分析新能源并網發電系統及其相關技術

黃河電力檢修工程有限公司 林 原

北京中恒博瑞數字電力科技有限公司 仇向東 付龍明

自然環境與能源緊張問題是現階段全球經濟發展面臨的主要問題。基于對生態環境保護的基本要求，風能、太陽能、水能以及生物能等新能源逐步得到了廣泛應用與發展，在很大程度上推動了國內外電力行業的繁榮發展。因此，在未來發展階段，需要進一步對新能源并網發電的技術及發展趨勢進行深入研究與分析，從而結合時代發展的要求，充分發揮新能源的優勢，提高能源的利用率，促進經濟與生態的協調發展。

1 新能源并網發電系統的理論

1.1 分布型新能源發電工藝

分布型發電通常指的是以目前開發的新能源或可循環利用的能源為支撐的小型發電機構，分散地設置在負載周邊區域的發電模式，分布型發電工藝又可以稱為分布型輸電和分散型產電工藝。為了充分發揮新能源的優勢提高供電水平，需要不斷完善分布型發電工藝，從而推動供電工作的順利進行。現階段，我國主要開發與應用的新能源主要包括風能、水能、生物質能、潮汐能以及太陽能等，與國際上較為先進的新能源開發結果對比來看，我國在風力發電、熱能電池以及日光能光伏發電的研究上取得了顯著的成果。風力發電工藝主要是以風能作為驅動發電裝置運轉的基礎條件，進而實現電力能源的生產與輸出。為保證風力發電裝置運行的穩定性，在聯網供電過程中，需要對電網輸出的電流頻率進行嚴格管理與控制，確保電網輸出的電流頻率與熱力發電機組的輸出電流頻率相匹配，從而提高新能源并網發電系統運行的穩定性。風力發電技術主要包括恒定速度恒定頻率的發電模式以及變速恒頻型的發電模式。其中，恒速恒頻的發電模式主要利用主動式失速調配設備或常規性失速調配設備，而變速恒頻發電模式主要利用異步感應發電機作為主要發電裝置。將兩種發電模式的相關指標進行對比分析能夠得出，變速恒頻發電模式更有利于提高風能的利用率，同時具備比較高效的調配機制，因此在現階段的風力發電中得到了廣泛應用。日光能光伏發電工藝指的是利用具有光電效應的可控硅半導體材料將日光能轉換為電力能源。現階段，光伏發電機構主要有獨立式光伏發電和并網式光伏發電機構兩種類型。此外，燃料式電池工藝主要是將儲存在化學氧化劑和燃料中的化學能轉化為電力能源，這種工藝的應用有利于降低發電過程中的噪聲，同時具有環保性能。

1.2 微網基本概念

微網能夠通過有效的協調控制有效解決新能源分布式電源并網時產生的各種問題，從而減少分布式電源并網對供電效果產生的不利影響。微網指的是一種小型配電網絡，通常包括分布式微電源、儲能裝置、負荷、電能轉換設備以及控制系統，從而實現對電力能源的有效控制與管理。微網中的電力負荷主要包括主要負荷和次要負荷兩種類型，相對于次要負荷來說，主要負荷對于電能的質量與可靠性要求相關較高。微網中的分布式電源可以直接或者通過電力電子換流裝置進行并網，進而實現對本地負荷進行供電，同時將余電進行回收。

2 新能源并網發電關鍵技術

2.1 新能源發電系統結構

新能源發電系統主要包括多個小型新能源發電系統，這些小型分布式發電系統中又包括風能發電、太陽能發電等多種能源的組合發電，這些供電設備主要通過逆變器并采用并聯的方式與微型公共電網進行連接，從而保證電網運行的安全性和穩定性。

2.2 電力電子技術的關鍵部件

電力電子技術在分布式發電中發揮著至關重要的作用，并網逆變器、靜態開關以及電能質量控制裝置的性能都能夠對供電系統的運行產生較大影響。首先，電力電子變換器在電力系統中起著連接微網、風機與燃料電池的作用，這些變換器有時只需要通過逆變器就可以起到相應的作用，但有時就需要將逆變器和整流器進行結合使用，具體的使用方式主要根據電力電子技術應用的實際情況來確定。其次，靜態開關在電力電子技術的應用過程中主要起到識別系統的一些意外情況，并將微網轉換到孤島運行狀態的作用，進而能夠有效防止避免系統受到破壞。同時，在故障問題得到解決后，靜態開關能夠自動將微網和主網進行連接，從而保證系統運行的穩定性。此外，電能質量控制裝置能夠對電能質量進行全面監控，從而避免電壓波形、頻率和功率因數導致電能質量下降問題的發生，維護微網運行的安全性。

