可再生能源發電系統的發展與并網技術應用

趙星竹　尹常永

摘 要：在中國可再生能源開發利用背景下，介紹了風能、太陽能可再生能源發電系統和風光互補發電系統的能源利用狀況，以及相關技術的研發和應用。并從電網連接方式、最大功率點跟蹤、諧波抑制和無功補償三個方面，著重闡述了可再生能源發電系統并網技術的應用和發展。

關鍵詞：可再生能源發電；風力發電；光伏發電；并網技術

關鍵詞：電網運行方式；管理方式；經濟運行；策略分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.162

1 引言

我國的電力工業主要是火力發電，煤炭需求量巨大，能源的過度開采利用破壞了生態環境，并造成一系列環境污染問題。可見非可再生能源的長期發展和利用并不適用于國家當前政策。隨著社會經濟發展與能源匱乏問題的凸顯，可再生能源逐漸成為最理想的資源。能源充足是一個國家社會經濟穩定發展的前提與保障，而在世界范圍內，為確保經濟發展導致能源過度開采的國家不在少數。能源短缺造成能源需求的不斷增大，這樣的惡性循環使開發利用可再生能源成為各國解決能源問題的必要措施。在當今的能源背景下，可再生能源是我國優先發展的重中之重，可再生能源可循環再生，具有取之不盡用之不竭的特點，且資源分布廣泛，對環境危害小，適合就地開采。太陽能與風能是我國使用規模較大、開發技術更成熟的可再生能源。在電力行業，新能源發電系統已成為電力系統內的主要成員。

2 幾種可再生能源發電系統

2.1 風力發電系統

我國風能資源豐富，約10億千瓦的風能可以發掘，這也是風力發電在可再生能源領域迅速發展的原因之一，根據專家預測，我國風電裝機總量在2050年可達到4億千瓦。將風能轉換為機械能再通過發電機將機械能轉換為電能就是風力發電的大體過程。按照運行控制方式，將風力發電系統分為恒速恒頻和變速恒頻發電系統進行闡述。恒速恒頻風力發電系統主要應用于早期風力發電，在現在的風力發電場中仍然得到廣泛應用，并網運行時恒速恒頻發電系統中的風機轉速由電網頻率決定不隨風速改變。該系統主要應用異步電機，當采用籠型異步發電機時，發電機定子繞組和電網前的變頻器作用使發電機輸出的電壓頻率與電網頻率相同，由于變頻器與發電機相連且容量相同，導致所需變頻器容量大，需要安裝無功補償裝置。恒速恒頻風力發電系統結構簡單，易于控制，但由于風機的速度不隨風速變化，錯失了最優轉速，從而降低了風能利用率。變速恒頻發電系統是風力發電技術發展的產物，是我國風力發電的主要研究領域。在變速恒頻發電系統中風機轉速可根據風速變化而調節，增加了風能利用率，進而提高了發電效率。發電機定子和轉子均可向電網輸出功率，轉子側功率可實現雙向輸出，能量損失小，可根據發電機運行狀態靈活調節。

2.2 太陽能光伏發電系統

光伏發電系統的高利用率和無污染等特性保證了光伏發電的研究優勢。近年來，中國在全球太陽能光伏發電領域一直處于領先的位置，在相關政策支持下光伏安裝量逐年增長，我國太陽能光伏發電總量在2015年達到了20GW，位居世界第一的位置。光伏發電系統主要由光伏模塊和光伏逆變器組成。光伏發電選用光電直接轉換方法，利用半導體的光生伏特效應將太陽能轉化為電能，然后通過逆變器將轉換來的直流電逆變成符合電網要求的交流電再并網，以完成整個發電并網過程。此外，由于并網型光伏發電系統既連接電網又連接負載，所以系統的不穩定為電網和負載都帶了影響，那么就需要一個電能調節部分--儲能元件，例如控制器可以調節蓄電池組根據系統可輸送電能的多少進行充放電以滿足負載要求。光伏電池多種多樣，根據材料分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池和多元化合物光伏電池。在系統中單個光伏電池通常按一定的方式連接成組件使用以提升效率。光伏逆變器的作用是對輸出電能進行控制調節，為光伏并網發電系統的核心元件。在系統中主要應用的是電流控制型逆變器，它的作用是調節電流的相位和幅值使得電壓和頻率滿足并網要求。

