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摘要：风力发电是一项综合性的高科技技术，牵涉电力工程、控制技术、结构力学、材料科学及气象学等多学科与跨领域学门。由于风力机组大型化的趋势导致制造技术难度不断提高，因此许多基础研究必须深入探讨。本文详细阐述了风力发电并网技术的应用。
关键词：并网;瓶颈;风力发电
中图分类号：TB857文献标识码： A 文章编号：
引言
风电的应用前景广泛，是我国未来着力发展的三大能源之一．随着风电在电网中所占比例的增大，风电并网所带来的对电网的影响也将不断增大，若不能抑制并网时产生的不利影响，将给未来我国的风电规划和建设带来极大危害．机遇与挑战并存，若能解决大规模风电并网带来的问题，提出合理有效的技术方案，确保大规模风电并网后电力系统运行的安全性与稳定性，则将有利于我国未来能源战略的完成。
一、世界风力发电技术发展特点
伴随着风力发电技术在世界各国不断的发展，其发展趋势有以下几大特点：（1）总装置容量大幅度成长。（2）发电机单机容量不断扩大，做为提高风能利用率与发电效益的有效途径。例如发电机单机容量从1997年的500~750kW主流机型发展至目前3.6MW机组的大量安装。（3）离岸式风场逐步商业化。由于海上风场具有风速高、风力稳定等优点，因此可以有效利用风力发电机组的发电容量。2002年丹麦在HornsRev海域建置16万kW的世界上最大的海上风电场，展开隔离式风场的世纪。（4）风力发电成本不断降低。虽然风力发电建设投资成
本较高，但是营运成本低。
二、我国风力发电及并网发展情况
相关数据表明，2010年，中国风电累积装机容量达到4182.7万kW，超过美国成为世界第一装机大国。但同时，风电的发电量只有500亿千瓦时，仍低于美国，并网容量也只有吊装容量的30%左右，远低于国际水平，严重影响了风电效率和效益水平的提高。中国的风电行业的发展速度十分迅猛，几乎是用5年的时间实现了欧美发达国家近30年的发展进程，在产业不断进步市场規模快速发展的同时，其面临的挑战和问题也是明显的。首先是中国风电装备的质量水平，包括设备完好率、发电能力等还有待提高，其次并网容量与吊装容量的差别，与国际先进水平相比还有较大差距。如何从装机大国转变成为风电利用大国，成为了中国目前面临的最大问题。而风电并网又是解决这个问题的重中之重。
首先，风电发展的速度超乎所有人的预期，而电网建设却是按照常规进行，这使得依据国家风电发展规划进行的电网建设难以满足风电快速发展的需求。风电与电网两者在规划和建设方面存在着严重的脱节正是目前风电并网瓶颈的成因。
其次，风电作为一种间歇性电源，稳定性存在着先天的不足，而这一特性也是电网对风电缺乏兴趣的最主要原因。虽然可再生能源法要求电网全额收购可再生能源发电电量，2008年颁布的《十一五可再生能源发展规划》中也明确要求电网企业要在2015年和2020年接收1%和3%的可再生能源发电，但是这些规定至今没有落到实处，即使电网没有接入可再生能源也并没有得到惩罚。
更深层次来说，欧美近30年的风电事业发展是建立在较成熟的自由电力市场的基础之上的，充分利用了市场机制和行政措施两种手段来解决风电发展中的各种问题。而我国的电力市场发展尚不成熟，市场优化资源配置、技术开发、利益分配和微观均衡等基本功还十分欠缺。
三、并网型风电系统的结构
1、CSCF风电系统
该系统目前还在MW级以下的风电机组采用，常用异步或同步两种发电机。优点是结构简单、成本低、过载能力强、运行可靠性高；并网控制系统比较简单；同步发电机既能输出有功功率，还能提供无功功率和电压支撑能力，输出的电能质量高，因此，同步发电机取代异步发电机是风电系统的技术趋势。缺点：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；风电系统直接与电网相耦合，风电特性会直接对电网产生影响，若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题；若采用异步发电机，需要无功电源的支持，还需动态无功补偿，并网时冲击电流较大；若采用同步发电机，由于风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，特别是当重载情况下并网，若不进行有效控制，会发生严重的无功振荡和失步问题。因此，CSCF系统很少采用同步发电机。
2、VSCF风电系统
优点：根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风力机等机械装置的机械应力；通过对最佳转速的跟踪，在可发电的较大风速范围内均可获得最佳功率输出；风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的波动变化减小；通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力；实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风电系统与电网之间的相互影响，并网冲击电流小；若采用双馈异步发电机，则变频器容量仅约为发电机容量的30%，降低了变换器的损耗、造价和体积；若采用同步发电机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。
