風電與光伏發電中關鍵技術研究

國核電力規劃設計研究院有限公司 苗 青 王 霞 北京振中電子技術有限公司 紀 蘋

風能和光能屬于清潔型能源，在實際運行中擁有低成本、無污染等優勢，符合新時期的綠色發展要求。因此，風力發電、光伏發電等新能源技術在當前的電力生產中得到廣泛利用，相應技術也是現階段較為常用的集中新能源發電重要技術，為促進現有電力生產能源結構不斷優化創新，需要針對相關技術進行深入研究，促進我國電力生產系統不斷創新。

1 研究背景

隨著科學技術的發展，進一步促進風電以及太陽能發電技術發展，并受到人們廣泛關注，特別是在相關技術體系實施中具有獨特優勢。立足于主觀層面進行分析，風力發電以及光伏發電技術能夠滿足城市居民基礎用電需求，同時具備重復再生特征，滿足我國當前可持續發展訴求。筆者認為，風力發電以及光伏發電技術想要實現進一步發展和持續性應用，需要不斷深化技術創新研究，突破現有技術指標，提升電能綜合質量，擴大電能綜合生產效率[1]。

2 風電與光伏發電技術應用現狀

2.1 風電應用現狀

當前，風力發電已經成為一種主流發電技術，結合相關調查數據分析，全球風能總量達到2.74×109MW，對應可利用風能達到2×77MW。風能屬于可再生、清潔能源，廣泛應用于發電生產當中，具有較高的經濟效益和社會效益，發展潛力較大。我國2020年年底新增裝機容量達到19087萬kW，風電并網裝機達到7167萬kW，所占比例達到37.5%，風電裝機總計突破2.8億kW。

2020年風電總發電量達到4665億kWh，在社會總用電75110億kWh 中所占比例達到6.2%，同比增長達到15%。風力發電從技術體系以及技術原理層面分析較為簡單，從發電領域主要表現如下：基于風力發電這一基礎載體能夠進一步提升國內綜合發電量，實現對人們日常生活、工作與生產等多方面用電需求的切實滿足。持續改進相關技術方法和技術體系，推動風力發電技術進一步升級，結合其他先進技術的融合利用，促使風能的綜合利用率持續提高，實現可持續發展。

圖1 風力發電工作原理

風力發電技術實際運行中，想要進一步提升發電機組單機容量，需要進一步增加塔架高度、延長葉片長度。但該種措施并不適合所有發電機組，為此需要不斷深化研究，促進技術優化創新，這也是未來電力產業主流發展趨勢。此外，風力資源擁有可持續利用特征，在電力生產中能夠發揮出節約能源、控制環境污染等成效。尤其是在可再生能源總量持續下降中，風力發電技術應用前景擴大。比如，創建風電場能夠對農網、電網相關電力進行有效補充，進而滿足山區以及邊遠區域日常用電要求[2]。

風力發電技術全面推行背景下，我國電力供應邁入全新局面，電能生產效率明顯提升。但是，受到社會高速發展、人口增加等多種因素的影響，傳統的發電技術無法切實滿足現實的電能需求，因此必須落實對發電新技術的研發與應用，如風力發電技術。針對具體發電量以及發電生產穩定性開展深入剖析，促進電價逐步降低，具體見表1。一些地區盡管擁有足夠電能，但卻未能得到充分利用，為此需要提高重視。綜合考慮成本、效益合理建設風力電站，確保滿足國家行業標準。不斷完善技術體系、簡化相關技術措施，改善煩瑣復雜的技術程序，優化發電質量，提升發電生產效率。

表1 2020-2022年風力發電電價表

2.2 光伏發電應用現狀

光伏發電技術主要是利用半導體材料，發揮出某種光伏效應，從而進一步使太陽能向著固態電能的方向轉變，以此實現對太陽能的高效利用。結合現有研究能夠明確的是，全球光伏發電總量約為67.4GW，而我國則僅僅達到3GW。2019年，我國相關補貼政策推出，2020年各種競價項目、平價項目落實，我國新增光伏裝機達到4820萬kW。立足于相關政策措施、電源成本以及光伏發電技術分析，預估2050年的光伏發電技術現狀預估結果見表2。

表2 2050年光伏發電應用狀況（商業用電為例）

應用20MWP 并網發電技術完成某光伏發電站的搭建，當該光伏發電站穩定投產運行后，整年發電量可以提升至2714.25萬kWh。同時，在該光伏發電站實際運行期間，發生故障棄光以及電網棄光等問題的概率更低，使月利用率以及發電單元利用率可以長期保持在100%的水平。可以明確的是，光伏發電技術本身所擁有的優勢性明顯，可以更好抵抗多種外部因素的影響，提升無電區日常生活的便利程度，經濟效益、社會效益均保持在相對較高的水平。

相比于傳統發電技術來說，光伏發電技術的應用優勢更為明顯，不會受到地域條件的限制，能夠為不同地形條件下的所有地區提供電力支持。光伏發電不會產生污染，但各種光伏組件的加工生產中容易影響環境。為此，需要重點關注光伏發電站的建設過程，在有效減少成本投入、控制設備內耗基礎上，優化控制相關資源。相關電力企業應該結合對本行業的制約因素，通過合理制定相關政策措施，優化調整電價、完善行業發展規劃，采取并網措施，確保其在創新電網綜合運行體系基礎上，改善風電并網問題[3]。

