新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效果研究

田蓬勃

（魯能新能源（集團(tuán)）有限公司，北京 100020）

目前，我國能源消費(fèi)總量在不斷增加，能源供需缺口在不斷增大，而能源生產(chǎn)消納結(jié)構(gòu)不合理，傳統(tǒng)能源消費(fèi)仍然占主體。因此，我國需要改變能源消費(fèi)現(xiàn)狀，緩解能源消費(fèi)矛盾，解決途徑之一便是系統(tǒng)開發(fā)利用可再生能源，不斷完善能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)的多樣性和可持續(xù)性。由于新能源具有污染少、儲(chǔ)量大、永續(xù)性等特點(diǎn)，因此新能源技術(shù)的革新進(jìn)步已經(jīng)成為世界能源發(fā)展的重要方向和領(lǐng)域。通過技術(shù)進(jìn)步高效利用資源，擴(kuò)大市場(chǎng)需求，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的協(xié)同發(fā)展。

1 新能源發(fā)電技術(shù)分析

1.1 新能源的定義

新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的可再生能源，包括太陽能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四堋⒀罅髂芎统毕埽约昂Ｑ蟊砻媾c深層之間的熱循環(huán)等；此外，還有氫能、沼氣、酒精、甲醇等，而已經(jīng)廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等能源，稱為常規(guī)能源。隨著常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，以環(huán)保和可再生為特質(zhì)的新能源越來越得到各國的重視。

1.2 新能源技術(shù)的發(fā)展情況

按照技術(shù)水平的成熟度和技術(shù)轉(zhuǎn)化的情況，新能源的發(fā)展可分為研發(fā)、示范、推廣和產(chǎn)業(yè)化4個(gè)階段。

目前核電、太陽能熱水器、沼氣等技術(shù)已經(jīng)成熟，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的成熟階段；太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物燃料等技術(shù)基本成熟，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期或中期階段；地源熱泵、大中型沼氣池需要靠規(guī)模化來降低成本，處于推廣階段；太陽能熱發(fā)電、潮汐發(fā)電、氫能的制備和儲(chǔ)存、燃料電池在技術(shù)上已經(jīng)成功，但需要做進(jìn)一步的提升，目前還處于示范階段；纖維素乙醇、天然氣水合物的勘探和開采、受控核聚變等技術(shù)尚未成熟，還處于研發(fā)階段。

2 新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

目前，新能源發(fā)電技術(shù)從應(yīng)用規(guī)模、應(yīng)用程度、技術(shù)安全性的角度分析，以風(fēng)電、光伏最為成熟，本文將主要就這兩種技術(shù)展開討論。

2.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電是全球最主要的資源之一，它的資源儲(chǔ)量高于目前人類掌握的任何一類資源，相當(dāng)于水資源的10倍以上。風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)風(fēng)力的機(jī)械力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

（1）風(fēng)機(jī)類型。風(fēng)機(jī)按裝機(jī)容量劃分，可分為小型風(fēng)機(jī)、中型風(fēng)機(jī)、大型風(fēng)機(jī)、特大型風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的容量越大，槳葉長(zhǎng)度越長(zhǎng)。按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)劃分，可分為垂直軸結(jié)構(gòu)和水平軸結(jié)構(gòu)。按照功率調(diào)節(jié)可分為變槳風(fēng)機(jī)、主動(dòng)失速型風(fēng)機(jī)、定槳風(fēng)機(jī)。按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可分為恒速、變速、多態(tài)定速風(fēng)機(jī)等；按能源形式又可分為海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電技術(shù)。按風(fēng)能驅(qū)動(dòng)分又可分為高速、低速風(fēng)機(jī)，順風(fēng)、逆風(fēng)風(fēng)機(jī)。

（2）設(shè)備組成及功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、基礎(chǔ)、塔筒等部分組成。風(fēng)輪一般由葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)組成，葉片形狀決定了風(fēng)能的吸收程度。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速超出切出風(fēng)速時(shí)，主要依靠旋轉(zhuǎn)的葉尖實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)制動(dòng)。葉片在異常運(yùn)行中，針對(duì)覆冰、腐蝕、裂紋等情況，要及時(shí)做好風(fēng)機(jī)葉片的保護(hù)與防護(hù)。

（3）風(fēng)機(jī)控制技術(shù)。并網(wǎng)發(fā)電機(jī)一般有3種，雙饋、雙速異步、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)制方式是通過改變槳距對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行控制，可使用最大功率追蹤法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率的轉(zhuǎn)換，隨著新技術(shù)的迅速發(fā)展，新的并網(wǎng)技術(shù)采用模糊控制方式來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和功率的調(diào)節(jié)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制葉片槳距及預(yù)測(cè)風(fēng)輪氣動(dòng)特性，取得良好的效果。

無功電壓控制技術(shù)：風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定和無功補(bǔ)償同等重要，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，吸收無功，此時(shí)需要給風(fēng)電場(chǎng)配備SVG等無功補(bǔ)償裝置，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，降低因輸送功率導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩效果，改善電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。

2.2 光伏發(fā)電技術(shù)

太陽輻射實(shí)際上是地球能量的主要來源，太陽能連續(xù)不斷的輻射地球，每秒鐘輻射的能量相當(dāng)于500萬t標(biāo)煤的能量。合理利用這部分能量，可以創(chuàng)造大量的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

（1）光電效應(yīng)。在某一特定電磁波的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被激發(fā)出來，形成電子。PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)主要由半導(dǎo)體光照，不穩(wěn)定的電子—空穴對(duì)形成，不穩(wěn)定的電子—空穴移動(dòng)，在電勢(shì)影響下，P側(cè)的空穴和N側(cè)的電子形成電勢(shì)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組、電池控制器、蓄電池、交直流逆變器等組成。

