电力系统中新能源发电技术的应用探究

中国石油大连石化公司 蔡 楠 沈阳职业技术学院 孙艳波 特变电工天津电力勘测设计分公司 冀 勇

1 新能源发电技术类型及特点

1.1 燃料电池

当前，可用于分布式发电的燃料电池包括PAFC、SOFC、MCFC以及PEMFC。燃料电池结构共三个部分，包括预处理装置、燃料电池堆以及并网逆变装置。

结合图1来看，单个燃料电池直流电压为0.7V，多个燃料电池可并联为燃料电池堆，进而产生更高的电压。通过并网逆变装置可将燃料电池堆出口电压VFC转化为交流电压Vac，而交流输出电压以及交流输出功率则可以转换为调制系数m和相角δ的函数，公式表示为：Vac=mVFC∠δ，Pac=mVFCVSsinδ/X，据此可知燃料电池有功功率输出由相角控制。逆变装置处于无能耗状态时，相角与氢气流速之间的关系可以表示为：，据此可知相角可通过控制氢气流量控制。

图1 燃料电池结构图

以上式中：Pac表示的是逆变装置交流侧输出功率；VS表示的是用电负荷侧电压；X表示的是逆变装置与负荷间的线路简化电抗；qH2表示的是氢气流量；NO表示的是并联燃料电池数量；F表示常数；u表示的是氢气利用率。并网逆变装置通过控制调制系数完成对输出侧电压幅值的控制。

1.2 光伏发电系统与储能系统

光伏发电系统可将太阳能光伏阵列直流电能转换为交流电能，保证与电网同频同相，进而为电网运行提供有功能量。

通过光伏并网发电应用的是电压源型电流控制逆变装置，其输出功率受到太阳电池阵列工作电压影响，因此要提升输出功率，需要先将工作电压稳定在最大功率点电压状态下。结合图2来看，MPPT为最大功率点跟踪单元，其主要功能是对即最大功率点电压进行确认。AVR为电压调节控制单元，光伏并网发电中可完成I＊p即并网电流给定值的输出，通过与电网运行状态合并，实现对ACR即电流调节控制单元DC/AC变换器的输出。

图2 光伏并网发电控制流程

储能系统与光伏发电系统的控制方法基本一致，运行期间通过蓄电池同时发挥电源及电网负载的作用。电路处于不同工作状态时，蓄电池状态也存在差异，当电路工作处于整流状态时，能量流向为电网侧至直流侧，完成蓄电池充电；当电路工作处于逆变状态时，能量流向为直流侧至电网，完成蓄电池放电。

1.3 微型燃气轮机热电联产

通常情况下，微型燃气轮机功率在25～100kW范围内，整体功率较小，而在微型燃气轮机热电联产中，其功率产生主要包括热功率及电功率两种类型，同时通过“以热定电”以及“以电定热”两种模式完成运行。微型燃气轮机模式下，通过控制转速来调节功率相角及有功功率输出，同时在电力电子设备支持下可以实现可变电压向固定电压、可变频率向固定频率的转变，满足负荷供电需求。

2 光伏发电技术在电力系统中的应用

2.1 光伏发电技术原理构造

太阳辐射可产生巨大能量，加强太阳能开发也是实现能源结构调整的关键所在。光伏发电效益受到光电转化率、光电成本等因素的影响，为实现光伏发电技术合理应用，需要加强度原理构造的分析。首先，光伏组件在特定电磁波照射下对激发游离电子，向特定方向移动后可形成电流，即为光电效应，也是光能向电能转化的过程。一般来说，光伏组件处于光照条件下时电势可驱动电子向新空穴移动，实现光伏发电。当前，常见的光伏发电系统包括电池组、光伏阵列、逆变装置等，同时直接影响到光伏发电系统的发电效率。

其次，电池组是光伏发电系统的重要组成部分，主要类型包括单晶硅电池、多晶硅电池、化合物薄膜电池、硅基薄膜电池等。其中，单晶硅电池的光电转换效率可达24%，具有广泛的应用空间；化合物薄膜电池存在污染较大的弊端；硅基薄膜电池存在光电转化效率低的问题，只有10%左右，并且会随着使用时间的延长而逐渐缩减[2]；最后，光伏阵列可实现光能直接接收，在当前应用中主要可分为固定式、单轴水平跟踪、双轴水平跟踪以及双轴跟踪4种结构设计模式，相较于固定式光伏阵列，单轴跟踪、双轴跟踪在发电效率上得到明显提升，分别可达到20%以及30%。不同类型光伏组件阵列对比情况见表1。在安装光伏阵列的过程中，应选择合理的支撑方式与安装倾角。

