關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的有機(jī)結(jié)合

陳都平

【摘 要】經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源的需求量劇增，能源供應(yīng)面臨著巨大的壓力。能源的過(guò)度開發(fā)使傳統(tǒng)能源緊缺的狀況日益嚴(yán)重，同時(shí)也使生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步的惡化，風(fēng)能、太陽(yáng)能新能源的開發(fā)和利用使能源供應(yīng)緊張的狀況得到有效的緩解。本文對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電的特點(diǎn)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站在無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊筮M(jìn)行分析，并對(duì)SVG在風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電站的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討，旨在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的有機(jī)結(jié)合，為我國(guó)能源供應(yīng)做出更大的貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng) 光伏電站 風(fēng)光互補(bǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，有限的能源儲(chǔ)藏量和無(wú)限增長(zhǎng)的能源需求量造成了能源供需之間存在嚴(yán)重的不平衡。資源的過(guò)度開發(fā)，使得生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的破壞，傳統(tǒng)能源嚴(yán)重短缺，能源爭(zhēng)奪的問(wèn)題愈演愈烈。新能源的開發(fā)和利用，全球能源發(fā)展的大勢(shì)所趨，是緩解能源供需壓力的有效途徑。相對(duì)于傳統(tǒng)能源來(lái)說(shuō)，風(fēng)能、太陽(yáng)能作為可再生能源，發(fā)展?jié)摿薮?，綜合效益高。如今，大力開發(fā)新能源，重視風(fēng)能、太陽(yáng)能的開發(fā)和利用，能為全球能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到國(guó)家的高度關(guān)注，并頒發(fā)了一系列的政策法規(guī)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予大力的支持，為新能源的開發(fā)和利用提供政策和資金保障。近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站發(fā)展迅速，規(guī)模和容量不斷擴(kuò)大，使我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。風(fēng)能和光能發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)，而且具有明顯的間歇性特點(diǎn)，因此在穩(wěn)定性和安全性方面比傳統(tǒng)能源難度更大，要求更高。風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的并網(wǎng)，給電網(wǎng)調(diào)度以及電網(wǎng)安全方面帶來(lái)了很大的壓力，為電網(wǎng)送點(diǎn)質(zhì)量和功率平穩(wěn)性帶來(lái)了明顯的沖擊。

1 風(fēng)電和光伏發(fā)電的運(yùn)行特點(diǎn)

風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行是利用流經(jīng)的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，因?yàn)轱L(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，加上空氣密度、槳距角的變化使得輸出功率的平衡性難以得到保證。風(fēng)速的變化對(duì)輸出功率的影響最大，而且隨機(jī)性強(qiáng)，這是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出公路變化頻繁的主要愿意。同時(shí)，外部原因，如塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素，等風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)造成影響，轉(zhuǎn)矩的頻繁變化造成風(fēng)機(jī)輸出功率不穩(wěn)定?？梢哉f(shuō)無(wú)論是哪種因素引起的風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)，都會(huì)影響電壓的穩(wěn)定性，使電壓處于頻繁波的狀態(tài)。

光伏發(fā)電是將太陽(yáng)光能運(yùn)用半導(dǎo)體界面進(jìn)行轉(zhuǎn)變使其轉(zhuǎn)換為電能。但是光伏發(fā)電穩(wěn)定性不高，調(diào)節(jié)能力薄弱，氣候條件是影響光伏發(fā)電電量的主要因素，特別是夜晚或者陰雨天氣的條件下，發(fā)電量很少甚至不發(fā)電。實(shí)施并網(wǎng)為了有效增加風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的容量，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而在并網(wǎng)的過(guò)程中將二者有機(jī)的結(jié)合，既保證發(fā)電量能夠不斷增加，同時(shí)又要注意保持電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，這是并網(wǎng)急需解決的或者重點(diǎn)問(wèn)題。風(fēng)電具有隨機(jī)性大的特點(diǎn)，風(fēng)力大小變化使得出電量也隨之不斷變化，而光伏受晝夜以及氣候影響很大，即使是多云的天氣，光伏出電量也是時(shí)有時(shí)無(wú)，或多或少。由此可見，無(wú)論是風(fēng)電還是光伏發(fā)電都具有多變性，而這一特性又造成了對(duì)電網(wǎng)沖擊的頻繁變化，由此帶來(lái)的最直接的影響就是電壓波動(dòng)性大而頻繁。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)論是直驅(qū)風(fēng)機(jī)還是逆變器都存在低電壓穿越的過(guò)程，無(wú)法提供充足的無(wú)功，這樣就會(huì)造成電網(wǎng)系統(tǒng)電壓在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)跌幅震蕩，從而容易造成大面積脫網(wǎng)事故的發(fā)生。為了有效的解決這一問(wèn)題，目前最好的方法就是利用無(wú)功功率補(bǔ)償器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的有機(jī)結(jié)合。

