新能源發電技術在電力系統中的應用淺談

任斌

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

當前，社會能源資源長期處于緊缺態勢，再疊加環境污染問題，新能源的開發利用迫在眉睫。“碳達峰·碳中和”戰略的提出，為清潔新型能源發展指明道路，在以電為中心的現代能源體系中，將有愈來愈多的新能源接入其中，但要解決風光發電等技術弊端，推動可再生資源高效開發，還需依靠政策與市場驅動，持續加大新能源發電技術研發力度，促進新能源發電效益不斷提升，進而建立更加穩定、更加智能并以新能源為主的新型電力系統。下面將對新能源發電技術具體應用、技術難點以及發展建議加以詳述。

1 新能源發電技術應用

為實現低碳環保型社會建設目標，以風電、光伏為代表的新能源，逐步改變著發電側格局，新能源發電技術也愈加成熟，尤其是儲能技術在發電側的應用，彌補了新能源發電的諸多不足，下面便對風電、光伏以及儲能技術加以探討。

1.1 風力發電技術

作為資源儲量最高的新能源之一，風力一直都是重點發展領域，其儲量超出水資源10倍之多，而且獲取難度也小。風力發電技術原理簡單，借助風機中的機械裝置，將風能轉化為機械能，再經由發電機最終轉換為電能。

（1）風力發電機類型。風機在結構體型上，通常會隨其裝機容量增大，而有更大的體型的風機設備、更大長度的風機槳葉，按其容量從小到大有：小型、中型、大型、特大型等4類風機。根據其軸向不同，又有水平軸、垂直軸風機之分。根據其功率調節方式的不同，又有定槳、變槳以及失速型等多種風機類型。根據風機所處陸海環境差異，有陸上風電、海上風電兩類。以風機發電機設計轉速區分，又包含有變速、恒速、多態定速等不同類型。

（2）設備組成和功能。通過對風機結構進行拆解，具體涉及基礎、塔筒、機艙、風輪等幾大構造。風輪是風能獲取裝置，包含有輪轂、葉片、變槳系統等，其中關系風能吸收能力的關鍵在于風機葉片。若風機實際風速超出限值，則需要借助葉尖所產生的制動效應，對其轉速加以控制。但也因葉片裸露在環境中，風機葉片會受腐蝕、覆冰等影響，其自身也可能產生裂紋，嚴重威脅風機運行安全，為此葉片的防護很是關鍵。

（3）風機控制技術。通常來講，并入電網的風機主要存在3種發電機：變速、雙饋、雙速異步等。為精準控制風機轉速及輸出功率，需采取相應控制技術，一般會采取最大功率追蹤策略，可有效達成風電功率的輸出控制。伴隨新的風機控制技術改進，衍生出多種更高效的并網技術，較為典型的如模糊控制技術，也就是借助智能算法，對葉片槳距進行高精準控制，并且還能用于風輪氣動性能預估，對于提升風機性能很有幫助。

（4）無功電壓控制技術。要想維持風機正常運行，在風機控制同時，需重點關注電壓穩定及無功補償。一般來講，在電力系統中，風機運行會吸收無功，為確保電網穩定，維持正常電壓水平及輸出功率穩定，應當采取科學的SVG補償策略，在風電場運行中進行動態補償。

1.2 光伏發電技術

在地球上，太陽輻射產生能量巨大，如何合理開發太陽能，對于調整能源結構、提升經濟環境效益作用顯著。而受制于光電轉化率、光電成本及補貼政策等影響，光伏發電面臨不少挑戰。為更好地理解光伏發電技術，現對其原理構造加以分析。

（1）光電效應。對于部分特殊的物質，當有特定電磁波照射時，其內分子會激發游離電子，然后朝特定方向移動便產生電流。通常產生光電效應的半導體內部存在PN結，分別對應空穴及不穩定電子，在光照條件下，P、N兩側將產生電勢，進而驅動電子不斷朝著新產生的空穴移動，這也是光伏發電基本原理。一般而言，光伏發電系統具體包含有光伏板陣列、太陽能電池、逆變器、控制器等。