缺点：整体结构复杂、成本高、技术难度大；需配备变频器，控制回路多，控制复杂，维护难；若采用同步发电机，则转速较低，极对数较多，且需配备全功率变频器，成本较高，损耗大；若采用双馈异步发电机，要求变频器具有低电压穿越等并网运行能力，控制复杂，投入大。
四、几种常用的并网方式
1、直接并网方式
此法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当异步发电机转速接近同步转速的90%-100%时即可自动并入电网。自动并网的信号由测速装置给出，空气开关自动合闸完成并网。
2、准同期并网方式
此法在转速接近同步速时，先通过电容进行励磁建立额定电压，然后对发电机的电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机与电网两者电压的幅值、频率、相位一致时，将发电机投入电网并网运行。
3、降压并网方式
此法在发电机与电网之间串联电阻、电抗器或者自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。在发电机稳定运行时，需将接入的电阻等元件迅速从电路中切除，以免消耗功率。
4、捕捉式准同步快速并网方式
它是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。这种方法可不丢失同期机，并网工作准确、快速可靠，既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度要求不高，又能很好地解决并网冲击与造价的矛盾。非常适合于风力发电机组的准同步并网操作。但是，这种方法控制复杂，对转速有一定的要求。
5、晶闸管软并网方式
此法是近年来发展起来的先进并网方式，它在异步发电机的定子和电网之间每相串入一个双向晶闸管，通过调节晶闸管使导通角逐渐增大来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程。正常运行时，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流不再经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。并网后应立即在发电机端并入无功补偿装置，将发电机的功率因数提高到0.95以上。
6、双馈异步发电机组并网
双馈异步电机的转子通过变频器采用交流励磁，电机和电网之间构成“柔性连接”，可根据电网电压、电流与发电机转速，通过控制机侧变换器来调节发电机转子励磁电流，从而精确地控制发电机定子电压，使其满足并网条件，因而可在变速条件下实现并网。整个并网调节过程完全由转子变频器实现，不需要外加任何硬件装置，调节精度高，并网冲击小。
7、同步发电机的并网技术
由于异步发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节其功率因数为1；异步发电机要靠增加转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩，调速范围更宽，承受转矩扰动能力更强，响应更快。因此，同步发电机正逐步取代异步发电机。同步发电机的并网方式有准同步、自同步和变频器并网3种方式，其中前2种、最后1种分别属于CSCF、VSCF风电并网方式。
五、大规模风电并网对电网稳定性的影响
1、对电网稳定性的影响
风电场一般在电网的末端接入，而风电场的大规模异步风力发电机组向电网注入功率时也从系统吸收大量的无功功率，同时风电场出力的随机性造成了接入点的潮流是双向流动的，这在原有的电网设计和建造时是未曾考虑的．随着风电场注入电网的功率的加大，当地电网的电压和联络线功率会超出额定范围，严重时会导致电网崩溃。
2、对电网频率的影响
风电并网容量越大，其功率特性对电网频率造成的影响也越大．由于风电机组投切频繁，使风电场接入系统的潮流处于一个双向流动的过程，这在一定程度上影响了系统的频率，严重时可能导致整个风电场突然切除，使得瞬间电源和负荷失衡，引起电网频率的降低。
六、大规模风电并网稳定性研究
1、配备充足的无功补偿容量．在风电场并网运行过程中，异步风力发电机需要从电网吸收无功功率来提供其建立磁场所需的励磁电流，因此要保证风力发电系统的稳定运行，为其配备充足的无功补偿容量是最主要的措施．目前，一般采用机端并联电容、静止无功发生器(SVG)、静止无功补偿装置(SVC)以及静止同步补偿器(STATCOM)等来补偿风力发电机的无功功率
2、提高风电机组低压穿越能力．风电机组的低压穿越能力
