基于西北地區多能互補新能源發電系統的研究

酒泉職業技術學院 王 莉

1 引言

當前，推動新能源發展已成為我國加速實現“碳中和”發展目標的關鍵。西北地區自然環境優越，能基于新能源發展實現對多能互補能源體系的構建，進一步提升西北地區對綠色能源、清潔能源有效利用率。進而，使西北地區新能源開發能更好適應綠色發展新環境。

2 西北地區新能源發電面臨的問題

2013年7月國務院發布《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》（以下簡稱《意見》），《意見》明確提出遠近結合，標本兼治；統籌兼顧，綜合施策；市場為主，重點扶持；協調配合，形成合力思想基本原則。至此，西北地區多能互補新能源發電系統建設進入新紀元。從技術特點來看，多能互補新能源發電系統中的光伏發電、風力發電及光熱發電，在有效實現平價并網供電的基礎上，提升生態能源的有效利用率，加速西北地區清潔能源普及。通過光伏發電、風力發電及光熱發電系統構建，西北地區克服地理條件因素，實現配電到戶的電力資源供給，解決傳統電網建設成本過高的問題。

在完善技術體系及產業體系的推動下，西北地區多能互補新能源發電系統的建設，充分滿足西北地區用電需求。此外，我國西北地區全年日照時數一般在2000～3300h，對于光伏發電創造有利條件。同時，西北地區溫帶季風氣候，全年平均風量相對較大，能為風力發電提供有力支撐。雖然從技術特征來看，風力發電、光伏發電、光熱發電具有多種優勢，但由于風力發電、光伏發電與光熱發電具有一定的時效性，使其供電穩定性有所下降，在未能進行電力儲能的情況下，無法保證電力能源的穩定供應。

3 多能互補發電系統的基本特點

3.1 獨立性

多能互補新能源發電系統構建，是基于單一系統結構組合，實現對發電能源供給的統一協調。其中，單一系統的運行獨立性，直接影響多能互補的新能源發電系統銜接的緊密性。部分地區采取混合式發電的供電策略，雖然具備多能互補的基本特點，但未能充分發揮新能源發電的主體優勢，仍然存在一定的環境污染問題。所以，保持各個系統運行獨立性，是其實現多系統銜接的重要基礎。如在風能發電方面，部分風力發電機需要通過電力激活方能開展運轉。西北地區電網的容量相對較少，在冬季階段通常采用間歇性停機維護的管理策略。為更好實現風力發電系統的獨立運行，需要充分做好后續蓄電管理的規劃。從而，一方面解決風能發電非必要的能源消耗問題，另一方面為未來風力發電設備的正常運轉提供光熱能源保障。

3.2 穩定性

保證多能互補的新能源發電穩定性，同樣是西北地區新能源發電系統建設的核心關鍵。部分新能源發電具有周期性、階段性的基本特點。新能源發電應考慮不同時間節點各個系統發電效率，根據其發電總量及電力能源的有效利用率，調整多能互補的新能源發電系統能源配置。如光伏發電在西北地區多能互補新能源發電方面的運用，通常需要考慮夜間光照不足的問題，在晚間的用電高峰期，無法基于光伏發電實現電力能源的持續供給。運用多能互補進行發電能源的調配及結構優化，通過提升風能、生物質能、地熱能發電的能效比，則可以有效解決多能互補新能源發電視角下，西北地區發電效率及供電穩定性。另外，多能互補的新能源發電系統建設，應注重采用智能化技術及大數據技術做好發電數據分析，根據數據信息變化、天氣環境變化、發電能效比的波動等，優化多能互補的新能源發電策略，確保多能互補的新能源發電能適應西北地區特殊環境，降低人為干預的決策錯誤問題。

