新能源發電技術在電力系統中的應用

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 俞年昌 趙大威 王 偉

1 引言

隨著市場經濟的迅速發展和工業化的加速，人們對用電的要求也在不斷提高。如果單純依賴常規的水力發電工藝，很難滿足電力的應用需要，甚至可能引發更多的能耗和環保問題。目前，新能源發電技術作為重要的綠色節能發電形式，已普遍運用于電力系統，相比常規的發電方式，新能源發電技術能夠極大地減少能源消耗與污染，促進電力行業的可持續開發。所以，有必要針對清潔能源發電技術及其在工業動力系統領域中的應用進行深入研究探索，使得清潔能源發電技術可以在現代電力系統中發揮出重要作用。

2 新能源發電技術概述

2.1 含義

新能源主要是指在原有發電技術上加以開發利用的可開發的綠色循環能源，其中包括風能、太陽能、潮汐等，新能源發電就是新能源概念的延伸。

2.2 發展現狀

在我國能源結構調整的背景下，構建以新能源為主的新型電力系統已成為我國電網發展的一大趨勢。新能源電力系統如圖1所示。

圖1 新能源電力系統

對于新一代電網而言，組成的復雜性決定了各要素之間的相互作用。特別是在太陽能和風能等領域，新的技術也在不斷涌現，新能源作為中國發展可再生能源的有效形式，已成為國家“十四五”規劃大力發展的重要戰略之一[1]。

3 新能源發電技術的重要作用分析

3.1 能夠增強電網可靠性

隨著電網用電量的不斷增加，輸電線路負荷不斷增大，且在電網和負荷之間的不平衡，迫切要求滿足遠距離特高壓輸電的需求。這就導致了電壓波動，“功率倒流”“功率繞送”等一系列的問題，嚴重威脅著電力系統的安全和穩定。因此，為了保障大型電網的安全、平穩、可靠地運行，并對與之相關聯的電氣設備進行了深入的研究。因此，本文提出了電力系統可靠性評估，如圖2所示。

圖2 電力系統可靠性評估

3.2 能夠進一步擴大電網覆蓋范圍

在新能源發電技術未普及以前，我國以煤炭、石油、天然氣等一類的常規能源為主，網絡的真正覆蓋面積受地理條件等多種原因的限制。隨著國家基本建設的不斷深入，電力事業也隨之蓬勃發展。利用新能源發電技術，在電網形式上，電網形式也有了很大的變化，現代電力系統主要采用微網拓撲結構，能夠與區域內的自然環境進行“軟耦合”，使得區域內的電源能夠在較大的區域內進行合理的配置，增強了應對突發事件的實力。電力系統微網拓撲結構如圖3所示。

圖3 電力系統微網拓撲結構

3.3 能夠節約供電成本

針對常規的光伏發電技術，由于其電源往往要經過長時間的高電壓傳輸，為了保證其穩定、可靠的供電，需要對其進行功率調整，采用新能源技術，使此類設備用量進一步減少，同時也可降低電力供應費用。電力供應費用的主要減少方式如下。

一是要構建健全的電力市場交易機制，以價格為導向，以各種類型的電源為主體，構建電力實時交易系統，利用節點電價、阻塞電價等信息，優化不同類型的電源及網架，使其與新能源發展相協調。

二是要建立以市場為導向的新能源消納制度。不同區域間的資源稟賦不同，保證清潔能源的合理輸送是實現新能源消納和降低其消納費用的重要途徑。要保證清潔能源的跨區域傳輸，必須突破區域之間的屏障，擴大區域的可接受性。

三是建立健全電力市場交易價格體系。此時可以利用 DSM 及時調整新能源的波動，降低負荷，提高系統的靈活性。例如，嘗試實施兩種類型的能源交易，一種是根據每一單位 GDP 的能源消耗來確定能源價格，并以此來確定能源價格。另一種是在推動地區碳減排過程中，對現行的績效評價體系進行變革，以激勵其主動參與到碳減排中來。

4 新能源發電技術在電力系統中的應用研究

4.1 風能發電技術在電力系統中的應用

風力發電是通過風力驅動風車葉片轉動，通過增速機提高轉速，從而驅動發電機發電。風力發電機是風電系統中的主要設備，主要由風輪裝置、發電機和塔架組成。

4.1.1 風輪裝置

風能裝置是將風能轉化為機械能的裝置。利用水輪機、蒸汽輪機、柴油機等多種能源，將水輪機、汽輪機、燃料燃燒、核聚變等能源轉變為機械能，然后通過發電裝置將電力轉變為電能。風力帶動葉片旋轉，產生機械能。

