新能源發電技術在電力系統中的應用探究

浙江浙能長興新能源有限公司 楊依娜

引言

在國家政策的引導和扶持下，近年來我國的新能源產業發展速度很快。隨著新能源發電技術的研究應用，新能源項目的裝機規模日益增大。2021年我國新能源裝置總量增加1.34億千瓦，在發電裝機總量中的占比高達76.1%，投產運行的新能源發電項目在2021年達到2.48萬億千瓦發電量，占社會用電總量的29.8%。數據表明我國新能源發電量明顯提升，足以見得我國的新能源發電產業正在快速發展。

新能源屬于能源資源的類別，傳統能源資源包括煤炭、石油、天然氣、水能等，新能源包括太陽能、海洋能、風能、生物質能、地熱能、潮汐能等，與傳統能源相比是在新技術的基礎上對可再生能源進行的開發利用。由于新能源是可再生能源，因此對人類的生存繁衍和國家的經濟發展都有非常重要的意義。通過開發和利用新能源，解決資源短缺的問題，滿足人類社會可持續發展的需求。電能是由一次能源轉化后得到的二次能源，使用和管理起來都更加方便，因此新能源發電技術發展和應用是人類生產生活無法避免的事實。

1 新能源發電技術在電力系統中的應用分析

我國的新能源發電技術主要包括風能發電、太陽能光伏發電、水能發電、地熱發電等。風能發電是利用地球表面大量空氣流動產生的動能進行發電。太陽能光伏發電是利用太陽的熱輻射能進行發電，水能發電是利用水的動能、勢能、壓力能等能量資源進行發電，地熱發電是利用地球內部的熱量進行發電。在新能源發電技術中，由于太陽能的資源最為豐富，且太陽能光伏發系統工藝簡單，在光伏發電工藝中不需要機械運動，因此能耗少，在目前的新能源中具有無與倫比的優勢[1]。

1.1 光伏發電技術

并網逆變器技術：逆變器在分類上可根據直流電源的不同分為電流型逆變器和電壓型逆變器。電壓型逆變器的結構和控制技術比電流型逆變器更加成熟，因此在實際的應用中前者效率更高，應用也更普遍。

電壓型逆變器具體分為絕緣型和非絕緣型兩種。根據并網逆變器的輸入和輸出兩側間是否存在電氣絕緣，以及并網逆變器的工作頻率，可將其分為工頻絕緣型和高頻絕緣型。在并網逆變器的應用中，通常在用戶端和網絡端使用的是非線性負載，如常見的整流橋電路、半波負載。整流橋電路是電子器件的輸入電路非線性負載形式。在非線性負載形式中常見的故障是系統電壓和電流波形發生畸變，從而導致系統輸出波形質量下降。

目前我國對并網逆變器的輸出波形質量制定了明確的技術指標，作為業內人士的參考。并網逆變器技術的應用效果取決于很多因素，其中諧波是影響輸出波形質量的關鍵因素。并網電流中存在直流分量的問題對電網造成嚴重危害，易導致變電站變壓器的直流偏磁現象，一旦磁芯飽和、輸出波形畸變會導致損耗增大、設備使用壽命縮短，增加了光伏發電運維成本，且直流分量對變壓器本身也有損害。目前一般使用隔離變壓器抑制并網逆變器的輸出直流分量，但這種方式只能緩解、無法徹底消除影響，因此對并網逆變器技術應用中的直流注入進行深入研究具有現實的意義。

高低電壓穿越技術：電力系統的安全性是電力供應的根本保障，一旦電網出現故障會直接影響到電力供應質量及穩定性。

針對光伏電站并網的情況，高穿透率是影響電網系統運行安全穩定的重要問題。當電網出現異常時，小型光伏電站應盡快切斷電網，大中型光伏電站由于具有一定的低壓過流能力，可為系統提供無功功率維持電網穩定。大型光伏電站在電網電壓下降時，并網逆變器由于電流容量限制影響到電網注入功率，一旦輸入和輸出功率不平衡將導致直流側過壓的情況出現，并網逆變器的輸出電流過大影響到電力設備運行安全。光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的增加而減小，直到輸出功率為零。因此，對并網電源低壓過流、一級與低壓開關相對應的高壓開關技術進行研究十分必要。