风电机组在电网公共连接点电压跌落时保持并网状态，并向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压，从而穿越低电压区域的能力
3、储能技术的应用．在电力系统引入大容量储能装置，不仅可以有效减小风电对系统的冲击和影响，提高风电出力与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，还可降低电力系统的备用容量需求，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。
七、风力发电并网技术建议
据了解，风能较难实现并网的原因在于它是一种“劣质”电能。所谓“劣质”，是指风能固有的随机性、间歇性特征决定了其属于能量密度低、稳定差、调节能力差的电能，发电量受天气及地域的影响较大，若直接将其全部电力并网，会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质量造成不利影响。
为了解决这一瓶颈问题，国内现在采用的方案主要有两个，一是通过风火电混送并网；二是使用抽水蓄能，将不稳定的风电转化为水能，再用水能发电。但这两种方案在实际运作中均有弊端或障碍。上海市工商联副主席段祺华表示，正是基于上述原因，最近几年日本、美国、欧洲及中东地区国家正在大力推广和应用先进的大容量电池储能技术，并将该技术配套于风能等可再生能源的并网，例如墨西哥和美国南加州正在建设中的总规模为1600万千瓦的风电场已经开始配套100万千瓦钠硫电池储能系统。大容量电池储能系统没有污染、零碳排放，使用它与风电等可再生能源发电装置联合运行，对其进行稳定干预，可使随即变化输出的风电转化为稳定输出的电能，从而实现风能的大规模并网发电。“因此，为风电等可再生能源配装合适的大容量电池储能系统是解决我国目前风能发电无法并网的瓶颈问题的最有效途径。”段祺华认为。正是因为大容量电池储能系统对我国风能等可再生能源实现并网有着十分重要的作用，目前我国也正在积极研发各种先进的电池储能技术(如钠硫电池、液流电池、锂电池等)。
结束语
为了大力发展风力发电，首先必须进行基础性的观测试验研究，在收集、整理各地风速及风向数据的基础上建立风能数据库。此外，应利用所量测的风速，建立数学模型进行风场数值模拟以及风力预测，以期对风能资源进行更精确合理的评估。在发电机与控制系統的设计上，更是发展风能相当重要的关键技术。
参考文献
［1］苏晓．2011年全球风电发展统计［J］．风能，2012(4):34－37．
［2］李俊峰．中国风电发展报告2012［R］．北京:中国环境科学出版社，2012．
关键词：并网;瓶颈;风力发电
中图分类号：TB857文献标识码： A 文章编号：
引言
风电的应用前景广泛，是我国未来着力发展的三大能源之一．随着风电在电网中所占比例的增大，风电并网所带来的对电网的影响也将不断增大，若不能抑制并网时产生的不利影响，将给未来我国的风电规划和建设带来极大危害．机遇与挑战并存，若能解决大规模风电并网带来的问题，提出合理有效的技术方案，确保大规模风电并网后电力系统运行的安全性与稳定性，则将有利于我国未来能源战略的完成。
一、世界风力发电技术发展特点
伴随着风力发电技术在世界各国不断的发展，其发展趋势有以下几大特点：（1）总装置容量大幅度成长。（2）发电机单机容量不断扩大，做为提高风能利用率与发电效益的有效途径。例如发电机单机容量从1997年的500~750kW主流机型发展至目前3.6MW机组的大量安装。（3）离岸式风场逐步商业化。由于海上风场具有风速高、风力稳定等优点，因此可以有效利用风力发电机组的发电容量。2002年丹麦在HornsRev海域建置16万kW的世界上最大的海上风电场，展开隔离式风场的世纪。（4）风力发电成本不断降低。虽然风力发电建设投资成
本较高，但是营运成本低。
二、我国风力发电及并网发展情况
相关数据表明，2010年，中国风电累积装机容量达到4182.7万kW，超过美国成为世界第一装机大国。但同时，风电的发电量只有500亿千瓦时，仍低于美国，并网容量也只有吊装容量的30%左右，远低于国际水平，严重影响了风电效率和效益水平的提高。中国的风电行业的发展速度十分迅猛，几乎是用5年的时间实现了欧美发达国家近30年的发展进程，在产业不断进步市场規模快速发展的同时，其面临的挑战和问题也是明显的。首先是中国风电装备的质量水平，包括设备完好率、发电能力等还有待提高，其次并网容量与吊装容量的差别，与国际先进水平相比还有较大差距。如何从装机大国转变成为风电利用大国，成为了中国目前面临的最大问题。而风电并网又是解决这个问题的重中之重。
首先，风电发展的速度超乎所有人的预期，而电网建设却是按照常规进行，这使得依据国家风电发展规划进行的电网建设难以满足风电快速发展的需求。风电与电网两者在规划和建设方面存在着严重的脱节正是目前风电并网瓶颈的成因。
