新能源發電技術在電力系統中的應用效果研究

田蓬勃

（魯能新能源（集團）有限公司，北京 100020）

目前，我國能源消費總量在不斷增加，能源供需缺口在不斷增大，而能源生產消納結構不合理，傳統能源消費仍然占主體。因此，我國需要改變能源消費現狀，緩解能源消費矛盾，解決途徑之一便是系統開發利用可再生能源，不斷完善能源供給側結構的多樣性和可持續性。由于新能源具有污染少、儲量大、永續性等特點，因此新能源技術的革新進步已經成為世界能源發展的重要方向和領域。通過技術進步高效利用資源，擴大市場需求，培育新的經濟增長點，實現經濟與環保的協同發展。

1 新能源發電技術分析

1.1 新能源的定義

新能源一般是指在新技術基礎上加以開發利用的可再生能源，包括太陽能、生物質能、水能、風能、地熱能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環等；此外，還有氫能、沼氣、酒精、甲醇等，而已經廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等能源，稱為常規能源。隨著常規能源的有限性以及環境問題的日益突出，以環保和可再生為特質的新能源越來越得到各國的重視。

1.2 新能源技術的發展情況

按照技術水平的成熟度和技術轉化的情況，新能源的發展可分為研發、示范、推廣和產業化4個階段。

目前核電、太陽能熱水器、沼氣等技術已經成熟，進入產業化的成熟階段；太陽能光伏發電、風電、生物質發電、地熱發電、生物燃料等技術基本成熟，已經進入產業化初期或中期階段；地源熱泵、大中型沼氣池需要靠規模化來降低成本，處于推廣階段；太陽能熱發電、潮汐發電、氫能的制備和儲存、燃料電池在技術上已經成功，但需要做進一步的提升，目前還處于示范階段；纖維素乙醇、天然氣水合物的勘探和開采、受控核聚變等技術尚未成熟，還處于研發階段。

2 新能源發電技術應用

目前，新能源發電技術從應用規模、應用程度、技術安全性的角度分析，以風電、光伏最為成熟，本文將主要就這兩種技術展開討論。

2.1 風力發電技術

風力發電是全球最主要的資源之一，它的資源儲量高于目前人類掌握的任何一類資源，相當于水資源的10倍以上。風力發電就是利用風力轉變為驅動風力的機械力，風力發電機實現機械能到電能的轉換。

（1）風機類型。風機按裝機容量劃分，可分為小型風機、中型風機、大型風機、特大型風機。風機的容量越大，槳葉長度越長。按照風輪結構劃分，可分為垂直軸結構和水平軸結構。按照功率調節可分為變槳風機、主動失速型風機、定槳風機。按發電機轉速可分為恒速、變速、多態定速風機等；按能源形式又可分為海上風電和陸上風電技術。按風能驅動分又可分為高速、低速風機，順風、逆風風機。

（2）設備組成及功能。風力發電機組主要由風輪、機艙、基礎、塔筒等部分組成。風輪一般由葉片、輪轂、變槳系統組成，葉片形狀決定了風能的吸收程度。當風機風速超出切出風速時，主要依靠旋轉的葉尖實現氣動制動。葉片在異常運行中，針對覆冰、腐蝕、裂紋等情況，要及時做好風機葉片的保護與防護。

（3）風機控制技術。并網發電機一般有3種，雙饋、雙速異步、變速風力發電機，風機并網制方式是通過改變槳距對機組轉速和功率進行控制，可使用最大功率追蹤法，實現風電功率的轉換，隨著新技術的迅速發展，新的并網技術采用模糊控制方式來實現轉速和功率的調節，通過神經網絡控制葉片槳距及預測風輪氣動特性，取得良好的效果。

無功電壓控制技術：風電并網點電壓的穩定和無功補償同等重要，風電場并網運行時，吸收無功，此時需要給風電場配備SVG等無功補償裝置，進行實時動態補償，降低因輸送功率導致的系統振蕩效果，改善電網運行環境。

2.2 光伏發電技術

太陽輻射實際上是地球能量的主要來源，太陽能連續不斷的輻射地球，每秒鐘輻射的能量相當于500萬t標煤的能量。合理利用這部分能量，可以創造大量的經濟效益和環保效益。

（1）光電效應。在某一特定電磁波的照射下，某些物質內部的電子會被激發出來，形成電子。PN結的光生伏打效應主要由半導體光照，不穩定的電子—空穴對形成，不穩定的電子—空穴移動，在電勢影響下，P側的空穴和N側的電子形成電勢。太陽能光伏發電系統主要由光伏電池組、電池控制器、蓄電池、交直流逆變器等組成。

