關(guān)于風電場與光伏電站的有機結(jié)合

陳都平

【摘 要】經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求量劇增，能源供應面臨著巨大的壓力。能源的過度開發(fā)使傳統(tǒng)能源緊缺的狀況日益嚴重，同時也使生態(tài)環(huán)境進一步的惡化，風能、太陽能新能源的開發(fā)和利用使能源供應緊張的狀況得到有效的緩解。本文對風電和光伏發(fā)電的特點進行研究，并在此基礎上對風電場與光伏電站在無功補償?shù)囊筮M行分析，并對SVG在風電場以及光伏電站的應用進行研究和探討，旨在實現(xiàn)風電場與光伏電站的有機結(jié)合，為我國能源供應做出更大的貢獻。

【關(guān)鍵詞】風電場 光伏電站 風光互補

隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展，對能源的需求量越來越大，有限的能源儲藏量和無限增長的能源需求量造成了能源供需之間存在嚴重的不平衡。資源的過度開發(fā)，使得生態(tài)環(huán)境受到嚴重的破壞，傳統(tǒng)能源嚴重短缺，能源爭奪的問題愈演愈烈。新能源的開發(fā)和利用，全球能源發(fā)展的大勢所趨，是緩解能源供需壓力的有效途徑。相對于傳統(tǒng)能源來說，風能、太陽能作為可再生能源，發(fā)展?jié)摿薮螅C合效益高。如今，大力開發(fā)新能源，重視風能、太陽能的開發(fā)和利用，能為全球能源領(lǐng)域的研究重點和熱點。

新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到國家的高度關(guān)注，并頒發(fā)了一系列的政策法規(guī)對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予大力的支持，為新能源的開發(fā)和利用提供政策和資金保障。近年來，我國的風電場和光伏電站發(fā)展迅速，規(guī)模和容量不斷擴大，使我國新能源產(chǎn)業(yè)進入了一個全新的發(fā)展階段。風能和光能發(fā)電隨機性強，而且具有明顯的間歇性特點，因此在穩(wěn)定性和安全性方面比傳統(tǒng)能源難度更大，要求更高。風電場與光伏電站的并網(wǎng)，給電網(wǎng)調(diào)度以及電網(wǎng)安全方面帶來了很大的壓力，為電網(wǎng)送點質(zhì)量和功率平穩(wěn)性帶來了明顯的沖擊。

1 風電和光伏發(fā)電的運行特點

風電場中的風電機組的運行是利用流經(jīng)的風能進行發(fā)電，因為風能的隨機性和不穩(wěn)定性，加上空氣密度、槳距角的變化使得輸出功率的平衡性難以得到保證。風速的變化對輸出功率的影響最大，而且隨機性強，這是導致風機輸出公路變化頻繁的主要愿意。同時，外部原因，如塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素，等風機的葉輪轉(zhuǎn)動造成影響，轉(zhuǎn)矩的頻繁變化造成風機輸出功率不穩(wěn)定。可以說無論是哪種因素引起的風機輸出功率的波動，都會影響電壓的穩(wěn)定性，使電壓處于頻繁波的狀態(tài)。

光伏發(fā)電是將太陽光能運用半導體界面進行轉(zhuǎn)變使其轉(zhuǎn)換為電能。但是光伏發(fā)電穩(wěn)定性不高，調(diào)節(jié)能力薄弱，氣候條件是影響光伏發(fā)電電量的主要因素，特別是夜晚或者陰雨天氣的條件下，發(fā)電量很少甚至不發(fā)電。實施并網(wǎng)為了有效增加風電場與光伏電站的容量，促進新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而在并網(wǎng)的過程中將二者有機的結(jié)合，既保證發(fā)電量能夠不斷增加，同時又要注意保持電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性，這是并網(wǎng)急需解決的或者重點問題。風電具有隨機性大的特點，風力大小變化使得出電量也隨之不斷變化，而光伏受晝夜以及氣候影響很大，即使是多云的天氣，光伏出電量也是時有時無，或多或少。由此可見，無論是風電還是光伏發(fā)電都具有多變性，而這一特性又造成了對電網(wǎng)沖擊的頻繁變化，由此帶來的最直接的影響就是電壓波動性大而頻繁。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，無論是直驅(qū)風機還是逆變器都存在低電壓穿越的過程，無法提供充足的無功，這樣就會造成電網(wǎng)系統(tǒng)電壓在較長一段時間內(nèi)跌幅震蕩，從而容易造成大面積脫網(wǎng)事故的發(fā)生。為了有效的解決這一問題，目前最好的方法就是利用無功功率補償器對電網(wǎng)進行無功補償，以實現(xiàn)風電場與光伏電站的有機結(jié)合。

2 呼倫貝爾風能和太陽能的分布與開發(fā)