（2）電池組。太陽能電池一般分為晶硅電池、硅基薄膜電池、化合物薄膜電池、有機(jī)半導(dǎo)體光膜電池、聚光光伏電池。晶硅電池有單晶和多晶之分，硅基薄膜光伏電池效率低，化合物薄膜電池對(duì)環(huán)境污染、人身危害較大，暫不考慮。有機(jī)半導(dǎo)體光膜電池正處于發(fā)展階段，國內(nèi)沒有應(yīng)用的先例。聚光光伏電池為目前效率最高的電池，但需要配備聚光系統(tǒng)和散熱器，為保證聚光效率所增加的設(shè)備投資，要大于多發(fā)電量產(chǎn)生的效益，所以聚光電池轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行還有很長(zhǎng)的路要走。

（3）光伏陣列方式的選擇。對(duì)光伏組件的支撐包括單軸、雙軸跟蹤、固定式3種。單軸跟蹤可提高效率20%，雙軸跟蹤可提高效率25%，雙軸高精度跟蹤甚至可提高效率30%。還要注意安裝傾角的選擇。表1為光伏組件陣列對(duì)比。

表1 光伏組件陣列對(duì)比

（4）逆變器。逆變器是光伏發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，逆變器的選型要考慮性能、效率、直流電壓的輸入范圍、保護(hù)功能、監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集功能。目前，有3種形式的逆變器可供選擇。表2為逆變器優(yōu)劣比較。

表2 逆變器優(yōu)劣比較

3 新能源發(fā)電技術(shù)的難點(diǎn)

3.1 風(fēng)機(jī)低電壓穿越技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，低電壓穿越絕對(duì)是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)風(fēng)機(jī)出口電壓下降時(shí)，如不考慮低電壓的穿越能力，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)區(qū)內(nèi)大面積風(fēng)機(jī)雪崩式脫網(wǎng)，最終造成正片風(fēng)區(qū)全部癱瘓，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成威脅。所以目前風(fēng)機(jī)均要求在設(shè)計(jì)時(shí)具備低電壓穿越能力，以遏制低壓對(duì)風(fēng)場(chǎng)安全運(yùn)行的威脅。為保證風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力，設(shè)計(jì)上從電壓的角度入手，風(fēng)機(jī)出口電壓在凹陷區(qū)域時(shí)，通過AVC,SVG等迅速使電壓恢復(fù)到正常水平，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)低電壓穿越功能。

3.2 光伏電站SVG調(diào)壓技術(shù)

光伏電站，特別是電源點(diǎn)末端的電站最容易受到過電壓的威脅，且電站的調(diào)整手段有限，所以要充分發(fā)揮SVG的性能，SVG的調(diào)節(jié)有3種模式：恒電壓模式、恒功率因數(shù)、恒無功模式時(shí)，功率因數(shù)設(shè)定為0.98。日常運(yùn)行中，省調(diào)要求的電壓調(diào)整模式主要是恒功率因數(shù)控制，保持無功變化隨負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整；當(dāng)系統(tǒng)電壓超過額定電壓10%及以上時(shí)，此時(shí)恒功率模式控制無法滿足電壓的調(diào)整需要，此時(shí)則需要投入恒電壓模式，以某一35kV電站SVG電壓調(diào)整舉例：當(dāng)負(fù)荷增大，母線電壓達(dá)到38.5kV時(shí)，SVG投入“恒電壓”模式運(yùn)行（目標(biāo)電壓38kV）,當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，SVG投入“恒功率因數(shù)”模式運(yùn)行（恒功率因數(shù)：0.98）。SVG投“恒功率因數(shù)”時(shí)，也會(huì)造成母線電壓的升高。以上設(shè)備的抬升母線電壓會(huì)造成電站過電壓保護(hù)裝置動(dòng)作，解列設(shè)備。

3.3 光伏組件PID效應(yīng)治理

所謂光伏組件PID效應(yīng)是指電位誘發(fā)衰減，因組件長(zhǎng)期工作于高壓條件，在漏電流、電荷集聚的影響下，組件性能迅速下降，嚴(yán)重時(shí)可下降50%以上，PID效應(yīng)在高溫、高濕、高鹽堿區(qū)域比較嚴(yán)重。PID效應(yīng)治理主要從3個(gè)方面進(jìn)行。

（1）系統(tǒng)方面。夜間對(duì)組件和大地之間施加反向電壓，利用新工藝，使用微波逆變器，降低系統(tǒng)電壓，減弱PID效應(yīng)的影響。（2）組件方面。由于高濕是組件PID現(xiàn)象的要因，提高組件密封就顯得重要，優(yōu)化EVA生產(chǎn)工藝、篩選原料和優(yōu)化原料的配比，可以提高EVA膠膜對(duì)組件抗PID的效果。（3）電池方面。電池是最重要的抵抗PID的關(guān)鍵因素，可以考慮改變發(fā)射極和SiN減反層，這2項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)會(huì)對(duì)發(fā)電效率、設(shè)備造價(jià)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。熟悉設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)、對(duì)比要求，對(duì)新能源生產(chǎn)運(yùn)營中的難題進(jìn)行專題分析，并盡快制定對(duì)策。還要結(jié)合目前的生產(chǎn)運(yùn)營中心模式，研究新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用，及時(shí)更新新技術(shù)、新設(shè)備，跟蹤技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。