太陽能與風能發電并網技術

上海電力建設有限責任公司 郭 輝

1 太陽能和風能

1.1 太陽能

它的特點就是密度相對低、太陽能源變化快、間歇性強等，所以利用太陽能發電會變得相對困難。如何快速有效的收集太陽能，找到正確的方法收集并利用太陽能才是解決問題的關鍵。太陽能發電有四項關鍵技術：聚光器、吸收器、跟蹤和蓄熱。聚光器和吸收器技術主要是為了解決太陽熱能密度低、分布不均勻的問題，而儲能的難點在于如何儲存和減少熱損失，在沒有太陽光源的情況下提供電力。

太陽能是一種自然、無污染、可再生的能源，但它具有密度低、空間分布不斷變化等特點，使用成本也是較高，阻礙了人類太陽能熱能的發展。但是太陽能熱能技術一旦投入使用，將在后期給我們帶來可觀的社會經濟效益，加上化石燃料對當地環境和其不可再生性產生的負面影響，鼓勵了政府支持和推動太陽能熱能的發展。太陽能、熱力發電四項基礎核心技術解決方案就是研究新材料[1]。在我國未來的發展趨勢中，將會有大量的太陽能被利用。

1.2 風能

傳統的發電技術原理是先轉化成動能再轉化成電能，在此過程中產生了對環境污染嚴重的碳、氮氧化物，造成大量的二次污染。這與水電和太陽能發電有一定的相似度但它們是綠色自然能源發電，不會釋放任何污染物，有效地保證了中國經濟的綠色和可持續發展。

另外，中國擁有非常豐富的風能資源，在風力發電方面具有顯著的優勢，近年來中國的風力發電一直在快速增長，有效地促進了我國社會的可持續發展。事實上，風力發電是自網的，不會與電網系統相連，通過水力發電和風力發電的有效結合，有助于滿足偏遠地區的供電需求[2]。然而，離網風力發電的優勢還沒有得到充分發揮，因此風力發電是一個重要的發展趨勢。風力發電并網技術的特點是周期短、占地面積小，有利于實現智能化并網管理機制。此外，通過風電網技術，可以有效地支持和補償風電場的電網，從而更好地利用風能，提高清潔能源利用價值。

1.3 系統組成結構

可靠的電力供應系統必須有可靠的設計，以確保在風能-太陽能供電系統中太陽能充電和風能充電是兩個獨立的充電電路。對于電池組，充電由風力發電機和太陽能電池組件兩部分進行，充電比例取決于不同地區的資源狀況和環境條件。太陽能發電電路由太陽能電池陣列、公共電路和太陽能充電控制器組成。風力發電電路由一個風力發電機、高頻整流模塊、卸載系統及相關控制元件、配電與保護組成的電源傳輸控制回路組成。雙向電源通過母線與蓄電池連接。

2 太陽能熱發電的常用方式及其比較分析

2.1 聚光型光伏發電系統

光伏集中發電是近幾年來在我國大規模發展的一項新興產業。它主要應用在兆瓦及以上并網的太陽能發電廠中。與平板式光伏發電相比，集中式光伏發電技術在成本上更加低廉，而且具備建造周期較短、保養簡單、占用面積小、平整性要求較低等優勢。

槽式聚光熱發電系統。太陽能發電最早采用的技術之一就是槽式集熱器，它已經發展成為集熱器中最成熟的太陽能技術，槽式集熱器中的太陽能熱發電就是指通過槽式的拋物表面進行聚焦，將太陽光從其中反射出來送入所需的接收熱管中，通過一個管式的熱載體，將其中的水體加熱為蒸氣，驅動一臺汽輪機進行發電[3]。因此，槽式熱力發電的一個重要關鍵技術就是太陽能集熱器、吸附器、追溯技術以及高溫、蓄熱等技術。槽式太陽能熱電站主要由集熱和發電兩個大組成部分，其中集熱器不同于我們傳統的發電方式，包括：拋物槽反射器、熱接受器、單軸追溯控制系統、集熱器，集熱器和傳統的發電技術一樣，是我國最早、最成熟、最經濟的發電系統。

碟式斯特林聚光熱發電系統。電氣系統包括一個旋轉拋物面鏡、一個散熱器、一個追蹤裝置和一個熱變流技術裝置。該系統是直接安裝在雙軸追蹤支持裝置上，實現了定期追蹤和連續發電。它充分保留了塔架散熱器系統的聚焦價格比高、體量大和規模小的優勢，較好解決了塔架頂部散熱器的散熱量大、安裝和維修成本低的問題，但盤式太陽能光伏發電系統存在發電效率差、占地面積小、所采用的材料少等明顯的缺點。

2.2 平板光伏陣列

平板光伏系統包括太陽能電池板、直流保護和采集系統、交流保護和開關系統、變頻器、電能計量、基礎設施等。該系統的工作原理是將一個電池面板陣列組裝成一個接線盒，直接向直流負載供電。然后，逆變器將組裝好的直流電源轉換成單相電源，或者根據三相交流電電壓和頻率為最終用戶提供電源系統，該系統主要用于大型并網發電廠。在應用中，需考慮直流線路、交流線路、增壓站等部分。為提高太陽光的利用率，通常采用單軸或雙軸跟蹤系統來延長太陽直射時間和發電量。這個跟蹤系統占用了很多空間，因為它通過太陽方位角旋轉來驅動面板的陰影效果。一般而言，平板式光伏發電系統結構簡單，技術含量低，易于安裝和構造，但其存在發電效率較低、運輸及維修不方便等一系列缺點。

