新能源發電特性與經濟性分析研究

李彥榮,王康民

(1.山西能源學院，晉中 030600;2.山西省高效太陽能光電轉換工程技術研究中心，太原 030000)

0 引 言

近幾年，光伏產業的發展趨勢十分迅速。從2007年開始，我國便已經成為世界上太陽電池生產的第一大國，當前市場中可以生產太陽電池片的光伏企業數量已經多達數百家。經過近一段時間發展，我國在生產光伏產品方面已經形成了產業鏈。隨著規模化的生產及金剛線的應用，光伏組件生產成木不斷下降。此外，隨著晶體硅技術不斷進步，光伏轉化效率不斷提高，也使光伏電站單位千瓦投資不斷下降。根據國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心(CPVT)的測試認證，隆基樂葉單晶PERC轉換效率最高水平已達到23.26%。近年來，我國在利用新能源方面取得了較大的進步。

1 能源發電特性

為了減少環境污染、提高能源綜合利用效率，未來新能源和可再生能源將進入一個快速發展的時期。因為風力發電和太陽能光伏發電受到季節、天氣等因素的影響較大，而且目前這兩種新能源在實際中開發利用的較多。

1.1 風力發電模型及其動態特性分析

風力發電機組原動機的能量來源為自然界中風的動能。由于風速的易變性和不可控性，風力發電機組幾乎每時每刻都遭受到較大程度的擾動，這種擾動無論對機組本身還是對與之相連的電力系統，都將產生一定程度的影響。因此，風力發電系統動態仿真分析就需要建立與之相適應的數學模型。在風的移動過程中，既有動能的變化，又有勢能的變化。在一定時間和空間范圍內，風速的變化具有隨機性。為了能夠在模擬風速變化時準確地反映出風能的隨機性和間歇性的特點，通常用基本風、陣風、漸變風和噪聲風這4種典型模型來模擬風速變化的時空模型。

1.2 太陽能光伏發電模型與動態特性分析

地球繞地軸自西向東自轉形成晝夜交替，地球自轉的同時繞太陽公轉。地球的自轉軸與公轉運行軌道面(黃道面)的法線傾斜成23.45度夾角，而且在地球公轉時自轉軸的方向始終指向地球的北極，這就使得太陽光線直射赤道的位置有時偏南，有時偏北，形成地球上季節的變化。由于地球的自轉和公轉，相對地平面來說，太陽的位置不停地在變化。在赤道坐標系中，太陽位置由時角和赤緯角兩個變量決定。

2 新能源發電并網技術

2.1 風力發電并網技術

目前風力發電具有兩種運行方式：獨立運行的離網運行電和接入電力系統并網運行。離網型風力發電與并網型風力發電相比其風力發電規模較小，其通過電能存儲裝置或者與其他發電技術相結合可以為沒有電網的偏遠地區供電。并網型風力發電是世界風力發電發展的主要方向，其發電容量較大，通常為幾兆瓦到幾百兆瓦，由于其與大電網相連，從而可以得到大電網的補償和支撐，可以使風資源更加充分的開發和利用。隨著風力發電技術的不斷進步，風力發電的成本也在不斷降低，在考慮環境效益等因素的情況下，風力發電在經濟上具有很大的吸引力。

2.2 太陽能發電并網技術

太陽能發電可分為太陽能熱發電和太陽能光發電兩大類。太陽能熱發電系統主要由集熱部分、傳輸部分、儲熱部分構成。根據聚光式系統的不同可以分為塔式太陽能熱發電系統、槽式太陽能熱發電系統以及碟式太陽能熱發電系統。太陽能光發電是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電形式，包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電，目前最常用的為光伏發電。光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件吸收太陽光輻射能，并將其轉變成為電能的一種直接發電方式。目前世界上應用最廣泛的太陽能電池為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。

2.3 分布式能源系統并網技術

分布式能源(Distributed Generation，DG)是指電源靠近用戶側，發出的電能可以被附近用戶就地利用，其接入電網的電壓等級在10 kV及以下，并且單臺裝機容量不超過6 MW的發電項目。分布式能源的能量來源主要以太陽能、天然氣、生物質能、風能、地熱能、海洋能等為主。分布式能源和電力系統之間存在著四種關系：一為分布式能源獨立運行向周圍的用戶供電；二為分布式能源和本地的電網之間接入了自動轉換裝置；三為分布式能源和系統直接并聯運行，分布式能源對本地電網無電能輸出；四為分布式能源和系統直接并聯運行，并且能夠向本地電網輸送電能。目前，分布式能源接入配電網的方式主要有三種方式：低壓分散接入模式；中壓分散接入模式；專線接入模式。

3 高風力發電經濟性的技術研究

3.1 風電供暖技術

所謂風電供暖，就是利用過剩風電即棄風電力進行供暖。當系統中風電過剩時，要降低熱電機組強迫出力來增加風電上網空間以接納一部分過剩的風電，對于熱電機組由于電熱約束減少的發電量所導致的供熱不足部分，則由安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過剩的風電進行補償供給，這樣就能夠在保證供熱的情況下實現對過剩風電的消納。從宏觀上講，棄風供暖方案的本質就是在風電棄風時段，使用棄風電力替代熱電機組進行供電和供熱。因此，從短期來看，可降低整個系統的煤耗量，具有明顯的節煤效益。同時，電鍋爐設備結構簡單、價格低廉、能源轉換效率高；而且，電鍋爐運行靈活，可通過調整電流大小或者加熱棒的投切來調整其消耗電功率的大小。

3.2 風電場經濟性分析

利用過剩風電(棄風電力)進行供暖的原理為：當系統中風電過剩時，要降低熱電機組強迫出力來增加風電上網空間以接納一部分過剩風電；而對于熱電機組由于電熱約束減少發電量所導致的供熱不足部分，則利用安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過剩風電進行補償供給，這樣就能夠在保證供熱的情況下實現對過剩風電的消納。

3.3 風電儲能技術

目前，主要的儲能技術包括壓縮空氣儲能技術、抽水蓄能技術、電池儲能技術、飛輪儲能技術、超導儲能技術等。一般來說，燃料電池消耗的能量較少，但是與飛輪儲能相比其消耗的電能相對較高。為了滿足短期充放電的需求，目前的電容儲能裝置容量建造的都非常小，大型電容儲能技術還沒有發展到可以實際應用的階段。電能存儲裝置在電網低谷時期存儲風力發出的多余電量，這部分電量在電網用電量高峰時釋放出來。電能存儲裝置不僅提高了風電場的發電量，也提高了風電的電網穿透率。同時，電能存儲裝置在輸電和配電過程中還能起到保證電能質量的作用，同時也可以起到削減風電波動性的作用。

3.4 風電儲能技術經濟性分析

成本是選擇儲能技術的主要指標之一。對于一種新興技術，阻礙其廣泛應用的因素之一就是成本。合理有效的儲能成本，不僅能促進儲能技術的發展和應用，也可以提高可再生能源的電網滲透率。儲能成本與儲能容量成正比。能量轉換系統作為一個連接組件，連接能量用戶和儲能設備，主要由控制開關、控制器、轉換器等設備組成。能量轉換成本也正比于儲能系統的容量。其他成本還包括廠房設施成本、控制系統成本、連接成本等等。這個成本也與儲能系統的容量成正比。這三個關鍵成本也都是儲能系統的初始投資成本。