太陽能與風能發(fā)電并網技術

上海電力建設有限責任公司 郭 輝

1 太陽能和風能

1.1 太陽能

它的特點就是密度相對低、太陽能源變化快、間歇性強等，所以利用太陽能發(fā)電會變得相對困難。如何快速有效的收集太陽能，找到正確的方法收集并利用太陽能才是解決問題的關鍵。太陽能發(fā)電有四項關鍵技術：聚光器、吸收器、跟蹤和蓄熱。聚光器和吸收器技術主要是為了解決太陽熱能密度低、分布不均勻的問題，而儲能的難點在于如何儲存和減少熱損失，在沒有太陽光源的情況下提供電力。

太陽能是一種自然、無污染、可再生的能源，但它具有密度低、空間分布不斷變化等特點，使用成本也是較高，阻礙了人類太陽能熱能的發(fā)展。但是太陽能熱能技術一旦投入使用，將在后期給我們帶來可觀的社會經濟效益，加上化石燃料對當地環(huán)境和其不可再生性產生的負面影響，鼓勵了政府支持和推動太陽能熱能的發(fā)展。太陽能、熱力發(fā)電四項基礎核心技術解決方案就是研究新材料[1]。在我國未來的發(fā)展趨勢中，將會有大量的太陽能被利用。

1.2 風能

傳統(tǒng)的發(fā)電技術原理是先轉化成動能再轉化成電能，在此過程中產生了對環(huán)境污染嚴重的碳、氮氧化物，造成大量的二次污染。這與水電和太陽能發(fā)電有一定的相似度但它們是綠色自然能源發(fā)電，不會釋放任何污染物，有效地保證了中國經濟的綠色和可持續(xù)發(fā)展。

另外，中國擁有非常豐富的風能資源，在風力發(fā)電方面具有顯著的優(yōu)勢，近年來中國的風力發(fā)電一直在快速增長，有效地促進了我國社會的可持續(xù)發(fā)展。事實上，風力發(fā)電是自網的，不會與電網系統(tǒng)相連，通過水力發(fā)電和風力發(fā)電的有效結合，有助于滿足偏遠地區(qū)的供電需求[2]。然而，離網風力發(fā)電的優(yōu)勢還沒有得到充分發(fā)揮，因此風力發(fā)電是一個重要的發(fā)展趨勢。風力發(fā)電并網技術的特點是周期短、占地面積小，有利于實現智能化并網管理機制。此外，通過風電網技術，可以有效地支持和補償風電場的電網，從而更好地利用風能，提高清潔能源利用價值。

1.3 系統(tǒng)組成結構

可靠的電力供應系統(tǒng)必須有可靠的設計，以確保在風能-太陽能供電系統(tǒng)中太陽能充電和風能充電是兩個獨立的充電電路。對于電池組，充電由風力發(fā)電機和太陽能電池組件兩部分進行，充電比例取決于不同地區(qū)的資源狀況和環(huán)境條件。太陽能發(fā)電電路由太陽能電池陣列、公共電路和太陽能充電控制器組成。風力發(fā)電電路由一個風力發(fā)電機、高頻整流模塊、卸載系統(tǒng)及相關控制元件、配電與保護組成的電源傳輸控制回路組成。雙向電源通過母線與蓄電池連接。

2 太陽能熱發(fā)電的常用方式及其比較分析

2.1 聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏集中發(fā)電是近幾年來在我國大規(guī)模發(fā)展的一項新興產業(yè)。它主要應用在兆瓦及以上并網的太陽能發(fā)電廠中。與平板式光伏發(fā)電相比，集中式光伏發(fā)電技術在成本上更加低廉，而且具備建造周期較短、保養(yǎng)簡單、占用面積小、平整性要求較低等優(yōu)勢。

槽式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電最早采用的技術之一就是槽式集熱器，它已經發(fā)展成為集熱器中最成熟的太陽能技術，槽式集熱器中的太陽能熱發(fā)電就是指通過槽式的拋物表面進行聚焦，將太陽光從其中反射出來送入所需的接收熱管中，通過一個管式的熱載體，將其中的水體加熱為蒸氣，驅動一臺汽輪機進行發(fā)電[3]。因此，槽式熱力發(fā)電的一個重要關鍵技術就是太陽能集熱器、吸附器、追溯技術以及高溫、蓄熱等技術。槽式太陽能熱電站主要由集熱和發(fā)電兩個大組成部分，其中集熱器不同于我們傳統(tǒng)的發(fā)電方式，包括：拋物槽反射器、熱接受器、單軸追溯控制系統(tǒng)、集熱器，集熱器和傳統(tǒng)的發(fā)電技術一樣，是我國最早、最成熟、最經濟的發(fā)電系統(tǒng)。