4.1.2 塔架

塔架是用于風輪、船尾，以及發電機的一種支撐結構。在設計過程中，要充分考慮地面障礙物對風場的影響，同時要保證風場與風葉之間的安全距離，使其能夠滿足風機裝置的使用需要。

4.1.3 發電機

發電機是一種將由風能產生的不變機械能轉變為電力的裝置。要保證風力發電機的高效率、高效率的工作，就必須要有各部分的協調配合。通過發電機的轉換功能將風力轉換為電能，利用尾翼來調整風的方向，獲得最優的機組效率。該方法利用電機定子繞組的電阻，將電機的磁場截斷，實現了機械能向電能的轉化。在冬天，為了減少機組的運轉消耗，可以采取自然進氣，機械排氣的方法。

風能發電的公式為：

式中：pt為空氣密度，kg/m3；υ為風速，m/s；t為時間，s；S 為截面面積，m2。

風能是一種常見的風能利用的計算公式，主要與風速、空氣密度、風所流經的面積等三個要素有關，要確保風能發電技術可以有效應用到電力系統中，充分發揮設施的功能，有關的電力企業技術研究人員必須以此為依據，將這些特性與風能發電技術的應用相結合，為風能發電技術的應用創造出一個良好的、合適的使用環境。

4.2 太陽能發電技術在電力系統中的應用

太陽能發電主要指的是利用光電效應，將太陽能經過設備的變換，從而產生出可以利用的電能，再通過逆變器，將直流電直接轉換成交流電。從實際情況來看，在陽光比較充足的情況下，太陽能發電技術可以直接將電能輸入到電網中，如果光線不好，電力系統則會自動感應停止并網，直到太陽能發電恢復之后才進行并網工作。

4.2.1 電壓穩定技術

恒定電壓追蹤技術的目的是在不同的光照條件下，確保太陽能發電設備的輸出電壓是穩定的，并且可以實現最大的輸出功率。眾所周知，太陽能發電對于光線的依賴程度很高，光線好的時候，就會有更多的電量，而在惡劣的時候，則會有更低的電量，這種電量波動很大，很難與外界的電網相連。

為解決這一問題，人們在太陽能發電并網中引進了電壓穩定技術，即將光伏陣列在不同溫度下的最大發電功率記錄到芯片中，通過傳感器實時監測光伏陣列的溫度，選擇一個適當的電壓強度。還可以在太陽能并網中設置類似于光伏陣列的光伏組件，實現對開路電壓的實時監測，并通過最大功率工況下的最大電壓特性，提高光伏組件的電壓穩定性[2]。

4.2.2 抗孤島技術

孤島效應是指電網出現故障問題或者停電檢修時出現跳脫，光伏并網系統沒有檢測出停電問題，導致并網系統與外部電網相分離，導致并網系統與周圍負載形成自給自足的局面。在光伏并網系統中，如果發生了“孤島”現象，將會給在輸電線上的檢修人員帶來安全隱患，同時也會給配電網的保護開關帶來巨大的損害。

為有效地防止這種情況，必須選用抗孤島的逆變電源，使得其既具備較強的過載能力，又具備較強的抗沖擊性能，并提高其對電網的適應性。在光伏發電系統中，可以在發生“孤島”現象時，迅速關閉逆變電源。目前，對太陽能發電并網發電的抗孤島保護主要分為：一是防孤島保護，也就是通過制止并網發電系統所執行的孤島運行計劃，從而達到良好的繼電保護；二是無源抗孤島保護，無源抗孤島保護可以通過逆變器實時監測交流電源的電壓和頻率，及時發現電壓和頻率的異常情況，進而發現孤島故障，并在第一時間將其關閉。

4.3 生物質發電技術在電力系統中的應用

生物質發電技術指的是一種將生物體能源轉化為電能的技術，具體內容包括了農林廢物發電、垃圾發電和沼氣發電等。同時，生物質發電技術作為一種可再生能源，其工作原理主要是采用厭氧發酵技術，對廢物進行發酵，產生沼氣，再用沼氣來驅動發電機的穩定運行，從而達到發電的目的[3]。但是這樣的方式對于整個系統的運行速度有著極大的限制，一般都是在一些特殊的場合，比如一些需要更高安全性能的場合才會使用。

5 結語

隨著我國經濟社會的持續發展，我國社會各方面對用電的需求量越來越大。因此，各級相關部門都在采取不同的措施來應對這一問題。在電力系統中，將新能源發電技術的合理應用，能夠有效地解決這些問題。能夠為建立一種節約資源、保護環境的生產生活方式提供技術支持，且能夠更好地治理污染，保護環境。為此，本文分別就多種新能源發電技術在電力系統中的應用進行了深入探討，以助推我國電力行業的持續發展。