新能源发电技术在电力系统中的应用效果研究

2018-12-17田蓬勃

中国设备工程 2018年22期

田蓬勃

（鲁能新能源（集团）有限公司，北京 100020）

目前，我国能源消费总量在不断增加，能源供需缺口在不断增大，而能源生产消纳结构不合理，传统能源消费仍然占主体。因此，我国需要改变能源消费现状，缓解能源消费矛盾，解决途径之一便是系统开发利用可再生能源，不断完善能源供给侧结构的多样性和可持续性。由于新能源具有污染少、储量大、永续性等特点，因此新能源技术的革新进步已经成为世界能源发展的重要方向和领域。通过技术进步高效利用资源，扩大市场需求，培育新的经济增长点，实现经济与环保的协同发展。

1 新能源发电技术分析

1.1 新能源的定义

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。

1.2 新能源技术的发展情况

按照技术水平的成熟度和技术转化的情况，新能源的发展可分为研发、示范、推广和产业化4个阶段。

目前核电、太阳能热水器、沼气等技术已经成熟，进入产业化的成熟阶段；太阳能光伏发电、风电、生物质发电、地热发电、生物燃料等技术基本成熟，已经进入产业化初期或中期阶段；地源热泵、大中型沼气池需要靠规模化来降低成本，处于推广阶段；太阳能热发电、潮汐发电、氢能的制备和储存、燃料电池在技术上已经成功，但需要做进一步的提升，目前还处于示范阶段；纤维素乙醇、天然气水合物的勘探和开采、受控核聚变等技术尚未成熟，还处于研发阶段。

2 新能源发电技术应用

目前，新能源发电技术从应用规模、应用程度、技术安全性的角度分析，以风电、光伏最为成熟，本文将主要就这两种技术展开讨论。

2.1 风力发电技术

风力发电是全球最主要的资源之一，它的资源储量高于目前人类掌握的任何一类资源，相当于水资源的10倍以上。风力发电就是利用风力转变为驱动风力的机械力，风力发电机实现机械能到电能的转换。

（1）风机类型。风机按装机容量划分，可分为小型风机、中型风机、大型风机、特大型风机。风机的容量越大，桨叶长度越长。按照风轮结构划分，可分为垂直轴结构和水平轴结构。按照功率调节可分为变桨风机、主动失速型风机、定桨风机。按发电机转速可分为恒速、变速、多态定速风机等；按能源形式又可分为海上风电和陆上风电技术。按风能驱动分又可分为高速、低速风机，顺风、逆风风机。

（2）设备组成及功能。风力发电机组主要由风轮、机舱、基础、塔筒等部分组成。风轮一般由叶片、轮毂、变桨系统组成，叶片形状决定了风能的吸收程度。当风机风速超出切出风速时，主要依靠旋转的叶尖实现气动制动。叶片在异常运行中，针对覆冰、腐蚀、裂纹等情况，要及时做好风机叶片的保护与防护。

（3）风机控制技术。并网发电机一般有3种，双馈、双速异步、变速风力发电机，风机并网制方式是通过改变桨距对机组转速和功率进行控制，可使用最大功率追踪法，实现风电功率的转换，随着新技术的迅速发展，新的并网技术采用模糊控制方式来实现转速和功率的调节，通过神经网络控制叶片桨距及预测风轮气动特性，取得良好的效果。

无功电压控制技术：风电并网点电压的稳定和无功补偿同等重要，风电场并网运行时，吸收无功，此时需要给风电场配备SVG等无功补偿装置，进行实时动态补偿，降低因输送功率导致的系统振荡效果，改善电网运行环境。

2.2 光伏发电技术

太阳辐射实际上是地球能量的主要来源，太阳能连续不断的辐射地球，每秒钟辐射的能量相当于500万t标煤的能量。合理利用这部分能量，可以创造大量的经济效益和环保效益。

（1）光电效应。在某一特定电磁波的照射下，某些物质内部的电子会被激发出来，形成电子。PN结的光生伏打效应主要由半导体光照，不稳定的电子—空穴对形成，不稳定的电子—空穴移动，在电势影响下，P侧的空穴和N侧的电子形成电势。太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组、电池控制器、蓄电池、交直流逆变器等组成。