并聯互聯線技術：隨著逆變器的供電方式從單臺轉為多臺，對逆變器的并聯技術提出了更高的要求。逆變器并聯技術是電力系統從小功率向大功率轉變的重要技術手段，也是從集中式向分布式發展的關鍵技術。逆變器并聯技術中常用的是并聯互聯線技術，通過并聯互聯線技術實現逆變器模塊之間的信息共享。并聯互聯技術與平行聯絡線相比具有更好的冗余度，運行可靠性更高，不僅容量給力而且維護管理也方便，具有很好的應用前景。

1.2 光伏發電儲能技術

在十四五發展方案中明確提出了大力加強儲能體系建設的要求。新能源項目的發展應配置儲能設施的建設，逐步提高儲能技術標準，推動儲能技術健康發展，為增強電源測、電網側的調節能力提供良好條件。在光伏發電系統中，儲能系統可更好地保證電力系統正常運行，解決電力系統中供電不平衡的問題，解決電壓脈沖、涌流、跌落、供電中斷等供電質量問題[2]。

蓄電池儲能技術：這種技術是目前較常用也發展前景很好的一種，在供電質量要求較高的負荷區域電網中應用較多，不僅可采用模塊化，具有很好的適用性且可靠性高，滿足電網系統調節需求。該技術是利用電池正負極的氧化還原反應來進行儲能，充電放電的過程實現能量的儲存和釋放。在電網系統的高負荷時能及時供電，還可通過蓄電池儲能來進行無功補償，有利于抑制電壓波動和閃變情況發生。蓄電池儲能技術常見的電池類型已有很多種，如鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。

超級電容器儲能技術：這種技術的電容器材料較為特殊，采用多孔的材質作為電容器的介質。超級電容器不僅具有傳統電容器釋放能量快的特點，且比普通的電容器具有更高的介電常數、耐壓能力更好、存儲容量更大，在儲能市場中應用越來越多。

超級電容器儲能技術的原理不同，可據此分為不同的類型，包括雙電層電容器、電化學電容器等。雖然超級電容功率密度大、充放電速率快、能量儲存壽命長，但也有不足之處，如能量密度低、端電壓波動范圍大、電容易發生串聯均壓的問題。因此在光伏發電站實際儲能技術應用中，更多是將蓄電池和超級電容器結合起來，發揮出技術優勢互補，通過二者結合使用更好地提高儲能裝置的整體性能。將蓄電池和超級電容器并聯可提高儲能裝置的功率輸出能力，能降低內部損害、延長放電時間，可縮減蓄電池的充放電循環次數、延長電池壽命，可縮小儲能裝置體積空間占用率，提升儲能系統的綜合性價比。

飛輪儲能技術：一種機械儲能技術，優勢在于充電迅速、充放電次數無限、儲能設施建設工期短、儲能量高、使用壽命長、對環境沒有污染，不足之處在于維護管理費用較高。

采用模擬仿真技術對光伏飛輪儲能系統進行對比試驗，對飛輪儲能系統的飛輪轉速、輸出功率、平滑系數進行模擬分析，并將模擬分析結果和簡單飛輪儲能裝置進行對比，對飛輪儲能系統運行參數進行優化，實現對電網穩定功率的輸出，得到理想的控制效果。為提高發電系統對電網輸出可調度的穩定性，采用電流內環、電壓外環的控制方式進行充電和放電，提高電力系統輸功率穩定，避免外界干擾因素對光伏發電系統并網造成的波動[3]。

