可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

趙星竹　尹常永

摘 要：在中國(guó)可再生能源開發(fā)利用背景下，介紹了風(fēng)能、太陽(yáng)能可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能源利用狀況，以及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。并從電網(wǎng)連接方式、最大功率點(diǎn)跟蹤、諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償三個(gè)方面，著重闡述了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：可再生能源發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；光伏發(fā)電；并網(wǎng)技術(shù)

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)運(yùn)行方式；管理方式；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；策略分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.162

1 引言

我國(guó)的電力工業(yè)主要是火力發(fā)電，煤炭需求量巨大，能源的過度開采利用破壞了生態(tài)環(huán)境，并造成一系列環(huán)境污染問題。可見非可再生能源的長(zhǎng)期發(fā)展和利用并不適用于國(guó)家當(dāng)前政策。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源匱乏問題的凸顯，可再生能源逐漸成為最理想的資源。能源充足是一個(gè)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提與保障，而在世界范圍內(nèi)，為確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致能源過度開采的國(guó)家不在少數(shù)。能源短缺造成能源需求的不斷增大，這樣的惡性循環(huán)使開發(fā)利用可再生能源成為各國(guó)解決能源問題的必要措施。在當(dāng)今的能源背景下，可再生能源是我國(guó)優(yōu)先發(fā)展的重中之重，可再生能源可循環(huán)再生，具有取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，且資源分布廣泛，對(duì)環(huán)境危害小，適合就地開采。太陽(yáng)能與風(fēng)能是我國(guó)使用規(guī)模較大、開發(fā)技術(shù)更成熟的可再生能源。在電力行業(yè)，新能源發(fā)電系統(tǒng)已成為電力系統(tǒng)內(nèi)的主要成員。

2 幾種可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，約10億千瓦的風(fēng)能可以發(fā)掘，這也是風(fēng)力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域迅速發(fā)展的原因之一，根據(jù)專家預(yù)測(cè)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量在2050年可達(dá)到4億千瓦。將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能就是風(fēng)力發(fā)電的大體過程。按照運(yùn)行控制方式，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行闡述。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于早期風(fēng)力發(fā)電，在現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中仍然得到廣泛應(yīng)用，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率決定不隨風(fēng)速改變。該系統(tǒng)主要應(yīng)用異步電機(jī)，當(dāng)采用籠型異步發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組和電網(wǎng)前的變頻器作用使發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率與電網(wǎng)頻率相同，由于變頻器與發(fā)電機(jī)相連且容量相同，導(dǎo)致所需變頻器容量大，需要安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但由于風(fēng)機(jī)的速度不隨風(fēng)速變化，錯(cuò)失了最優(yōu)轉(zhuǎn)速，從而降低了風(fēng)能利用率。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的主要研究領(lǐng)域。在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)速變化而調(diào)節(jié)，增加了風(fēng)能利用率，進(jìn)而提高了發(fā)電效率。發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均可向電網(wǎng)輸出功率，轉(zhuǎn)子側(cè)功率可實(shí)現(xiàn)雙向輸出，能量損失小，可根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)靈活調(diào)節(jié)。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的高利用率和無(wú)污染等特性保證了光伏發(fā)電的研究?jī)?yōu)勢(shì)。近年來，中國(guó)在全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先的位置，在相關(guān)政策支持下光伏安裝量逐年增長(zhǎng)，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電總量在2015年達(dá)到了20GW，位居世界第一的位置。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏模塊和光伏逆變器組成。光伏發(fā)電選用光電直接轉(zhuǎn)換方法，利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過逆變器將轉(zhuǎn)換來的直流電逆變成符合電網(wǎng)要求的交流電再并網(wǎng)，以完成整個(gè)發(fā)電并網(wǎng)過程。此外，由于并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)既連接電網(wǎng)又連接負(fù)載，所以系統(tǒng)的不穩(wěn)定為電網(wǎng)和負(fù)載都帶了影響，那么就需要一個(gè)電能調(diào)節(jié)部分--儲(chǔ)能元件，例如控制器可以調(diào)節(jié)蓄電池組根據(jù)系統(tǒng)可輸送電能的多少進(jìn)行充放電以滿足負(fù)載要求。光伏電池多種多樣，根據(jù)材料分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池和多元化合物光伏電池。在系統(tǒng)中單個(gè)光伏電池通常按一定的方式連接成組件使用以提升效率。光伏逆變器的作用是對(duì)輸出電能進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心元件。在系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是電流控制型逆變器，它的作用是調(diào)節(jié)電流的相位和幅值使得電壓和頻率滿足并網(wǎng)要求。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