2.3 微網技術

微網系統本身抗干擾能力較弱，并且在諸多不可控因素的影響下，容易降低微網系統運行的安全性和穩定性。因此，微網技術的應用過程中需要對微網系統的運行情況進行有效控制與管理。微電源作為微網系統的重要組成部分，雖然其構成與屬性存在一定差異，但微網系統的總能量是一定的，因此，為避免微電網對整體電網的負面影響，需要在微電網的運行中保證電壓的穩定性，但從現階段的實際情況來看，這一問題并未得到妥善地解決。同時，微網從獨立運行狀態到并網狀態的相互切換過程中都會在一定程度上影響整個電網運行的穩定性。因此，技術人員需要結合具體要求和實際情況對微電網的結構與配置參數進行優化與調整，從而提高對微電網系統運行效果的控制，避免微電網對整個電網造成的不利影響。現階段，傳統的保護措施在實現對微網系統單向潮流的保護過程中，難以起到對微網系統雙向潮流的保護作用。因此，在社會經濟與科學技術高速發展的背景下，對于微網技術的研發與應用工作需要對常規保護模式下的運行故障進行檢測，并利用保護控制系統保證微網系統運行的穩定性。

3 新能源并網發電系統的發展趨勢

3.1 分布式混合能源系統

采用幾種新能源發電方式組成分布式新能源混合能源系統是未來新能源并網發電系統發展的主要趨勢。分布式混合能源系統實現了分布式能源和儲能技術的有效結合，通過發揮各種新型微型能源的優勢特點，將能源與儲能裝置進行混合配置，從而解決單一能源供電不穩定的問題，有助于提升電力系統運行的效率和質量。同時，通過對負荷均衡化的有效控制，利用電力電子裝置提高電網在獨立運行和并網運行狀態下的穩定性和可靠性，保證供電的質量。但在此過程中，還需要對拓撲結構和關鍵部件的選擇以及控制策略等問題進行解決。首先，在選擇新能源并網發電系統的結構與關鍵部件的過程中，需要通過對并網變換器拓撲建模與量化的對比分析，選擇最佳的并網變換器結構，就近選擇微電網使用直流總線，有利于提高電能的利用率。在確定系統內儲能環節的結構和容量的過程中需要依據對各類儲能裝置技術的對比分析結果來進行。在研究新能源并網發電關鍵部件問題的過程中，首先需要對系統主電路的設計參數和各部件模型進行分析，因此，對新能源并網發電系統的主電路的設計問題，工作人員要明確新能源并網發電系統試驗樣機的直流母線電壓以及各部件的功能定位，之后對微電源和儲能裝置的特點進行分析，通過建立熱模型、電路模型、機電方程等對微電源及并網變換器控制模型進行分析，之后再通過驗證工作開展并網發電系統主電路的設計工作。此外，對新能源并網發電系統的發展趨勢進行研究與分析，還需要對多個微電源之間的協調控制問題進行研究與分析。新能源并網發電系統中包含著許多微電源，這些微電源具有較強的靈活性，并且電壓—電流、頻率—功率的特性以及時間常數都有各自的差異。在并網系統中，通常利用先進的電子設備將各微電源與微網中的直流或交流總線進行連接，因此，通過對微電源的協調與控制有利于提高電網運行的穩定性，發揮新能源的優勢保證電能的質量。

3.2 智能微電網

現階段，為促進我國電力事業的繁榮發展，國家逐步提高了對智能電網的研究與開發力度。智能電網概念的提出旨在對日益老化和低頻率的供電系統進行優化與完善，從而使原有的發電、輸電、配電等系統具備高效和環保的功能。美國電力研究院針對含有微網的智能化配電網進行研究，并建立了專門的科研管理機構及智能電網研究網絡化平臺，在世界范圍內的智能配電網的研究上處于領先地位。智能微網是智能配電網在未來發展階段的主要組織形式，涉及到高級電力電子技術、高級能量管理與分析技術、量測與通信技術等關鍵技術。同時，智能配電網在未來發展過程中，需要完善配電運行的框架，依據分布式發電系統的基本特點，對智能微網以及分布式電源進行協調與控制，從而促進微網向著智能化、自動化與信息化方向發展。

結語：我國在近年來始終致力于新能源發電技術的研發與應用，并取得了一定的成績。但由于諸多因素的影響，制約了新能源發電技術的進一步發展。因此，在未來發展階段，相關部門需要提高對新能源發電技術研究的重視程度，并將研究的重點放在新能源并網發電關鍵技術的應用上，結合時代發展的趨勢和要求，有效提高新能源并網發電系統運行的效率和質量，從而推動新能源并網發電技術的運用，促進我國電力事業的可持續發展。