內(nèi)蒙古呼倫貝爾屬于溫帶季風氣候，全年季風氣候時間可長達六千小時以上，平均風速也在每秒三米以上，滿足風力發(fā)電對于風力連續(xù)性以及風速的要求。特別是冬季較之我國其它地區(qū)都要長，受來自于西伯利亞寒流的直接影響，在強冷空氣的沖擊下，會產(chǎn)生持續(xù)的強勁的風力，由此產(chǎn)出豐富的風力資源，而且風能密度高。風能發(fā)電有效的減少了不可再生能源的供應壓力，而且具有持續(xù)性高，綠色環(huán)保的特點。呼倫貝爾憑借得天獨厚的風力資源和太陽能資源條件（見下表1），只要開發(fā)利用得當，能夠有效的緩解傳統(tǒng)能源供需壓力，解決生產(chǎn)和生活中能源短缺的問題。

3 風電對電網(wǎng)的影響

在內(nèi)蒙古地區(qū)，風電的反調(diào)峰特性表現(xiàn)非常明顯，在夏季，氣候干燥炎熱，農(nóng)田灌溉、畜牧養(yǎng)殖、居民生活用電負荷大幅度增加，屬于用電負荷的高峰期，而在此季節(jié)，風力條件處于年度的低谷期，風力發(fā)電量在年度發(fā)電量中所占比例很小。在冬春季節(jié)，用電負荷相對于夏季明顯減少，而此期間又是風力資源豐富的時期，特別是冬季受西伯利亞寒流的勁風影響，風力較大，持續(xù)時間也較長，春季受暖濕氣流的影響，氣溫逐漸回升，多刮東南風。受季節(jié)氣候條件的影響，風電的反調(diào)峰特性顯現(xiàn)，參見下圖1：

在內(nèi)蒙古風電機組并網(wǎng)的過程中，電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性面臨著沖擊，特別是在系統(tǒng)聯(lián)絡線以及調(diào)峰方面，困難較大。在冬季，供熱機組的調(diào)峰相對薄弱，隨著峰谷差的不斷拉開，電網(wǎng)負荷的調(diào)整面臨的壓力也越來越大。風電并網(wǎng)的不斷推進，也逐漸有新的問題顯現(xiàn)出來：

（1）對電網(wǎng)聯(lián)絡的影響。風電場的并網(wǎng)雖然在一定程度上使容量增加，但是其所特有的不穩(wěn)定性特點對電網(wǎng)聯(lián)絡線運行的穩(wěn)定性和安全性會有一定程度的影響。隨著運行方式的變化，風電出力的上下波動帶動了聯(lián)絡線傳輸功率也隨之波動，聯(lián)絡線很容易發(fā)生過載的情況，對電網(wǎng)聯(lián)絡穩(wěn)定性的影響會越發(fā)明顯。

（2）對電網(wǎng)調(diào)峰的影響。隨著風電并網(wǎng)的進行，容量大量增加，相應的電網(wǎng)系統(tǒng)的備用容量就需要隨之增加，以免在突然沒風的情況下風機大面積發(fā)展脫網(wǎng)的情況對系統(tǒng)造成顯著的影響。如果在用電負荷較低的情況下，為了防止風電突然大發(fā)對系統(tǒng)頻率的影響，就需要將部分機組的運行情況進行調(diào)整或者停止，因此，電網(wǎng)系統(tǒng)對于風電的反調(diào)峰的應對措施從根本上來看是以犧牲其穩(wěn)定性為代價的。

（3）影響電網(wǎng)故障的發(fā)生率。風電機組數(shù)量的不斷增加，并網(wǎng)的不斷推進，風電運行中所具有的不確定因素對于電網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全增加了一些不確定的安全威脅，使電網(wǎng)故障率增加。同時，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，因為動作行為不能做到快速統(tǒng)一，不僅容易造成保護動作的誤操作，嚴重的還會使故障加重。

（4）對電網(wǎng)電壓的影響。風電機組在并網(wǎng)的過程中需要吸收電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率作為支持，從而導致電網(wǎng)電壓的突然降低，而在脫網(wǎng)的過程中又會造成電壓的突然升高，這就需要對電壓進行科學合理的控制和調(diào)整，以爭取最大程度上保持電壓的穩(wěn)定，從而保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。從呼倫貝爾現(xiàn)有投產(chǎn)運行的風電機組來看，在對動態(tài)電壓的控制方面的技術(shù)還不夠成熟，無功支持不充分必然會在并網(wǎng)過程中吸收大量的無功功率，對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴重影響。

4 風光互補的可行性和優(yōu)越性

4.1 光伏發(fā)電的優(yōu)缺點分析

光伏發(fā)電的優(yōu)點在于資源的無限性和可再生性，取之不盡用之不竭，同時使用起來安全性和可靠性高，沒有噪聲污染而且綠色環(huán)保。同時光伏發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比不收資源分布空間的限制，可使用范圍廣泛，不需要消耗其它的燃料能源。光伏發(fā)電在工程項目的建設上相對建設周期短，能夠很快的投入運行。其缺點在于在能力分布需要占用大面積，分布密度相對小得多，能源量受季節(jié)、氣候、天氣情況、晝夜交替等因素的直接影響，具有不確定性，成本投入上相對較高。