超導儲能技術：該技術是利用超導線圈的電磁轉化性能將電網供電以磁場的能量方式儲存起來，在需要時再將儲存的能量釋放到電網中。超導儲能系統中超導線圈是位于真空絕熱冷卻裝置中，在深冷和真空孔泵系統作用下來創建可靠的儲能環境，在電力電子裝置作用下對能量儲存和釋放進行調控。在超導線圈中，電流因閉合電感而不會消失、持續循環，可實現長期無損耗的存儲能量，且具有很高的能量返回效率，釋放能量只需幾秒就能實現。采用超導除能技術可使光伏電網電壓、頻率、有功和無功功率得到有效調節。利用超導儲能系統后可使光伏發電機組的輸出電壓和頻率更加穩定，體現出良好的性能。

2 新能源發電技術的應用要點

新能源發電技術應用必須進行系統規劃，在決定制定新能源發電項目后結合發電生產的需求和目標合理選擇和設計新能源發電技術。通過合理制定新能源發電技術應用要求規范發電技術操作，確保新能源發電技術應用的效果達到預期目標。

新能源發電技術應注重多種能源的綜合利用，以平衡掉單一資源的不穩定性。新能源包括多種類型，太陽輻射能受到的空間地理位置的影響最小，因此是適應性最強的一種新能源類型。水能發電和風能發電對水能資源和風能資源的開發利用效率受到外界更多因素的干擾，提前預測的能力不足。在新能源發電技術的應用中，可考慮將太陽能光伏發電技術和水能發電技術、風能發電技術結合起來，提高新能源發電技術綜合應用效率，提升資源利用率，保證電網供電穩定。

實際應用中，供電質量受到多種因素的影響，如設備故障、人為失誤、外界環境影響等，因此在多種能源綜合利用的過程中不僅要對單一新能源系統的不利因素進行分析和防控，還要對多種能源系統整合后的不利因素進行分析，從而降低多種能源綜合利用帶來的風險，提高能源利用的整體水平[4]。

新能源發電技術應注重提升電力系統的安全性。和傳統的發電方式相比，新能源發電技術對設備、技術應用提出了不一樣的要求，發電設備、設備的操作流程都不同。而新能源發電技術和傳統發電技術相比發展晚，但優勢在于有政策環境的支持，技術的發展和應用速度快。但在新能源發電技術的應用中仍有不成熟的地方，對發電生產安全、生產效率、供電質量帶來影響。

在新能源發電技術應用中，必須將電力系統的安全性作為根本考量要素。隨著信息化技術、數字化技術和人工智能技術的發展，新能源發電項目中的安全管理方式和手段也將不斷升級革新。利用現代化新技術、新方法和新設備，對新能源發電技術應用中的風險隱患進行辨識、分析、診斷，準確及時地發現電力系統的缺陷異常，及時采取安全應對策略，提升電力系統的安全性。

新能源發電項目中，由于新設備新技術的應用，現場值守人員數量越來越少，最終實現無人值守的目標，遠程監控和操作技術水平的要求也將越來越高，無疑給新能源發電場工作人員提出了新要求，必須加強工作人員的知識技能培訓，尤其是安全意識和安全風險識別和故障處理技術的訓練，提升電力系統運行安全，滿足新能源發電場實際需求。而風能發電技術、水能發電技術等新能源發電技術受到環境因素的影響較大，為提高新能源發電項目電力系統的安全性，及時收集氣象專業信息是十分重要的，根據氣象信息的變化情況，及時調整生產、調度、設備維護等方案，做到有備無患[5]。

新能源發電技術應保持不斷創新。理論聯系實際是技術創新發展的根本支點。密切關注國內外新能源行業的新資訊，學習新理論、新技術、新策略，豐富和積累新能源發電技術應用的經驗，促進新能源發電技術快速更迭，推動新能源發電技術的蓬勃發展。

3 結語

在十四五發展時期，我國提出了實現碳達峰、碳中和目標，加快構建以新能源為主體的新型電力系統是實現這一目標的重要途徑。隨著新能源發電技術的發展和應用，未來新能源發電成本將得到下降，最終實現平價上網，成為我國能源結構轉型的重要力量，推動我國電力供應走上清潔可持續發展道路。