2 呼倫貝爾風(fēng)能和太陽(yáng)能的分布與開發(fā)

內(nèi)蒙古呼倫貝爾屬于溫帶季風(fēng)氣候，全年季風(fēng)氣候時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)六千小時(shí)以上，平均風(fēng)速也在每秒三米以上，滿足風(fēng)力發(fā)電對(duì)于風(fēng)力連續(xù)性以及風(fēng)速的要求。特別是冬季較之我國(guó)其它地區(qū)都要長(zhǎng)，受來(lái)自于西伯利亞寒流的直接影響，在強(qiáng)冷空氣的沖擊下，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的強(qiáng)勁的風(fēng)力，由此產(chǎn)出豐富的風(fēng)力資源，而且風(fēng)能密度高。風(fēng)能發(fā)電有效的減少了不可再生能源的供應(yīng)壓力，而且具有持續(xù)性高，綠色環(huán)保的特點(diǎn)。呼倫貝爾憑借得天獨(dú)厚的風(fēng)力資源和太陽(yáng)能資源條件（見下表1），只要開發(fā)利用得當(dāng)，能夠有效的緩解傳統(tǒng)能源供需壓力，解決生產(chǎn)和生活中能源短缺的問(wèn)題。

3 風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響

在內(nèi)蒙古地區(qū)，風(fēng)電的反調(diào)峰特性表現(xiàn)非常明顯，在夏季，氣候干燥炎熱，農(nóng)田灌溉、畜牧養(yǎng)殖、居民生活用電負(fù)荷大幅度增加，屬于用電負(fù)荷的高峰期，而在此季節(jié)，風(fēng)力條件處于年度的低谷期，風(fēng)力發(fā)電量在年度發(fā)電量中所占比例很小。在冬春季節(jié)，用電負(fù)荷相對(duì)于夏季明顯減少，而此期間又是風(fēng)力資源豐富的時(shí)期，特別是冬季受西伯利亞寒流的勁風(fēng)影響，風(fēng)力較大，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，春季受暖濕氣流的影響，氣溫逐漸回升，多刮東南風(fēng)。受季節(jié)氣候條件的影響，風(fēng)電的反調(diào)峰特性顯現(xiàn)，參見下圖1：

在內(nèi)蒙古風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的過(guò)程中，電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性面臨著沖擊，特別是在系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線以及調(diào)峰方面，困難較大。在冬季，供熱機(jī)組的調(diào)峰相對(duì)薄弱，隨著峰谷差的不斷拉開，電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)整面臨的壓力也越來(lái)越大。風(fēng)電并網(wǎng)的不斷推進(jìn)，也逐漸有新的問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)：

（1）對(duì)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的影響。風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)雖然在一定程度上使容量增加，但是其所特有的不穩(wěn)定性特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性會(huì)有一定程度的影響。隨著運(yùn)行方式的變化，風(fēng)電出力的上下波動(dòng)帶動(dòng)了聯(lián)絡(luò)線傳輸功率也隨之波動(dòng)，聯(lián)絡(luò)線很容易發(fā)生過(guò)載的情況，對(duì)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定性的影響會(huì)越發(fā)明顯。

（2）對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響。隨著風(fēng)電并網(wǎng)的進(jìn)行，容量大量增加，相應(yīng)的電網(wǎng)系統(tǒng)的備用容量就需要隨之增加，以免在突然沒(méi)風(fēng)的情況下風(fēng)機(jī)大面積發(fā)展脫網(wǎng)的情況對(duì)系統(tǒng)造成顯著的影響。如果在用電負(fù)荷較低的情況下，為了防止風(fēng)電突然大發(fā)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，就需要將部分機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整或者停止，因此，電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電的反調(diào)峰的應(yīng)對(duì)措施從根本上來(lái)看是以犧牲其穩(wěn)定性為代價(jià)的。