4.2 風光互補的可行性分析

4.2.1 運行成本低，經(jīng)濟性好

近年來，隨著內(nèi)蒙牧區(qū)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，牧民生活水平逐年提高，牧民用電量也與日俱增，而作為容量更大、發(fā)電更為方便的“風光互補”發(fā)電設備，是將風能資源、太陽能資源進行優(yōu)勢互換，具有清潔環(huán)保的作用，是一種較之以前的老式風力發(fā)電設備更為充足的照明系統(tǒng)，受到牧民們普遍青睞。同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。實施風光互補，使電力設施占用的土地得到更加高效的利用，減少了土地資源的浪費，而且在生產(chǎn)運行的過程中不會對環(huán)境造成污染，更不會有廢棄物的排放，符合現(xiàn)代節(jié)能減排，綠色環(huán)保的主題要求。同時，設備兼容性好，二者對站內(nèi)很多設備能夠共同使用，不僅有效的節(jié)省了設備方面的成本投入，而且使已有的設備利用率大大提高，真正的做到高效、節(jié)約。2014年，內(nèi)蒙古大唐風電風光互補電場總發(fā)電量為14021.061萬kWh，風機9829.837萬kWh，光伏4191.224萬kWh；上網(wǎng)電量為13857.034萬kWh，風機上網(wǎng)電量為9714.842萬kWh，光伏上網(wǎng)電量為4142.192萬kWh；綜合場用電量為189.36萬kWh，站用電量為60.515萬kWh：風機設備可利用率為98.68%，光伏設備可利用率為99.23%。其中，風機上網(wǎng)電價為O.51元kWh，光伏上網(wǎng)電價為1.15元/kWh。截止2014年12月底，公司全年累計完成利潤總額1283萬元，投資收益率高達11.660%，明顯高于中國華電集團公司要求新能源項目進入運營期達到8%的收益率標準。以上分析表明，風電場配以適當?shù)墓夥萘浚坏黾恿斯╇姷目煽啃院头€(wěn)定性，而且經(jīng)濟效益十分顯著，風光互補并網(wǎng)發(fā)電的模式應該得到更加廣泛的推廣。風光互補電場的建設不但充分利用了當?shù)氐娘L能、光伏資源，還改善了當?shù)氐沫h(huán)境狀況，減少了沙塵對環(huán)境的危害，且在增加地方稅收，促進就業(yè)等方面也帶動了地方社會經(jīng)濟的發(fā)展。風光互補發(fā)電系統(tǒng)是科學利用自然資源的新成果，它有如下諸多優(yōu)勢。利用風能、太陽能的互補性，可彌補單一風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，使供電的穩(wěn)定性、持續(xù)性和可靠性得到保障。對混合發(fā)電系統(tǒng)進行合理的設計和匹配，基本能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供電，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。風力發(fā)電和光伏發(fā)電可以實現(xiàn)高低空結(jié)合，共用部分道路、設施及建筑，達到集約利用土地的效果。由于共用部分道路、配電設備及建筑，工程造價明顯降低。共用一批管理人員和工程技術(shù)人員，提高勞動效率，降低運行成本。風光互補的模式不僅占用耕地利用率提高、沒有污染，而且能共用站內(nèi)部分設備使運行成本低，真正實現(xiàn)了“1+1=1”節(jié)約模式。

4.2.2 互補效果好

呼倫貝爾地域廣闊，白天光照強，到了夜間多風。在夏季和秋季，雖然少風，但是太陽光線強，日照好，光能資源相對豐富。而在冬春季節(jié)以多風天氣為主，風力大，持續(xù)時間長，相對風力資源更為豐富。風能光能正好實現(xiàn)了良好的優(yōu)勢互補，補充了各自單獨運行的不足，更減少了單獨運行對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。隨著內(nèi)蒙古地區(qū)電力事業(yè)的不斷發(fā)展，風電技術(shù)和光伏技術(shù)的不斷開發(fā)與更新，如今已經(jīng)建立起風電功率預測系統(tǒng)和能量管理平臺，相應的光伏預測和能力管理平臺也將建設起來。二者的互補不僅有效的提高資源的利用率，有效的緩解了原有電網(wǎng)系統(tǒng)的供電壓力，并對維護電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性具有重要的作用。

4.2.3 國家政策的扶持

風電和光伏發(fā)電都具有綠色環(huán)保，而且作為可再生資源，極大的緩解傳統(tǒng)能源供應的壓力，也正因為如此，國家無論在政策上還是資金上，都在發(fā)展風電和光伏發(fā)電方面加大了支持力度。頒發(fā)了一系列的政策、法規(guī)為新能源的開發(fā)和利用提供保障，并在資金方面給予一定的補貼，將開發(fā)新能源，發(fā)展風電和光伏發(fā)電作為重要課題來抓，發(fā)展前景十分廣闊。

5 結(jié)語

新能源的開發(fā)利用為人類社會的發(fā)展對能源的需求提供了有效的補充，同時也滿足節(jié)能環(huán)保的綠色主題。呼倫貝爾地區(qū)以其得天獨厚的地理條件，在風電和光伏發(fā)電方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著電網(wǎng)的建設和發(fā)展，風電互補必將成為今后的電力行業(yè)的發(fā)展方向，使內(nèi)蒙地區(qū)的資源優(yōu)勢得到充分的利用和發(fā)揮。

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