（2）電池組。作為光伏發電重要組成，太陽能電池也有多種類別：晶硅電池，在實際應用中有多晶與單晶兩類；化合物薄膜電池，其缺點在于有毒、污染性大；硅基薄膜電池，主要面臨著光電轉化效率低問題；有機半導體光膜電池，該類電池仍在進行技術開發，仍未實用化；聚光光伏電池，其在光伏發電中的優勢在高效，但也面臨成本高問題，聚光系統、散熱器等需要額外配置，會帶來更長的成本回收周期，聚光電池商用還需較長時間。

（3）光伏陣列。作為光能直接接受裝置，光伏陣列在結構設計上存在三種模式：固定式、單軸以及跟雙軸蹤，其發電效率逐步提升。相較于基礎的固定式光伏陣列，單軸跟蹤可提升20%發電效率，而雙軸跟蹤可將其提升至30%，合理選擇光伏陣列支撐方式很是關鍵。此外，光伏板安裝傾角也需合理設置。

（4）逆變器。要想提升光伏系統交直流轉化效率，需綜合考慮逆變器的性能，在滿足保護、監控等基本要求下，還可靠承受交直流電壓。現階段，光伏逆變器有多種結構類型：集中式、組串式以及集散式。

1.3 儲能技術

在新能源發電技術發展中，儲能技術扮演關鍵性角色，可用于解決風光發電所面臨的波動性、間歇性、難調度等問題。儲能技術的作用主要體現如下。

（1）可平滑新能源出力波動，受新能源自身特點影響，很難保證持續穩定供電，而且為保證風光利用率，對其電站出力不應隨意調整，所以，在風光電站設計之初，要配合打造儲能系統，這樣電站出力在高峰期可輸向儲能系統，而在無光或無風時期，可經儲能系統反向輸出電能，進而維持出力穩定。

（2）可提高跟蹤計劃發電能力，要知道電網穩定依靠計劃性發電，但因風光出力影響因素多，風光電站發電曲線難以預估，所以，需依靠儲能系統來加以補償，有效平衡電站實際與預測出力，使風光發電更加可控可調。

（3）可減少棄光棄風現象，盡管說新能源發電快速擴張，但因為電網調峰調頻需要，往往會出現大面積棄光棄風現象，而儲能技術的發展，可有效應對調峰調壓需要，通過對其充放電加以控制，能有效避免棄光棄風情況，甚至在電壓瞬時跌落時，也能夠即刻進行無功支撐，減少脫網解列問題發生，進行提升新能源場站經濟性。現階段，該技術已發展多種儲能手段，如抽水蓄能、超級電容、電化學儲能，在風光電站中以電化學儲能為主，并有著廣闊的發展空間。

2 新能源發電技術難點與發展建議

2.1 技術難點

（1）風機低電壓穿越技術。在電網運行過程中，電壓跌落時有發生，會降低風機并網側電壓水平，在不解列的情況下，會在交直流轉換中，導致風機轉子側涌流的發生，不僅會對風機設備造成損壞，更嚴重的將導致風電場雪崩式脫網，這對于風力發電與電網穩定極為致命。但若簡單通過解列加以應對，將更加加劇風力發電不可靠性。為此，低電壓穿越問題成為研究重點，但也面臨許多難點，例如，沖擊電流是否在風機設備可承受范圍，低電壓穿越策略是否適用多種故障，如何控制低電壓穿越技術成本等。現階段，風機在初始設計上便重視低電壓穿越能力提升，確保風機可穿越低壓區域，通常采取AVC、SVG等策略，可幫助風機在低電壓下維持運行，實現風機最大發電效益。