（3）影響電網(wǎng)故障的發(fā)生率。風(fēng)電機(jī)組數(shù)量的不斷增加，并網(wǎng)的不斷推進(jìn)，風(fēng)電運(yùn)行中所具有的不確定因素對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全增加了一些不確定的安全威脅，使電網(wǎng)故障率增加。同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，因?yàn)閯?dòng)作行為不能做到快速統(tǒng)一，不僅容易造成保護(hù)動(dòng)作的誤操作，嚴(yán)重的還會(huì)使故障加重。

（4）對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)的過(guò)程中需要吸收電網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功功率作為支持，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突然降低，而在脫網(wǎng)的過(guò)程中又會(huì)造成電壓的突然升高，這就需要對(duì)電壓進(jìn)行科學(xué)合理的控制和調(diào)整，以爭(zhēng)取最大程度上保持電壓的穩(wěn)定，從而保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。從呼倫貝爾現(xiàn)有投產(chǎn)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組來(lái)看，在對(duì)動(dòng)態(tài)電壓的控制方面的技術(shù)還不夠成熟，無(wú)功支持不充分必然會(huì)在并網(wǎng)過(guò)程中吸收大量的無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

4 風(fēng)光互補(bǔ)的可行性和優(yōu)越性

4.1 光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)分析

光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)在于資源的無(wú)限性和可再生性，取之不盡用之不竭，同時(shí)使用起來(lái)安全性和可靠性高，沒(méi)有噪聲污染而且綠色環(huán)保。同時(shí)光伏發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比不收資源分布空間的限制，可使用范圍廣泛，不需要消耗其它的燃料能源。光伏發(fā)電在工程項(xiàng)目的建設(shè)上相對(duì)建設(shè)周期短，能夠很快的投入運(yùn)行。其缺點(diǎn)在于在能力分布需要占用大面積，分布密度相對(duì)小得多，能源量受季節(jié)、氣候、天氣情況、晝夜交替等因素的直接影響，具有不確定性，成本投入上相對(duì)較高。