2.3 風光互補發電系統

由于風能、太陽能發電系統單獨運行時多受天氣因素的影響，無法做到全天候規律發電，會在一定程度上影響系統供電的穩定性，因此促成了風光互補發電系統的發展。在風光互補發電系統中，兩種自然互補能源合理配置發電，彌補了兩種資源的不足，具有良好的發展前景。在風光互補發電系統中由風光互補控制器調控風電與光電共同向蓄電池組充電，再以蓄電池組為中樞逆變成交流電向電網和負載輸送。在系統中風光互補控制器和蓄電池可以調節能量傳輸過程?？刂破骺梢愿鶕獠凯h境變化情況，在日光照射強度、風向、風力等因素的影響下調節蓄電池組儲存或輸送電能，確保負載用電并使整個系統在恒壓條件的安全穩定，在風光互補發電系統中，發電功率是風機額定功率和光伏電池最大功率的總和。近年來風光互補發電應用廣泛，在通信、電站和照明等場所發揮作用。根據相關資料報道，目前在西藏、內蒙地區已有風光互補發電系統投入運行使用。

3 可再生能源發電系統并網技術應用

可再生能源發電系統在為我們節約資源、降低污染、提升效益的同時，也影響了電網穩定供電。由于我國以火力發電為主，再加上可再生能源本身并不穩定的特性，使可再生能源發電系統在并網時會影響電力系統的穩定運行，往往需要相應的技術來調整可再生能源發電系統的適配性，使可再生能源發電系統安全并網的同時保證電能質量與發電效率，下面主要從以下三個方面闡述可再生能源發電系統并網技術應用。

3.1 并網方式

在并網方式上，由于可再生能源發電系統輸出電能要保證與電網對應端電壓幅值、頻率和相位完全相同，因此需要電力電子設備進行電能調節。如光伏發電系統中應用的并網逆變器，電流控制性型光伏并網逆變器可以使并網的功率因數接近于1，并且控制并網電流波形接近正弦，從而提升發電效率和電能質量。此外，光伏并網逆變器多裝配隔離變換器，采取隔離方式防止直流電流進入電網。風力發電系統可直接并網也可通過變頻器并網，受風速變化的影響，風力發電機發電頻率并不穩定，而變頻器可以將風力發電頻率同化為電網頻率，使風力發電機的頻率與電網頻率相隔離，并網時在很大程度上減少了沖擊電流與沖擊轉矩的生成，進一步提升了電能質量。此外，在風力發電系統中同步風力機運行時經勵磁調節可實現無功功率補償，在并網方式上可以選擇自動準同步并網和自同步并網，而異步風力機可選擇直接并網、降壓并網和晶閘管軟并網（通過晶閘管軟并網來限制沖擊電流）。endprint

3.2 最大功率點跟蹤控制技術

可再生能源發電與最大功率點跟蹤控制技術相結合，可以有效地提高資源利用率，同時確保發電。光伏發電系統采用最大功率點跟蹤技術來控制系統的功率，因為光伏發電系統受光強、溫度變化等不受控制因素的影響，系統輸出功率難以根據一定規律跟蹤最大值，光伏發電系統的最大功率點跟蹤控制是調整光伏電池阻抗和位置，在最大

功率點上運行系統。在風力發電系統中最大功率點跟蹤控制方法主要有最佳葉尖速比法和功率信號反饋法，前者通過調節風機轉速控制風機葉尖速比為最佳值，保證捕捉最大風能，操作簡單易于實現，但依賴于風速測量難免有誤差較大的問題。后者不需要測量風速，根據繪制的輸出功率曲線和實際風機轉速預測相應的最大輸出功率，在調節器中控制鼓風機捕捉最大功率點。

3.3 諧波抑制和無功功率補償

在可再生能源發電系統中，有大量電力電子設備，這些不穩定的非線性器件在電網連接時會給電網帶來大量的諧波和無功功率，嚴重影響電能質量。傳統的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，根據電容和電感的諧振特性，用并聯方式補償無功功率，并共享部分諧波分量。雖然無源濾波技術成熟且易于操作，但只能抑制固定頻率的諧波，容易產生諧波，只能補償靜態無功功率，而自身適應性差只能在穩定的運行條件下使用。因此，提出采用PWM逆變器構成有源電力濾波器接入的有源電力濾波技術。有源濾波技術具有良好的補償特性，可以抑制諧波，并在一定程度上彌補無源濾波技術的不足。有源電力濾波器可以與LC無源濾波器相結合，目的是結合二者的優點得到更好的性能。

4 結束語

可再生能源的開發利用已然成為今后發展的必然趨勢，而隨著資源利用的不斷深入以及相關技術水平的不斷發展，也逐漸出現模式上的缺陷和技術水平的不足。可再生能源的開發需要科學工作者在思維和技術上不斷創新，推動其更廣闊的發展領域。

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