3.3 安全性

提升多能互補新能源發電的安全性，也是多能互補新能源發電系統構建的重中之重。新能源發電相比于傳統發電模式，在電力能源提取及發電能源供給方面，需要考慮不同新能源發電形式的基本特點，根據新能源發電的基本需求，做好對電壓、電流及電阻的控制，保證多能互補的新能源發電，能按照統一供電標準做好儲能優化[1]。避免因電壓、電流數據誤差及兼容性問題，對多能互補的新能源發電形成安全隱患。另外，部分新能源發電存在安全隱患問題，同樣需要得到充分重視。如西北地區光伏發電及地熱能發電的安全防火問題，則需要在安全管理方面予以充分重視。相關企業不僅要針對光伏發電管理監控、設備管理維護及各流程風險管控做好規范，同時也要基于各類發電系統的基本特性，做好對安全管理問題的應急預案，盡可能降低安全因素對西北地區多能互補新能源發電的影響。

4 案例分析

4.1 設計方案

此次案例分析，以多能互補新能源的光伏發電作為基本參考。其中，光伏發電的設計方案確立，要根據多能互補系統要求，采用多陣列串聯的方式進行設計。對于特殊環境下的光伏設備銜接，亦可采取陣列并聯的方式進行設計。完成基礎設備串聯后，需要進行輸出功率與電壓穩定性測試，根據輸出功率的不同，選擇多個線路進行導線連接，而后運用變壓器及轉換器設備，將電壓及輸出功率設置為同一頻率。光伏發電由于受到地理環境及天氣環境的影響較為直接。所以，應在設計初期考慮光伏發電效能轉化率問題，在保證輸出功率穩定的情況下，采用單一光伏單元一體化銜接的設計方案，避免單一構件損壞或單一區域功率變化，對整體系統運行穩定性產生影響，最大限度提升多能互補的新能源光伏發電效率[2]。

圖1 西北地區多能互補發電系統設計原理圖

此外，針對風力發電系統的設計，則要考慮垂直軸風力發電電源與H型風力發電電機的適用性問題，在有效控制變電參數、配電參數的基礎上，做好風力發電與光伏發電系統銜接，確保光伏發電系統與風力發電系統能基于相同電流、電壓參數做好多能互補，降低外部干擾對風能發電與光伏發電多能互補銜接的影響。其中，需要注意的是，光熱發電、光伏發電、風能發電的多能互補，應考慮對發電并網問題的解決，根據光熱發電的基本特點，在設備優化、系統調試及數據分析等多個方面，為多能互補提供必要支持。以下將基于光伏發電作為參考，通過分析光伏發電參數設置、模塊設計，為西北地區風能發電、光熱發電系統設計提供可行內容參考。

4.2 參數設置

光伏發電的參數設置主要涉及最大功率、效能轉換率及溫度數據三個方面內容。最大功率是指在電阻值達到中位數值時，伏安特性的曲線能保持相量平衡，一旦設備最大功率達到最初設計閾值，則要進行功率轉換。其中，不同材質的光伏設計及電路設計方案，對光伏發電的能源產出效率均有較大影響。所以，針對效能轉換率的控制，不應單方面參考單一環境下最大照射功率，而要根據各個階段總輻射功率及發電總量進行效能轉換率的計算。當然，最大照射率作為重要的數據參考依據，同樣具有一定的參考價值，應在進行數據參數比較的過程中，同時將最大照射率、總輻射功率納入計算，從而保證光伏發電數據參與的調整，能充分滿足多能互補新能源發電需求，提升多能互補新能源發電的質量。溫度數據也是評價光伏發電效率的主要標準之一。技術人員應充分參考輸出電流、電壓及設備功率等參數對于系統運行的影響，保證系統運行的穩定性。

4.3 模型設計

環境因素對光伏發電的影響較大。為更好發揮光伏發電主體優勢，多能互補新能源發電系統設計，需要針對各類不同能源發電穩定性進行分析，基于對發電模型的設計，立體化對部分發電影響因素及問題進行分析。如針對光伏發電的模型設計，則要從光照強度、環境溫度、電池溫度、設備陣列輻射強度及設備實際采光面積等多個方面進行分析。按照西北地區地理環境分析，光伏發電相對而言更為穩定，其輻射強度、環境溫度相比于華南與東部地區均有明顯優勢。所以，光伏發電的模型設計，則應將輻射強度及環境溫度等作為模型設計的上層結構，以便更好基于其優勢項及發電劣勢，分析西北地區多能互補新能源發電需求，明確未來階段西北地區多能互補新能源發電設計方案。