3 風能發電預測技術研究現狀的分析

3.1 異步風力發電機并網技術

異步風力發電機是異步發電機和風力發電機的結合。異步風力發電機的速度與同步發電機的速度差不多，對精度要求不高。異步風電機組的控制裝置不復雜，運行可靠、安全，但異步風電并網技術也存在許多問題，如并網后沖擊電流較大，造成風電機組電氣安全隱患，磁飽和現象會導致勵磁電流增大，系統功率降低。因此，通過加強運行監督和有效預防，可以更好地保障異步風電機組并網運行的安全性。

異步風力發電機風渦輪轉速和同步風力發電機轉速幾乎是相同的，不需要進行整步操作和同步設備。然而，異步風力發電機組的并網非常復雜，有許多問題需要解決。如果異步風電機組直接接入電網，容易產生較大的沖擊電流，降低電網電壓，嚴重影響電力系統的安全運行。因此，電場運行部門應做好監督工作，制定有效的預防措施，確保風電并網運行的可靠性和安全性。

3.2 同步風力發電機并網技術

同步風力發電機作為同步發電機和風力發電機的組合，不僅可以保證發電機的有功輸出，而且可以提供無功功率，還可以有效地保證電能質量，因此在我國風力發電系統中得到越來越廣泛的應用。目前國內許多專家正在研究同步發電機和風力發電機的有機融合方法，一般來說風速的大幅波動會導致轉子轉矩的波動，不能滿足并網機組的調速精度。如果不充分考慮上述問題，特別是在大負荷條件下，同步發電機與風力發電機組融合后，電力系統很容易出現無功振蕩或失步現象。上述問題導致同步風力發電機組的廣泛應用受到影響，隨著混頻器裝置的廣泛應用，這一問題得到了有效的解決。

4 新能源應用前景及電能質量控制要點

4.1 太陽能熱發電技術的應用前景

太陽能電池可分為晶體系統、薄膜系統、多結系統、有機系統等。晶體硅在市場上很常見，而薄膜太陽能電池將有更大的市場。中國作為能源需求大國，在本國的生產方面可是取得了不錯的成績。在世界各國的共同努力下，隨著技術的不斷提高，相對應的成本也在下降。社會對太陽能的需求不斷增大，當太陽能發電成本降低到一定程度時，將成為未來電網的骨干。

4.2 風能發電技術的應用前景

中國的風力發電機組系統技術常被廣泛應用在陸上和海上的風電場建設中。此外，大多數地上的發電站均靠近城市，而且城市的大型高層建筑很容易對其發電量產生影響。風能系統的控制和管理技術無法得到充分優化，導致了風力發電的效率和質量低下，造成經濟效益和土地資源的浪費。但隨著我國風能系統管理技術的發展和進步，相關專家也開始把風能技術運用到海上風力發電系統中。海風不同于陸風，它們所擁有的風力資源更為豐富，從以上的研究可以清楚地看出，風力機最佳工作原理之一就是葉輪收集風力，這也是直接影響風力機構優化運行的重要因素之一。在建造海上風力發電場時，風力渦輪機收集的風能是陸地風力發電機的1.5倍，然而海上電站的建設成本很高，海風系統管理技術的應用也并未掌握的很好。

4.3 太陽能質量控制要點分析

太陽能電池安裝的主要設備是卡車和叉車，整個過程是：首先，使用輔助機械設備，將整個電池組裝到指定位置，并保持指定狀態，建造者準確地將整個部件放在支架上，并在安裝過程中將其固定到位。要注意的是在這個過程中，電池組不能承受高強度的沖擊和振動，在安裝和運行過程中，盡量輕放電池組，禁止橫向和重擠壓。在整個過程中，電池堆放到所需的位置，并逐個放置，固定面板，注意面板之間的玻璃結構，避免玻璃破碎的情況出現。

其次，調整電池位置，使裝配水平和垂直，每個裝配應接近支架的接觸面，保持傾角和組間的距離。需要說明的是，在安裝太陽能電池時，所有的傾斜角度都要滿足設計要求，必須保證這個檢查點的質量。最后確定部件調平的結果，完成整個調平過程。目前應用比較廣泛的水準測量方法是選擇兩條可以自然懸掛的直線，連接在兩個部件上，然后，用外力拉緊電池串，并以其為標準線，調整其他電池組件的電平。在目前的安裝中，很容易出現正負端子相反的連接。為了避免這種情況，電壓表在連接時并聯，并且總是檢查串聯開路電壓的值是否符合安裝標準，在確保沒有短路和錯誤連接后，連接母線盒為以下工作鋪平道路。

4.4 風電電能質量控制要點分析

針對風力發電，我們不僅要關注風力發電設備本身的問題，還要有效地連接變壓器、靜止無功發生器、傳輸線、風力發電機等不同環節。從設備制造商的角度來看，風力發電機組是一個完整而獨立的系統，但從人們的角度來看，風力發電機組是整個系統的一部分，無論是系統可靠性還是設備可靠性，都需從管理和技術兩個層面來考慮，以及從整體的角度來看，可以采取什么措施來確保可靠性。

為了保證風電場預期收益的實現，現行風電場投資經濟模式中選用的風電機組必須具有運輸方便、重量輕、體積小、效率高、安全吊裝等特點，在不增加風電場投資的情況下，可以有效降低發電成本，有效提高發電量。同時，隨著技術路線的日益多樣化，對風力發電技術的推廣起到了有效的作用。針對我國風力發電行業的未來發展，應注重提高風能轉化率、提高單臺風力發電機組的容量、提高其環境適應能力，重點是要改進機組的設計，提高設備的可靠性。