（2）光伏電站SVG調壓技術。光伏并網點多在線路側，而且電站發電容量通常較小，對過電壓問題比較敏感，會影響光伏電站正常運行。為此，需對光伏電站電壓進行調整，但因其電壓調整可選手段有限，通常主要依賴于SVG設備，在實際應用中，SVG設計有多種模式可供選擇，根據控制變量不同可分為恒壓、恒無功、恒功率因素三類，一般需控制功率因素不小于0.98。光伏電站在實際運維中，應按電網運行要求，將SVG設為恒功率因數控制，這樣當光伏出力變化時，無功也將按特定比例動態調整。但若并網點電壓異常，出現110%以上過電壓，便應當放棄恒功率控制，而改用恒壓模式，這是因為恒功率很難調節電壓，會對光伏設備構成威脅。以35kV光伏電站為例，當實際采用SVG調壓技術時，若其發電出力達較高水平，并網點電壓超出38.5kV，則需要選用恒壓模式，通常會以38kV為閾值。而若發電出力較低，則應當采取恒功率模式，以滿足光伏并網要求。若不能自主選擇SVG模式，可能出現母線過壓情況，這樣可導致光伏電站保護動作，以至于出現脫網解列情況。

（3）光伏組件PID效應治理。在長期運行中，光伏組件性能會降低，其中很大原因在于PID效應。由于光伏組件往往承受較高電壓，經過較長時間運行周期，其內部會出現電荷集聚、電流泄漏等問題，進而誘發電位衰減，嚴重影響其性能，光電轉換率甚至可降低一半。PID效應的出現，也與光伏組件所處環境有關，尤其是在濕熱高鹽地區。為有效治理PID效應，需采取如下措施：首先對于光伏系統，當光伏組件不發電時，可為其增施反向電壓，使組件與大地形成一定電勢，還要可通過增設微波逆變器，來有效限制組件電壓，進而抑制PID 效應；其次對于光伏組件，考慮到環境因素影響，組件PID效應可通過改善其密封性，來有效提升組件抗PID性能，主要技術措施包括：改進EVA 生產工藝、優選組件生產材料、優化組件密封工藝等；最后對于光伏電池，在PID效應治理中，可通過改進電池工藝，尤其是對于減反層、發射極等部分，可產生較好的抵抗PID效應，但也需要綜合考慮造價問題。

2.2 發展建議

（1）重視政策與市場驅動。為推動新能源發電技術發展，需依靠政策與市場雙驅動，可通過頂層設計，建立健全的新能源補貼及市場化上網電價，促進能源結構優化升級。對于不同新能源場站，要根據其能效水平，實行差別化電價，推動新能源發電技術持續改進。開放碳排放權交易，強制能源企業按固定配額建設新能源場站，還要引入市場價格機制，創新新能源發電商業模式，進而激活產業活力。

（2）加大科研創新與扶持力度。要想突破新能源發電技術壁壘，還需重視自主創新，不僅要加大新能源項目扶持力度，更為關鍵的是要推動新能源發電裝備及科技進步。依托國家轉撥科研基金，利用國家研發創新平臺，多元化發展新能源技術，全力發展新型儲能、海上風電等技術領域，為新能源技術發展鋪平道路。

（3）科學規劃新能源發電。無序式的擴張并不利于新能源發展，而是要落實科學規劃，由國家新能源主管部門，結合能源市場特點及碳中和發展規劃，確立科學、經濟、可持續的新能源發展戰略，明確新能源發電技術發展路線，規劃好不同時期新能源發展目標。

（4）克服新能源分布不均難題。以風光發電為主的新能源，盡管國內相應資源豐富，但風光能源分布極不平衡，資源豐富的中西部，對于風光電力承受能力不足，需要依靠國家特高壓線路實現跨域傳輸，解決新能源區域分布不均問題。同時，從時間維度上，風光發電效率也有不確定性，這需要借助儲能等技術手段，最大限度提升電網對新能源接收能力。

3 結語

綜上所述，現階段，新能源替代已成為趨勢，風力、光伏等新能源，不論是從裝機容量還是上網電量，均實現了跨越式的提升，然而因其資源本身特點，新能源發電并網仍有許多難題，需要加大新能源發電技術科研創新與項目扶持，并尋求與其他技術的協調融合，如儲能技術，消除新能源發電技術短板，建立起新能源在技術、政策及經濟性上的優勢，進而推動新能源良性發展。