保護裝置作為切除機構，通過切除風電機組來快速控制有功功率。正常情況下，以1 min[ 4]"、10 min時刻的有功功率變化幅度作為控制指標，限值要求根據風電場裝機容量來確定。風電場裝機容量不足30 MW時，1 min與10 min有功功率變化限值分別設定為3 MW與10 MW；風電場裝機容量處于30～150 MW區間時，把1 min與10 min有功功率變化限值分別控制在1/10裝機容量和1/3裝機容量；在風電場裝機容量超過150 MW時，把1 min與10 min有功功率變化限值分別設定為15MW和50 MW^[5]。

2.3.2 無功補償

配備電容器組或其他種類的無功補償裝置以分層分區平衡作為無功補償原則，負責向風電并網點、風電場匯集系統、主變壓器和輸電線路提供無功補償，用于補償感性無功損耗和充電無功功率，基于電網結構和輸電線路長度來確定無功容量，補償后的風電場功率因數維持在0.9以上。同時，采取動態無功補償技術，根據風電場并網運行情況，動態調節無功補償規模，確保并網點電壓穩定保持在標準水平。

2.4 低電壓穿越

風電機組在并網環節，可能出現電壓跌落情況，容易引起風電機組脫網事件，同步引發開關間隔電纜絕緣擊穿、三相短路等故障，進而危及電網的安全穩定運行。同時，如果電網聯絡線故障失效，則會致使風電機組電壓陡然降低，造成換流器持續流出大量轉差功率，最終造成換流器損壞、風能轉換系統接地的嚴重后果。因此，對于采取并網運行模式的風電新能源項目，必須應用低電壓穿越技術，保證風電機組并網不會出現脫網解列現象，在規定時間內恢復至正常電壓水準，要求并網點電壓跌至20%額定電壓后仍舊具備短時連續運行能力，并在跌落2 s內迅速恢復至90%以上額定電壓。從實操角度來看，需要部署二次保護回路。以雙饋式風電機組為例，其以換流器作為保護對象，實現過流保護功能，轉子側加裝旁路電阻，確定轉子電流超標后，對換流器電流進行短接處理，以及在直流側接入卸荷電阻，負責降低直流電壓。

2.5 繼電配合保護

繼電配合保護技術強調風電場與電網繼電保護系統相互協作，對現有繼電保護方案進行優化調整，從全局角度出發，結合并網運行情況，統一執行保護策略，從根源上解決保護策略相互沖突問題。例如：在某風電新能源項目并網運行期間，暴露出聯絡線重合閘方式有誤的問題，電網與風電場存在唯一并網聯絡線，聯絡線本身出現瞬時性故障的情況下，重合閘動作出口前切除風電機組，由于風電機組本身缺乏頻率調節與電壓調節能力，也不具備其他電源，實質上并未滿足線路重合閘“檢同期”要求，沒有成功重合。針對此種情況，對現有聯絡線重合閘方案進行優化調整，把重合閘方式變更為“檢母線無壓線路有壓”方式，聯絡線出現瞬時故障后，兩側開關迅速跳閘，系統側重合閘和風電場側重合閘按順序先后成功重合。又如：對于雙回路聯絡線的風電新能源項目，以“檢同期轉檢母線無壓線路有壓”作為重合閘方式，單條線路瞬時性故障時，兩側開關跳閘；另外一條聯絡線未處于并網運行狀態時，則按照單回聯絡線情況進行重合。

3 結語

綜上所述，風電新能源并網是我國電力行業現階段發展重心，創造巨大經濟效益與生態效益的同時，也在技術層面上面臨著全新難題挑戰。電網企業應致力于完善風電新能源并網技術，優選并網方式，組合應用功率預測、功率控制、低電壓穿越、繼電配合保護等技術手段，促進電力行業的快速發展。

參考文獻

[1]李偉敏.風電新能源數字化發展與并網技術探討[J].中國自動識別技術，2024（5）：43-46

[2]旋繼新，馬素紅.風電新能源并網技術研究[J].產業創新研究，2022，（06）：19-21.

[3]仝曉敏.柔性直流輸電技術在風電并網中的應用研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2023.

[4]胡彬.雙饋風電機組并網穩定運行分析及同步控制策略研究[D]. 杭州：浙江大學，2023.

[5]黃建蝦.風電新能源的發展現狀及其并網技術的發展前景[J].中國高新科技，2023（10）：88-90