太阳能与风能发电并网技术

上海电力建设有限责任公司 郭 辉

1 太阳能和风能

1.1 太阳能

它的特点就是密度相对低、太阳能源变化快、间歇性强等，所以利用太阳能发电会变得相对困难。如何快速有效的收集太阳能，找到正确的方法收集并利用太阳能才是解决问题的关键。太阳能发电有四项关键技术：聚光器、吸收器、跟踪和蓄热。聚光器和吸收器技术主要是为了解决太阳热能密度低、分布不均匀的问题，而储能的难点在于如何储存和减少热损失，在没有太阳光源的情况下提供电力。

太阳能是一种自然、无污染、可再生的能源，但它具有密度低、空间分布不断变化等特点，使用成本也是较高，阻碍了人类太阳能热能的发展。但是太阳能热能技术一旦投入使用，将在后期给我们带来可观的社会经济效益，加上化石燃料对当地环境和其不可再生性产生的负面影响，鼓励了政府支持和推动太阳能热能的发展。太阳能、热力发电四项基础核心技术解决方案就是研究新材料[1]。在我国未来的发展趋势中，将会有大量的太阳能被利用。

1.2 风能

传统的发电技术原理是先转化成动能再转化成电能，在此过程中产生了对环境污染严重的碳、氮氧化物，造成大量的二次污染。这与水电和太阳能发电有一定的相似度但它们是绿色自然能源发电，不会释放任何污染物，有效地保证了中国经济的绿色和可持续发展。

另外，中国拥有非常丰富的风能资源，在风力发电方面具有显著的优势，近年来中国的风力发电一直在快速增长，有效地促进了我国社会的可持续发展。事实上，风力发电是自网的，不会与电网系统相连，通过水力发电和风力发电的有效结合，有助于满足偏远地区的供电需求[2]。然而，离网风力发电的优势还没有得到充分发挥，因此风力发电是一个重要的发展趋势。风力发电并网技术的特点是周期短、占地面积小，有利于实现智能化并网管理机制。此外，通过风电网技术，可以有效地支持和补偿风电场的电网，从而更好地利用风能，提高清洁能源利用价值。

1.3 系统组成结构

可靠的电力供应系统必须有可靠的设计，以确保在风能-太阳能供电系统中太阳能充电和风能充电是两个独立的充电电路。对于电池组，充电由风力发电机和太阳能电池组件两部分进行，充电比例取决于不同地区的资源状况和环境条件。太阳能发电电路由太阳能电池阵列、公共电路和太阳能充电控制器组成。风力发电电路由一个风力发电机、高频整流模块、卸载系统及相关控制元件、配电与保护组成的电源传输控制回路组成。双向电源通过母线与蓄电池连接。

2 太阳能热发电的常用方式及其比较分析

2.1 聚光型光伏发电系统

光伏集中发电是近几年来在我国大规模发展的一项新兴产业。它主要应用在兆瓦及以上并网的太阳能发电厂中。与平板式光伏发电相比，集中式光伏发电技术在成本上更加低廉，而且具备建造周期较短、保养简单、占用面积小、平整性要求较低等优势。

槽式聚光热发电系统。太阳能发电最早采用的技术之一就是槽式集热器，它已经发展成为集热器中最成熟的太阳能技术，槽式集热器中的太阳能热发电就是指通过槽式的抛物表面进行聚焦，将太阳光从其中反射出来送入所需的接收热管中，通过一个管式的热载体，将其中的水体加热为蒸气，驱动一台汽轮机进行发电[3]。因此，槽式热力发电的一个重要关键技术就是太阳能集热器、吸附器、追溯技术以及高温、蓄热等技术。槽式太阳能热电站主要由集热和发电两个大组成部分，其中集热器不同于我们传统的发电方式，包括：抛物槽反射器、热接受器、单轴追溯控制系统、集热器，集热器和传统的发电技术一样，是我国最早、最成熟、最经济的发电系统。

碟式斯特林聚光热发电系统。电气系统包括一个旋转抛物面镜、一个散热器、一个追踪装置和一个热变流技术装置。该系统是直接安装在双轴追踪支持装置上，实现了定期追踪和连续发电。它充分保留了塔架散热器系统的聚焦价格比高、体量大和规模小的优势，较好解决了塔架顶部散热器的散热量大、安装和维修成本低的问题，但盘式太阳能光伏发电系统存在发电效率差、占地面积小、所采用的材料少等明显的缺点。

2.2 平板光伏阵列

平板光伏系统包括太阳能电池板、直流保护和采集系统、交流保护和开关系统、变频器、电能计量、基础设施等。该系统的工作原理是将一个电池面板阵列组装成一个接线盒，直接向直流负载供电。然后，逆变器将组装好的直流电源转换成单相电源，或者根据三相交流电电压和频率为最终用户提供电源系统，该系统主要用于大型并网发电厂。在应用中，需考虑直流线路、交流线路、增压站等部分。为提高太阳光的利用率，通常采用单轴或双轴跟踪系统来延长太阳直射时间和发电量。这个跟踪系统占用了很多空间，因为它通过太阳方位角旋转来驱动面板的阴影效果。一般而言，平板式光伏发电系统结构简单，技术含量低，易于安装和构造，但其存在发电效率较低、运输及维修不方便等一系列缺点。