其次，风电作为一种间歇性电源，稳定性存在着先天的不足，而这一特性也是电网对风电缺乏兴趣的最主要原因。虽然可再生能源法要求电网全额收购可再生能源发电电量，2008年颁布的《十一五可再生能源发展规划》中也明确要求电网企业要在2015年和2020年接收1%和3%的可再生能源发电，但是这些规定至今没有落到实处，即使电网没有接入可再生能源也并没有得到惩罚。
更深层次来说，欧美近30年的风电事业发展是建立在较成熟的自由电力市场的基础之上的，充分利用了市场机制和行政措施两种手段来解决风电发展中的各种问题。而我国的电力市场发展尚不成熟，市场优化资源配置、技术开发、利益分配和微观均衡等基本功还十分欠缺。
三、并网型风电系统的结构
1、CSCF风电系统
该系统目前还在MW级以下的风电机组采用，常用异步或同步两种发电机。优点是结构简单、成本低、过载能力强、运行可靠性高；并网控制系统比较简单；同步发电机既能输出有功功率，还能提供无功功率和电压支撑能力，输出的电能质量高，因此，同步发电机取代异步发电机是风电系统的技术趋势。缺点：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；风电系统直接与电网相耦合，风电特性会直接对电网产生影响，若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题；若采用异步发电机，需要无功电源的支持，还需动态无功补偿，并网时冲击电流较大；若采用同步发电机，由于风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，特别是当重载情况下并网，若不进行有效控制，会发生严重的无功振荡和失步问题。因此，CSCF系统很少采用同步发电机。
2、VSCF风电系统
优点：根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风力机等机械装置的机械应力；通过对最佳转速的跟踪，在可发电的较大风速范围内均可获得最佳功率输出；风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的波动变化减小；通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力；实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风电系统与电网之间的相互影响，并网冲击电流小；若采用双馈异步发电机，则变频器容量仅约为发电机容量的30%，降低了变换器的损耗、造价和体积；若采用同步发电机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。
缺点：整体结构复杂、成本高、技术难度大；需配备变频器，控制回路多，控制复杂，维护难；若采用同步发电机，则转速较低，极对数较多，且需配备全功率变频器，成本较高，损耗大；若采用双馈异步发电机，要求变频器具有低电压穿越等并网运行能力，控制复杂，投入大。
四、几种常用的并网方式
1、直接并网方式
此法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当异步发电机转速接近同步转速的90%-100%时即可自动并入电网。自动并网的信号由测速装置给出，空气开关自动合闸完成并网。
2、准同期并网方式
此法在转速接近同步速时，先通过电容进行励磁建立额定电压，然后对发电机的电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机与电网两者电压的幅值、频率、相位一致时，将发电机投入电网并网运行。
3、降压并网方式
此法在发电机与电网之间串联电阻、电抗器或者自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。在发电机稳定运行时，需将接入的电阻等元件迅速从电路中切除，以免消耗功率。
4、捕捉式准同步快速并网方式
它是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。这种方法可不丢失同期机，并网工作准确、快速可靠，既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度要求不高，又能很好地解决并网冲击与造价的矛盾。非常适合于风力发电机组的准同步并网操作。但是，这种方法控制复杂，对转速有一定的要求。
5、晶闸管软并网方式
此法是近年来发展起来的先进并网方式，它在异步发电机的定子和电网之间每相串入一个双向晶闸管，通过调节晶闸管使导通角逐渐增大来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程。正常运行时，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流不再经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。并网后应立即在发电机端并入无功补偿装置，将发电机的功率因数提高到0.95以上。