4.2 風(fēng)光互補(bǔ)的可行性分析

4.2.1 運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)性好

近年來(lái)，隨著內(nèi)蒙牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，牧民生活水平逐年提高，牧民用電量也與日俱增，而作為容量更大、發(fā)電更為方便的“風(fēng)光互補(bǔ)”發(fā)電設(shè)備，是將風(fēng)能資源、太陽(yáng)能資源進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互換，具有清潔環(huán)保的作用，是一種較之以前的老式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備更為充足的照明系統(tǒng)，受到牧民們普遍青睞。同時(shí)，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。實(shí)施風(fēng)光互補(bǔ)，使電力設(shè)施占用的土地得到更加高效的利用，減少了土地資源的浪費(fèi)，而且在生產(chǎn)運(yùn)行的過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，更不會(huì)有廢棄物的排放，符合現(xiàn)代節(jié)能減排，綠色環(huán)保的主題要求。同時(shí)，設(shè)備兼容性好，二者對(duì)站內(nèi)很多設(shè)備能夠共同使用，不僅有效的節(jié)省了設(shè)備方面的成本投入，而且使已有的設(shè)備利用率大大提高，真正的做到高效、節(jié)約。2014年，內(nèi)蒙古大唐風(fēng)電風(fēng)光互補(bǔ)電場(chǎng)總發(fā)電量為14021.061萬(wàn)kWh，風(fēng)機(jī)9829.837萬(wàn)kWh，光伏4191.224萬(wàn)kWh；上網(wǎng)電量為13857.034萬(wàn)kWh，風(fēng)機(jī)上網(wǎng)電量為9714.842萬(wàn)kWh，光伏上網(wǎng)電量為4142.192萬(wàn)kWh；綜合場(chǎng)用電量為189.36萬(wàn)kWh，站用電量為60.515萬(wàn)kWh：風(fēng)機(jī)設(shè)備可利用率為98.68%，光伏設(shè)備可利用率為99.23%。其中，風(fēng)機(jī)上網(wǎng)電價(jià)為O.51元kWh，光伏上網(wǎng)電價(jià)為1.15元/kWh。截止2014年12月底，公司全年累計(jì)完成利潤(rùn)總額1283萬(wàn)元，投資收益率高達(dá)11.660%，明顯高于中國(guó)華電集團(tuán)公司要求新能源項(xiàng)目進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期達(dá)到8%的收益率標(biāo)準(zhǔn)。以上分析表明，風(fēng)電場(chǎng)配以適當(dāng)?shù)墓夥萘浚坏黾恿斯╇姷目煽啃院头€(wěn)定性，而且經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電的模式應(yīng)該得到更加廣泛的推廣。風(fēng)光互補(bǔ)電場(chǎng)的建設(shè)不但充分利用了當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、光伏資源，還改善了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，減少了沙塵對(duì)環(huán)境的危害，且在增加地方稅收，促進(jìn)就業(yè)等方面也帶動(dòng)了地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是科學(xué)利用自然資源的新成果，它有如下諸多優(yōu)勢(shì)。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可彌補(bǔ)單一風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，使供電的穩(wěn)定性、持續(xù)性和可靠性得到保障。對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，基本能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供電，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)高低空結(jié)合，共用部分道路、設(shè)施及建筑，達(dá)到集約利用土地的效果。由于共用部分道路、配電設(shè)備及建筑，工程造價(jià)明顯降低。共用一批管理人員和工程技術(shù)人員，提高勞動(dòng)效率，降低運(yùn)行成本。風(fēng)光互補(bǔ)的模式不僅占用耕地利用率提高、沒(méi)有污染，而且能共用站內(nèi)部分設(shè)備使運(yùn)行成本低，真正實(shí)現(xiàn)了“1+1=1”節(jié)約模式。

4.2.2 互補(bǔ)效果好

呼倫貝爾地域廣闊，白天光照強(qiáng)，到了夜間多風(fēng)。在夏季和秋季，雖然少風(fēng)，但是太陽(yáng)光線強(qiáng)，日照好，光能資源相對(duì)豐富。而在冬春季節(jié)以多風(fēng)天氣為主，風(fēng)力大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，相對(duì)風(fēng)力資源更為豐富。風(fēng)能光能正好實(shí)現(xiàn)了良好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，補(bǔ)充了各自單獨(dú)運(yùn)行的不足，更減少了單獨(dú)運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。隨著內(nèi)蒙古地區(qū)電力事業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)和光伏技術(shù)的不斷開發(fā)與更新，如今已經(jīng)建立起風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和能量管理平臺(tái)，相應(yīng)的光伏預(yù)測(cè)和能力管理平臺(tái)也將建設(shè)起來(lái)。二者的互補(bǔ)不僅有效的提高資源的利用率，有效的緩解了原有電網(wǎng)系統(tǒng)的供電壓力，并對(duì)維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性具有重要的作用。

4.2.3 國(guó)家政策的扶持

風(fēng)電和光伏發(fā)電都具有綠色環(huán)保，而且作為可再生資源，極大的緩解傳統(tǒng)能源供應(yīng)的壓力，也正因?yàn)槿绱?，?guó)家無(wú)論在政策上還是資金上，都在發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電方面加大了支持力度。頒發(fā)了一系列的政策、法規(guī)為新能源的開發(fā)和利用提供保障，并在資金方面給予一定的補(bǔ)貼，將開發(fā)新能源，發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電作為重要課題來(lái)抓，發(fā)展前景十分廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源的開發(fā)利用為人類社會(huì)的發(fā)展對(duì)能源的需求提供了有效的補(bǔ)充，同時(shí)也滿足節(jié)能環(huán)保的綠色主題。呼倫貝爾地區(qū)以其得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，在風(fēng)電和光伏發(fā)電方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，風(fēng)電互補(bǔ)必將成為今后的電力行業(yè)的發(fā)展方向，使內(nèi)蒙地區(qū)的資源優(yōu)勢(shì)得到充分的利用和發(fā)揮。

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