3 风能发电预测技术研究现状的分析

3.1 异步风力发电机并网技术

异步风力发电机是异步发电机和风力发电机的结合。异步风力发电机的速度与同步发电机的速度差不多，对精度要求不高。异步风电机组的控制装置不复杂，运行可靠、安全，但异步风电并网技术也存在许多问题，如并网后冲击电流较大，造成风电机组电气安全隐患，磁饱和现象会导致励磁电流增大，系统功率降低。因此，通过加强运行监督和有效预防，可以更好地保障异步风电机组并网运行的安全性。

异步风力发电机风涡轮转速和同步风力发电机转速几乎是相同的，不需要进行整步操作和同步设备。然而，异步风力发电机组的并网非常复杂，有许多问题需要解决。如果异步风电机组直接接入电网，容易产生较大的冲击电流，降低电网电压，严重影响电力系统的安全运行。因此，电场运行部门应做好监督工作，制定有效的预防措施，确保风电并网运行的可靠性和安全性。

3.2 同步风力发电机并网技术

同步风力发电机作为同步发电机和风力发电机的组合，不仅可以保证发电机的有功输出，而且可以提供无功功率，还可以有效地保证电能质量，因此在我国风力发电系统中得到越来越广泛的应用。目前国内许多专家正在研究同步发电机和风力发电机的有机融合方法，一般来说风速的大幅波动会导致转子转矩的波动，不能满足并网机组的调速精度。如果不充分考虑上述问题，特别是在大负荷条件下，同步发电机与风力发电机组融合后，电力系统很容易出现无功振荡或失步现象。上述问题导致同步风力发电机组的广泛应用受到影响，随着混频器装置的广泛应用，这一问题得到了有效的解决。

4 新能源应用前景及电能质量控制要点

4.1 太阳能热发电技术的应用前景

太阳能电池可分为晶体系统、薄膜系统、多结系统、有机系统等。晶体硅在市场上很常见，而薄膜太阳能电池将有更大的市场。中国作为能源需求大国，在本国的生产方面可是取得了不错的成绩。在世界各国的共同努力下，随着技术的不断提高，相对应的成本也在下降。社会对太阳能的需求不断增大，当太阳能发电成本降低到一定程度时，将成为未来电网的骨干。

4.2 风能发电技术的应用前景

中国的风力发电机组系统技术常被广泛应用在陆上和海上的风电场建设中。此外，大多数地上的发电站均靠近城市，而且城市的大型高层建筑很容易对其发电量产生影响。风能系统的控制和管理技术无法得到充分优化，导致了风力发电的效率和质量低下，造成经济效益和土地资源的浪费。但随着我国风能系统管理技术的发展和进步，相关专家也开始把风能技术运用到海上风力发电系统中。海风不同于陆风，它们所拥有的风力资源更为丰富，从以上的研究可以清楚地看出，风力机最佳工作原理之一就是叶轮收集风力，这也是直接影响风力机构优化运行的重要因素之一。在建造海上风力发电场时，风力涡轮机收集的风能是陆地风力发电机的1.5倍，然而海上电站的建设成本很高，海风系统管理技术的应用也并未掌握的很好。

4.3 太阳能质量控制要点分析

太阳能电池安装的主要设备是卡车和叉车，整个过程是：首先，使用辅助机械设备，将整个电池组装到指定位置，并保持指定状态，建造者准确地将整个部件放在支架上，并在安装过程中将其固定到位。要注意的是在这个过程中，电池组不能承受高强度的冲击和振动，在安装和运行过程中，尽量轻放电池组，禁止横向和重挤压。在整个过程中，电池堆放到所需的位置，并逐个放置，固定面板，注意面板之间的玻璃结构，避免玻璃破碎的情况出现。

其次，调整电池位置，使装配水平和垂直，每个装配应接近支架的接触面，保持倾角和组间的距离。需要说明的是，在安装太阳能电池时，所有的倾斜角度都要满足设计要求，必须保证这个检查点的质量。最后确定部件调平的结果，完成整个调平过程。目前应用比较广泛的水准测量方法是选择两条可以自然悬挂的直线，连接在两个部件上，然后，用外力拉紧电池串，并以其为标准线，调整其他电池组件的电平。在目前的安装中，很容易出现正负端子相反的连接。为了避免这种情况，电压表在连接时并联，并且总是检查串联开路电压的值是否符合安装标准，在确保没有短路和错误连接后，连接母线盒为以下工作铺平道路。

4.4 风电电能质量控制要点分析

针对风力发电，我们不仅要关注风力发电设备本身的问题，还要有效地连接变压器、静止无功发生器、传输线、风力发电机等不同环节。从设备制造商的角度来看，风力发电机组是一个完整而独立的系统，但从人们的角度来看，风力发电机组是整个系统的一部分，无论是系统可靠性还是设备可靠性，都需从管理和技术两个层面来考虑，以及从整体的角度来看，可以采取什么措施来确保可靠性。

为了保证风电场预期收益的实现，现行风电场投资经济模式中选用的风电机组必须具有运输方便、重量轻、体积小、效率高、安全吊装等特点，在不增加风电场投资的情况下，可以有效降低发电成本，有效提高发电量。同时，随着技术路线的日益多样化，对风力发电技术的推广起到了有效的作用。针对我国风力发电行业的未来发展，应注重提高风能转化率、提高单台风力发电机组的容量、提高其环境适应能力，重点是要改进机组的设计，提高设备的可靠性。