另外，在風力發電中多能互補模型的設計方面則要考慮夏季、冬季、秋季及春季風量變化問題，并在風量較少階段做好對風力發電設備的維護，結合西北地區地理環境特點，科學的設置風力發電設備的布置區域，盡可能選擇在山谷低處、平原邊緣地段及丘陵的高處進行風力發電設施的建設，確保風力發電在有限條件下全時段運行。對于光熱發電系統的模型設計，需要考慮光熱發電系統與光伏發電系統并網發電需求，通過優化光熱發電系統的熱能轉換，實現對光熱發電系統發電效率的提升，使光伏發電、風力發電與光熱發電多能互補新能源發電系統的模型設計，可以充分為西北地區多能互補新能源發電系統建設提供參考。

5 新時期西北地區多能互補新能源發電系統構建路徑

5.1 配電系統

配電系統的設計，主要考慮獨立供電系統設計與并網供電系統設計兩個方面內容。

獨立供電系統設計，需要考慮直流負載及交流負載實際的參數及功率，根據供電需求選擇相同規格的逆變器、升壓變換器進行連接。在系統供電相對穩定的情況下，技術人員應基于電流誤差的計算，針對電路輸出濾波瞬時差進行設計方案的調整。若供電系統穩定性相對較差，則要考慮脈沖寬度調制波、恒頻三角載波等數據，對于供電系統的影響，一般情況下，通過分析輸出電壓及電電流波形，可以有效確定獨立供電的電網功率。但在供電穩定性不足及負載率較高的情況下，則不能單一參考輸出電壓及電流的波形進行穩定性評價，要根據正弦輸出電壓的差值，針對設計方案作出適當的調整。

5.2 蓄電系統

多能互補的新能源發電蓄電設備設計，一般采用DC-DC電路、BUCK電路、BOOST電路及BUCK-BOOST等四種方案。其中，BUCK電路具備兼容性強、轉化率高的基本特點，一般在大型設備中有所運用。BUCK變換器能承載較強的電流負載，可以有效解決電流雜波問題。BOOST電路則具有較強的抗干擾能力，在高負載運行情況下，能有效解決高頻瞬態沖擊問題。所以，BOOST變換器適用性也相對較強，能滿足多種系統使用需求。BUCK-BOOST則充分繼承BUCK變換器與BOOST變換器的基本優勢，在無相位要求的情況下，一般優先選擇BUCK-BOOST變換器進行電路設計。DC-DC變換電路的設計，則提升系統控制的獨立性，解決多個供電系統相互干擾的問題，能更好彌補交流電轉換方面的不足。

因此，各地區多能互補的新能源發電系統蓄電設計，必須考慮自身的技術條件、硬件設施參數及適用環境等問題。西北地區具有地理環境相對特殊，在部分電路設計方面可以采取DC-DC變換電路的設計與BUCK-BOOST變換器相結合的設計思路。同時，針對儲能設備的選擇，要根據發電量及效能比轉換率進行計算，一般選擇2～4塊蓄電池作為供電來源，根據設備充電與放電需求，調整蓄電設備的設計方案。若基于12V設計方案，則考慮對電路進行串聯設計。

綜上所述，西北地區地理環境較為特殊，在新能源發電系統的運用方面具有一定的優勢。但受限于技術因素、天氣條件等影響，西北地區多能互補新能源發電系統的設計，無法實現對波浪能、洋流能及潮汐能的全面運用。所以，西北地區的多能互補新能源發電系統建設，應側重于對光伏能源、光熱能源、生物質能、地熱能及風能等能源開發。通過優化設計方案及創造新的設計思路，實現對多能互補新能源發電系統多方面技術優勢的發揮。