表1 不同光伏组件阵列对比

表2 并网发电程度评估等级

2.2 光伏发电技术运行模式

在光伏电站运行期间，其末端点电站受电压影响更为明显，因此可引入无功电压控制技术，借助无功发生器（SVG）对电压进行调节。现阶段，SVG电压控制技术主要可以分为两种，一是恒功率因数模式，主要应用于日常环境下，可监测电压变化情况实现无功调整；二是恒电压模式，主要应用在系统电压超出额定电压达10%时。光伏发电技术具有周期短、无污染等优势，且对安装场地方面要求更低，减少受到机械传动部件运输、维护限制。

2.3 光伏发电系统技术应用

2.3.1 并网发电适宜性评估技术

光伏发电系统构造应以丰富光照资源为基础，因此事先应对并网发电适宜性进行评估。相关评估工作的开展主要集中于计算多年平均太阳总辐射年总量，其计算公式表示为：，式中：表示的是太阳总辐射平均年总量；Di表示的是n年内第i年太阳总辐射年总量。据此可计算太阳总辐射年总量均值，峰值日照表示为ιsp=1kW/m2，太阳总辐射年总量用MJ/m2表示，由此可以得到，年峰值日照小时数计算公式表示为：，日峰值日照小时数计算公式为：hdm=hym/365，根据上述计算结果，对比我国《光伏并网电站太阳能资源评估规范》有关规定，可对当地并网发电适宜性进行评估。

2.3.2 光伏发电系统构建

光伏发电系统由光伏阵列、控制器、转换器等构成，以35kV、110kV输配电交流系统作为常规输配电系统。光伏方阵可将太阳能转化为低压直流电，再通过逆变器将直流电转换成交流电，最终达到电力系统运行要求接入35kV电网。

2.3.3 光伏发电出力特性

晴天条件下光伏电站出力区间主要集中在7：00～20：00时；阴天条件下光伏电站出力呈现出较大波动。在对光伏发电技术发电量进行研究的过程中，首年理论发电量计算公式表示为：Ep=HA×PAZ/ES×K，式中：EP表示的是理论发电量，单位为kWh/m2；HA表示的是太阳能总辐射量；单位为kWh；PAZ表示的是光伏组件安装容量；ES表示的是太阳能辐照度，通常按1kWh/m2取值；K表示计算系数，通常按0.95取值。

2.3.4 光伏发电技术相关计算

谐波允许值是光伏发电项目运行期间的关键参数，由于光伏电站运行需要依靠光伏逆变器，因此也加强了对电力电子变流技术的应用。为满足技术运行需求，需要对注入系统的谐波电流采取一定限制措施。其中，规定总谐波电流和电压畸变系数应达到相关要求，控制电压总谐波畸变率在3.0%以下，110kV母线侧各次（次数）及其谐波电流允许值（A）如下：2/12、3/9.6、4/6.0、5/9.6、6/4.0、7/6.8、8/3.0、9/3.2、10/2.4、11/4.3、12/2.0。

基于以上数据，可对连接点的谐波电流允许值进行计算并实现最小短路容量换算，其计算公式表示为：，式中：Ih表示的是Sd1状态下的第h次谐波电流允许值；Ihp表示的是常规状态下的第h次谐波电流允许值；Sd1、Sd2分别表示的是最小短路容量与基准短路容量。

基于上述计算，可以得到光伏电站接入系统谐波电流允许值，具体谐波次数（2～12次）及其各自的短路容量（基准750MVA/实际537MVA）分别为：12/7.7、9.6/5.9、6.0/3.8、9.6/5.8、4.0/2.6、6.8/4.3、3.0/2.0、3.2/1.8、2.4/1.7、4.3/2.8、2.0/1.4，据此可看出，在基准750MVA与实际537MVA条件下短路容量存在差异，同时应保证光伏电站注入谐波分量在允许值以下。

3 结语

综上所述，新能源发电技术的发展与应用为我国电力系统建设指明新的方向。在新能源发电技术的支持下，还可以有效实现对太阳能、风能、生物质能等可再生资源的综合利用，实现了电能的稳定供应，缓解我国一直以来的能源危机。近年来，新能源发电技术已经逐渐成为我国电力系统中的核心技术，因此在未来发展中，应进一步加强相关技术投入，实现经济效益与社会效益的共同发展。