（2）電池組。太陽能電池一般分為晶硅電池、硅基薄膜電池、化合物薄膜電池、有機半導體光膜電池、聚光光伏電池。晶硅電池有單晶和多晶之分，硅基薄膜光伏電池效率低，化合物薄膜電池對環境污染、人身危害較大，暫不考慮。有機半導體光膜電池正處于發展階段，國內沒有應用的先例。聚光光伏電池為目前效率最高的電池，但需要配備聚光系統和散熱器，為保證聚光效率所增加的設備投資，要大于多發電量產生的效益，所以聚光電池轉入商業運行還有很長的路要走。

（3）光伏陣列方式的選擇。對光伏組件的支撐包括單軸、雙軸跟蹤、固定式3種。單軸跟蹤可提高效率20%，雙軸跟蹤可提高效率25%，雙軸高精度跟蹤甚至可提高效率30%。還要注意安裝傾角的選擇。表1為光伏組件陣列對比。

表1 光伏組件陣列對比

（4）逆變器。逆變器是光伏發電的關鍵設備，逆變器的選型要考慮性能、效率、直流電壓的輸入范圍、保護功能、監控及數據采集功能。目前，有3種形式的逆變器可供選擇。表2為逆變器優劣比較。

表2 逆變器優劣比較

3 新能源發電技術的難點

3.1 風機低電壓穿越技術

風力發電技術中，低電壓穿越絕對是一個關鍵技術。當風機出口電壓下降時，如不考慮低電壓的穿越能力，會出現風區內大面積風機雪崩式脫網，最終造成正片風區全部癱瘓，給電力系統的穩定性造成威脅。所以目前風機均要求在設計時具備低電壓穿越能力，以遏制低壓對風場安全運行的威脅。為保證風機的低電壓穿越能力，設計上從電壓的角度入手，風機出口電壓在凹陷區域時，通過AVC,SVG等迅速使電壓恢復到正常水平，從而實現風機低電壓穿越功能。

3.2 光伏電站SVG調壓技術

光伏電站，特別是電源點末端的電站最容易受到過電壓的威脅，且電站的調整手段有限，所以要充分發揮SVG的性能，SVG的調節有3種模式：恒電壓模式、恒功率因數、恒無功模式時，功率因數設定為0.98。日常運行中，省調要求的電壓調整模式主要是恒功率因數控制，保持無功變化隨負荷動態調整；當系統電壓超過額定電壓10%及以上時，此時恒功率模式控制無法滿足電壓的調整需要，此時則需要投入恒電壓模式，以某一35kV電站SVG電壓調整舉例：當負荷增大，母線電壓達到38.5kV時，SVG投入“恒電壓”模式運行（目標電壓38kV）,當負荷較小時，SVG投入“恒功率因數”模式運行（恒功率因數：0.98）。SVG投“恒功率因數”時，也會造成母線電壓的升高。以上設備的抬升母線電壓會造成電站過電壓保護裝置動作，解列設備。

3.3 光伏組件PID效應治理

所謂光伏組件PID效應是指電位誘發衰減，因組件長期工作于高壓條件，在漏電流、電荷集聚的影響下，組件性能迅速下降，嚴重時可下降50%以上，PID效應在高溫、高濕、高鹽堿區域比較嚴重。PID效應治理主要從3個方面進行。

（1）系統方面。夜間對組件和大地之間施加反向電壓，利用新工藝，使用微波逆變器，降低系統電壓，減弱PID效應的影響。（2）組件方面。由于高濕是組件PID現象的要因，提高組件密封就顯得重要，優化EVA生產工藝、篩選原料和優化原料的配比，可以提高EVA膠膜對組件抗PID的效果。（3）電池方面。電池是最重要的抵抗PID的關鍵因素，可以考慮改變發射極和SiN減反層，這2項技術的改進會對發電效率、設備造價產生影響。

4 結語

新能源發電技術在電力系統中得到廣泛應用。熟悉設備的選型、設計、對比要求，對新能源生產運營中的難題進行專題分析，并盡快制定對策。還要結合目前的生產運營中心模式，研究新能源發電技術在電力系統中的作用，及時更新新技術、新設備，跟蹤技術發展趨勢。