由于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)多受天氣因素的影響，無(wú)法做到全天候規(guī)律發(fā)電，會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，因此促成了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，兩種自然互補(bǔ)能源合理配置發(fā)電，彌補(bǔ)了兩種資源的不足，具有良好的發(fā)展前景。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中由風(fēng)光互補(bǔ)控制器調(diào)控風(fēng)電與光電共同向蓄電池組充電，再以蓄電池組為中樞逆變成交流電向電網(wǎng)和負(fù)載輸送。在系統(tǒng)中風(fēng)光互補(bǔ)控制器和蓄電池可以調(diào)節(jié)能量傳輸過程?？刂破骺梢愿鶕?jù)外部環(huán)境變化情況，在日光照射強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)力等因素的影響下調(diào)節(jié)蓄電池組儲(chǔ)存或輸送電能，確保負(fù)載用電并使整個(gè)系統(tǒng)在恒壓條件的安全穩(wěn)定，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電功率是風(fēng)機(jī)額定功率和光伏電池最大功率的總和。近年來風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用廣泛，在通信、電站和照明等場(chǎng)所發(fā)揮作用。根據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，目前在西藏、內(nèi)蒙地區(qū)已有風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)投入運(yùn)行使用。

3 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)在為我們節(jié)約資源、降低污染、提升效益的同時(shí)，也影響了電網(wǎng)穩(wěn)定供電。由于我國(guó)以火力發(fā)電為主，再加上可再生能源本身并不穩(wěn)定的特性，使可再生能源發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，往往需要相應(yīng)的技術(shù)來調(diào)整可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的適配性，使可再生能源發(fā)電系統(tǒng)安全并網(wǎng)的同時(shí)保證電能質(zhì)量與發(fā)電效率，下面主要從以下三個(gè)方面闡述可再生能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

3.1 并網(wǎng)方式

在并網(wǎng)方式上，由于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電能要保證與電網(wǎng)對(duì)應(yīng)端電壓幅值、頻率和相位完全相同，因此需要電力電子設(shè)備進(jìn)行電能調(diào)節(jié)。如光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的并網(wǎng)逆變器，電流控制性型光伏并網(wǎng)逆變器可以使并網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1，并且控制并網(wǎng)電流波形接近正弦，從而提升發(fā)電效率和電能質(zhì)量。此外，光伏并網(wǎng)逆變器多裝配隔離變換器，采取隔離方式防止直流電流進(jìn)入電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可直接并網(wǎng)也可通過變頻器并網(wǎng)，受風(fēng)速變化的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率并不穩(wěn)定，而變頻器可以將風(fēng)力發(fā)電頻率同化為電網(wǎng)頻率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率相隔離，并網(wǎng)時(shí)在很大程度上減少了沖擊電流與沖擊轉(zhuǎn)矩的生成，進(jìn)一步提升了電能質(zhì)量。此外，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中同步風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，在并網(wǎng)方式上可以選擇自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)，而異步風(fēng)力機(jī)可選擇直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和晶閘管軟并網(wǎng)（通過晶閘管軟并網(wǎng)來限制沖擊電流）。endprint

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)

可再生能源發(fā)電與最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)相結(jié)合，可以有效地提高資源利用率，同時(shí)確保發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)來控制系統(tǒng)的功率，因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)受光強(qiáng)、溫度變化等不受控制因素的影響，系統(tǒng)輸出功率難以根據(jù)一定規(guī)律跟蹤最大值，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制是調(diào)整光伏電池阻抗和位置，在最大

功率點(diǎn)上運(yùn)行系統(tǒng)。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法主要有最佳葉尖速比法和功率信號(hào)反饋法，前者通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)機(jī)葉尖速比為最佳值，保證捕捉最大風(fēng)能，操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但依賴于風(fēng)速測(cè)量難免有誤差較大的問題。后者不需要測(cè)量風(fēng)速，根據(jù)繪制的輸出功率曲線和實(shí)際風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)相應(yīng)的最大輸出功率，在調(diào)節(jié)器中控制鼓風(fēng)機(jī)捕捉最大功率點(diǎn)。

3.3 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償

在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，有大量電力電子設(shè)備，這些不穩(wěn)定的非線性器件在電網(wǎng)連接時(shí)會(huì)給電網(wǎng)帶來大量的諧波和無(wú)功功率，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是無(wú)源濾波技術(shù)，根據(jù)電容和電感的諧振特性，用并聯(lián)方式補(bǔ)償無(wú)功功率，并共享部分諧波分量。雖然無(wú)源濾波技術(shù)成熟且易于操作，但只能抑制固定頻率的諧波，容易產(chǎn)生諧波，只能補(bǔ)償靜態(tài)無(wú)功功率，而自身適應(yīng)性差只能在穩(wěn)定的運(yùn)行條件下使用。因此，提出采用PWM逆變器構(gòu)成有源電力濾波器接入的有源電力濾波技術(shù)。有源濾波技術(shù)具有良好的補(bǔ)償特性，可以抑制諧波，并在一定程度上彌補(bǔ)無(wú)源濾波技術(shù)的不足。有源電力濾波器可以與LC無(wú)源濾波器相結(jié)合，目的是結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)得到更好的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

可再生能源的開發(fā)利用已然成為今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，而隨著資源利用的不斷深入以及相關(guān)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，也逐漸出現(xiàn)模式上的缺陷和技術(shù)水平的不足。可再生能源的開發(fā)需要科學(xué)工作者在思維和技術(shù)上不斷創(chuàng)新，推動(dòng)其更廣闊的發(fā)展領(lǐng)域。

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