（2）电池组。太阳能电池一般分为晶硅电池、硅基薄膜电池、化合物薄膜电池、有机半导体光膜电池、聚光光伏电池。晶硅电池有单晶和多晶之分，硅基薄膜光伏电池效率低，化合物薄膜电池对环境污染、人身危害较大，暂不考虑。有机半导体光膜电池正处于发展阶段，国内没有应用的先例。聚光光伏电池为目前效率最高的电池，但需要配备聚光系统和散热器，为保证聚光效率所增加的设备投资，要大于多发电量产生的效益，所以聚光电池转入商业运行还有很长的路要走。

（3）光伏阵列方式的选择。对光伏组件的支撑包括单轴、双轴跟踪、固定式3种。单轴跟踪可提高效率20%，双轴跟踪可提高效率25%，双轴高精度跟踪甚至可提高效率30%。还要注意安装倾角的选择。表1为光伏组件阵列对比。

表1 光伏组件阵列对比

（4）逆变器。逆变器是光伏发电的关键设备，逆变器的选型要考虑性能、效率、直流电压的输入范围、保护功能、监控及数据采集功能。目前，有3种形式的逆变器可供选择。表2为逆变器优劣比较。

表2 逆变器优劣比较

3 新能源发电技术的难点

3.1 风机低电压穿越技术

风力发电技术中，低电压穿越绝对是一个关键技术。当风机出口电压下降时，如不考虑低电压的穿越能力，会出现风区内大面积风机雪崩式脱网，最终造成正片风区全部瘫痪，给电力系统的稳定性造成威胁。所以目前风机均要求在设计时具备低电压穿越能力，以遏制低压对风场安全运行的威胁。为保证风机的低电压穿越能力，设计上从电压的角度入手，风机出口电压在凹陷区域时，通过AVC,SVG等迅速使电压恢复到正常水平，从而实现风机低电压穿越功能。

3.2 光伏电站SVG调压技术

光伏电站，特别是电源点末端的电站最容易受到过电压的威胁，且电站的调整手段有限，所以要充分发挥SVG的性能，SVG的调节有3种模式：恒电压模式、恒功率因数、恒无功模式时，功率因数设定为0.98。日常运行中，省调要求的电压调整模式主要是恒功率因数控制，保持无功变化随负荷动态调整；当系统电压超过额定电压10%及以上时，此时恒功率模式控制无法满足电压的调整需要，此时则需要投入恒电压模式，以某一35kV电站SVG电压调整举例：当负荷增大，母线电压达到38.5kV时，SVG投入“恒电压”模式运行（目标电压38kV）,当负荷较小时，SVG投入“恒功率因数”模式运行（恒功率因数：0.98）。SVG投“恒功率因数”时，也会造成母线电压的升高。以上设备的抬升母线电压会造成电站过电压保护装置动作，解列设备。

3.3 光伏组件PID效应治理

所谓光伏组件PID效应是指电位诱发衰减，因组件长期工作于高压条件，在漏电流、电荷集聚的影响下，组件性能迅速下降，严重时可下降50%以上，PID效应在高温、高湿、高盐碱区域比较严重。PID效应治理主要从3个方面进行。

（1）系统方面。夜间对组件和大地之间施加反向电压，利用新工艺，使用微波逆变器，降低系统电压，减弱PID效应的影响。（2）组件方面。由于高湿是组件PID现象的要因，提高组件密封就显得重要，优化EVA生产工艺、筛选原料和优化原料的配比，可以提高EVA胶膜对组件抗PID的效果。（3）电池方面。电池是最重要的抵抗PID的关键因素，可以考虑改变发射极和SiN减反层，这2项技术的改进会对发电效率、设备造价产生影响。