6、双馈异步发电机组并网
双馈异步电机的转子通过变频器采用交流励磁，电机和电网之间构成“柔性连接”，可根据电网电压、电流与发电机转速，通过控制机侧变换器来调节发电机转子励磁电流，从而精确地控制发电机定子电压，使其满足并网条件，因而可在变速条件下实现并网。整个并网调节过程完全由转子变频器实现，不需要外加任何硬件装置，调节精度高，并网冲击小。
7、同步发电机的并网技术
由于异步发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节其功率因数为1；异步发电机要靠增加转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩，调速范围更宽，承受转矩扰动能力更强，响应更快。因此，同步发电机正逐步取代异步发电机。同步发电机的并网方式有准同步、自同步和变频器并网3种方式，其中前2种、最后1种分别属于CSCF、VSCF风电并网方式。
五、大规模风电并网对电网稳定性的影响
1、对电网稳定性的影响
风电场一般在电网的末端接入，而风电场的大规模异步风力发电机组向电网注入功率时也从系统吸收大量的无功功率，同时风电场出力的随机性造成了接入点的潮流是双向流动的，这在原有的电网设计和建造时是未曾考虑的．随着风电场注入电网的功率的加大，当地电网的电压和联络线功率会超出额定范围，严重时会导致电网崩溃。
2、对电网频率的影响
风电并网容量越大，其功率特性对电网频率造成的影响也越大．由于风电机组投切频繁，使风电场接入系统的潮流处于一个双向流动的过程，这在一定程度上影响了系统的频率，严重时可能导致整个风电场突然切除，使得瞬间电源和负荷失衡，引起电网频率的降低。
六、大规模风电并网稳定性研究
1、配备充足的无功补偿容量．在风电场并网运行过程中，异步风力发电机需要从电网吸收无功功率来提供其建立磁场所需的励磁电流，因此要保证风力发电系统的稳定运行，为其配备充足的无功补偿容量是最主要的措施．目前，一般采用机端并联电容、静止无功发生器(SVG)、静止无功补偿装置(SVC)以及静止同步补偿器(STATCOM)等来补偿风力发电机的无功功率
2、提高风电机组低压穿越能力．风电机组的低压穿越能力
风电机组在电网公共连接点电压跌落时保持并网状态，并向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压，从而穿越低电压区域的能力
3、储能技术的应用．在电力系统引入大容量储能装置，不仅可以有效减小风电对系统的冲击和影响，提高风电出力与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，还可降低电力系统的备用容量需求，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。
七、风力发电并网技术建议
据了解，风能较难实现并网的原因在于它是一种“劣质”电能。所谓“劣质”，是指风能固有的随机性、间歇性特征决定了其属于能量密度低、稳定差、调节能力差的电能，发电量受天气及地域的影响较大，若直接将其全部电力并网，会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质量造成不利影响。
为了解决这一瓶颈问题，国内现在采用的方案主要有两个，一是通过风火电混送并网；二是使用抽水蓄能，将不稳定的风电转化为水能，再用水能发电。但这两种方案在实际运作中均有弊端或障碍。上海市工商联副主席段祺华表示，正是基于上述原因，最近几年日本、美国、欧洲及中东地区国家正在大力推广和应用先进的大容量电池储能技术，并将该技术配套于风能等可再生能源的并网，例如墨西哥和美国南加州正在建设中的总规模为1600万千瓦的风电场已经开始配套100万千瓦钠硫电池储能系统。大容量电池储能系统没有污染、零碳排放，使用它与风电等可再生能源发电装置联合运行，对其进行稳定干预，可使随即变化输出的风电转化为稳定输出的电能，从而实现风能的大规模并网发电。“因此，为风电等可再生能源配装合适的大容量电池储能系统是解决我国目前风能发电无法并网的瓶颈问题的最有效途径。”段祺华认为。正是因为大容量电池储能系统对我国风能等可再生能源实现并网有着十分重要的作用，目前我国也正在积极研发各种先进的电池储能技术(如钠硫电池、液流电池、锂电池等)。
结束语
为了大力发展风力发电，首先必须进行基础性的观测试验研究，在收集、整理各地风速及风向数据的基础上建立风能数据库。此外，应利用所量测的风速，建立数学模型进行风场数值模拟以及风力预测，以期对风能资源进行更精确合理的评估。在发电机与控制系統的设计上，更是发展风能相当重要的关键技术。
参考文献
［1］苏晓．2011年全球风电发展统计［J］．风能，2012(4):34－37．
［2］李俊峰．中国风电发展报告2012［R］．北京:中国环境科学出版社，2012．