3 風電與光伏發電關鍵技術分析

3.1 風電技術

筆者在工作中致力于對風電技術的研究，特別是定速風力發電技術，這也是一種借助雙速感應發電機進行電力生產的風電技術措施，將小功率低感應電機加設在低風速區域；將大功率高速感應電機加設在高風速區域，以此展開電力生產。期間，如果在實際的發電系統設置區域內，存在著現實風速高于標準限度的情況，可以在葉片失速原理的指導下實現對風能的有效控制，對風能利用系數進行優化調整，更為靈活地控制風能的具體消耗。需要注意的是，在定速風力發電系統的實際生產運行期間，該系統所對應的風能利用系數最大值勢必會發生一定程度的偏差，使得風能的現實利用率有所下降。基于這樣的情況，需要企業風機長期維持在低效運行的狀態下。

以某風電項目為例進行說明。在該項目中，裝機總容量達到19.2萬kW，擬在項目中完成60臺風電機組的搭建，分別布設在山脊北段、中段區域。2022年10月，該項目進行了首臺機組的吊裝施工作業，預計到2023年9月完成全部機組建設并投入實際的發電生產。項目中采用B900B 型葉片，將其配套在東方風電5MW 等級陸上風電機組中，其中機組的葉輪直徑為183m，這種規格參數的葉片適合用在多個風區，主梁位置使用了玻纖拉擠板材料，有效保障風電機組的設備質量。

在區域內的風光互補綠色清潔可再生能源示范基地完成建設并投入實際應用后，每年度可以提供的清潔電能保持在高于2200億kWh 的水平。在本項目中，風電等效年利用小時數達到2612h，在建成后，可以面向全省每天提供共5億kWh 清潔電能，為21萬戶家庭的全年用電提供充足的電能支持。同時，發電生產期間，每年能夠節約16萬t 的標準煤，減少40萬t 的二氧化碳排放，實際所表現出的節能減排效果理想。

在該風電項目中，筆者參與了變速風力發電技術的應用，具體實踐中，主要在風力發電系統內全面融合增速齒輪箱、全功率變流裝置、變流器、雙饋感應系統以及并網控制器等裝置。針對雙饋感應器搭配系統變流器展開整體性設計，以此確保其在后續使用階段可以保持在正常的發電狀態下。如果變流器的相關容量明顯低于額定功率，即保持在20%～30%額定功率的范圍內，則相應發電器件實際所能夠顯現出的經濟優勢更為理想。在電網故障條件下，能夠落實對低壓快速穿越的利用，并在系統電流峰值有所提升后，促使電力系統保持在安全運行狀態下，體現出對風力發電系統的有效保護[4]。

3.2 光伏發電技術

在光伏電池的支持下，結合光電效應的利用，促使太陽能向著電能方向轉化，以此實現光伏發電。對于光伏電池而言，其主要運行原理為：半導體P-N 結形成光生伏特效應。光伏發電關鍵技術如下，獨立光伏發電技術也被稱作是離網光伏發電技術。和并網發電系統相比，獨立光伏發電系統擁有一套相對獨立的發電系統，隔離系統通常用在偏遠地區，旨在解決當地的無電問題，保障供電可靠性，防止光伏發電受到氣候或負荷等因素的影響。

筆者參與的光伏發電項目中，致力于對獨立光伏發電系統的應用與研究，其中獨立光伏發電系統主要包括蓄電池、控制器以及太陽能電池組件等部件組成。項目內建設了孤立光伏電站，獨立光伏發電系統就被用在照明條件良好且對電力負荷需求比較大的區域，電站的容量可以達到幾十千瓦，整個電站包含了光伏電池板陣列、蓄電池與變流器等部分，白天系統會為蓄電池充電，完成光伏水泵與設備供電，夜晚系統將會控制蓄電池進行逆變放電。

對電站進行科學規劃建設時，蓄電池的合理應用至關重要，特別是對于夜里用電或用電率比較高的電動機，需采取動態負荷的用電模式。如果系統是以交流負載供電為主，則電力系統內會設置交流逆變器，可以進一步劃分為兩種子系統，即交流、直流兩種形式的光伏發電系統。該種電力系統實際運行中，對于光照條件較好情況下，光伏發電列陣可以實現向著電力負荷展開功率傳輸，并為太陽能電池充電。

如果光伏發電系統內部設置了逆變器，則系統在實際運行期間可以直接完成對電池直流功率、列陣功率的轉化，促使功率降低、保持在50～60Hz的范圍內，并對額定功率整體控制效率進行持續提高，達到85%～95%的范圍內。在陽光充足且負載需求偏高的海島、無電村落等環境中，更加適合搭建并使用獨立光伏發電系統。在相應系統的覆蓋范圍內，用電用戶相對集中，構建容量規模在10～100kW 范圍內的立式光伏系統即可。在日照條件下，光伏發電系統能夠向著蓄電池充電；充滿電后，向光伏水泵、加工設備等提供電能，結束供電后展開抽蓄水等多種生產活動。在夜間沒有光照的條件下，蓄電池轉入逆變放電狀態，以此確保能夠為電力用戶，以及相關電力設備提供正常的供電服務。

4 結語

綜上所述，在新時期發展中，資源不足以及生態環境污染不斷加劇，人們對于綠色生產重視程度持續提升，以太陽能和風力資源為基礎的光伏發電技術，以及風電技術能夠在滿足社會電力生產基礎需求同時，提高電力生產清潔性，進一步降低電力生產中的污染問題和能源損耗。為此，需要電力產業積極迎合新時期發展潮流，深化電力生產技術研究，擴大電力系統各種清潔、可再生能源利用比例。