碟式斯特林聚光熱發(fā)電系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)包括一個旋轉拋物面鏡、一個散熱器、一個追蹤裝置和一個熱變流技術裝置。該系統(tǒng)是直接安裝在雙軸追蹤支持裝置上，實現了定期追蹤和連續(xù)發(fā)電。它充分保留了塔架散熱器系統(tǒng)的聚焦價格比高、體量大和規(guī)模小的優(yōu)勢，較好解決了塔架頂部散熱器的散熱量大、安裝和維修成本低的問題，但盤式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)存在發(fā)電效率差、占地面積小、所采用的材料少等明顯的缺點。

2.2 平板光伏陣列

平板光伏系統(tǒng)包括太陽能電池板、直流保護和采集系統(tǒng)、交流保護和開關系統(tǒng)、變頻器、電能計量、基礎設施等。該系統(tǒng)的工作原理是將一個電池面板陣列組裝成一個接線盒，直接向直流負載供電。然后，逆變器將組裝好的直流電源轉換成單相電源，或者根據三相交流電電壓和頻率為最終用戶提供電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于大型并網發(fā)電廠。在應用中，需考慮直流線路、交流線路、增壓站等部分。為提高太陽光的利用率，通常采用單軸或雙軸跟蹤系統(tǒng)來延長太陽直射時間和發(fā)電量。這個跟蹤系統(tǒng)占用了很多空間，因為它通過太陽方位角旋轉來驅動面板的陰影效果。一般而言，平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)結構簡單，技術含量低，易于安裝和構造，但其存在發(fā)電效率較低、運輸及維修不方便等一系列缺點。

3 風能發(fā)電預測技術研究現狀的分析

3.1 異步風力發(fā)電機并網技術

異步風力發(fā)電機是異步發(fā)電機和風力發(fā)電機的結合。異步風力發(fā)電機的速度與同步發(fā)電機的速度差不多，對精度要求不高。異步風電機組的控制裝置不復雜，運行可靠、安全，但異步風電并網技術也存在許多問題，如并網后沖擊電流較大，造成風電機組電氣安全隱患，磁飽和現象會導致勵磁電流增大，系統(tǒng)功率降低。因此，通過加強運行監(jiān)督和有效預防，可以更好地保障異步風電機組并網運行的安全性。

異步風力發(fā)電機風渦輪轉速和同步風力發(fā)電機轉速幾乎是相同的，不需要進行整步操作和同步設備。然而，異步風力發(fā)電機組的并網非常復雜，有許多問題需要解決。如果異步風電機組直接接入電網，容易產生較大的沖擊電流，降低電網電壓，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全運行。因此，電場運行部門應做好監(jiān)督工作，制定有效的預防措施，確保風電并網運行的可靠性和安全性。

3.2 同步風力發(fā)電機并網技術

同步風力發(fā)電機作為同步發(fā)電機和風力發(fā)電機的組合，不僅可以保證發(fā)電機的有功輸出，而且可以提供無功功率，還可以有效地保證電能質量，因此在我國風力發(fā)電系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。目前國內許多專家正在研究同步發(fā)電機和風力發(fā)電機的有機融合方法，一般來說風速的大幅波動會導致轉子轉矩的波動，不能滿足并網機組的調速精度。如果不充分考慮上述問題，特別是在大負荷條件下，同步發(fā)電機與風力發(fā)電機組融合后，電力系統(tǒng)很容易出現無功振蕩或失步現象。上述問題導致同步風力發(fā)電機組的廣泛應用受到影響，隨著混頻器裝置的廣泛應用，這一問題得到了有效的解決。

4 新能源應用前景及電能質量控制要點

4.1 太陽能熱發(fā)電技術的應用前景

太陽能電池可分為晶體系統(tǒng)、薄膜系統(tǒng)、多結系統(tǒng)、有機系統(tǒng)等。晶體硅在市場上很常見，而薄膜太陽能電池將有更大的市場。中國作為能源需求大國，在本國的生產方面可是取得了不錯的成績。在世界各國的共同努力下，隨著技術的不斷提高，相對應的成本也在下降。社會對太陽能的需求不斷增大，當太陽能發(fā)電成本降低到一定程度時，將成為未來電網的骨干。

4.2 風能發(fā)電技術的應用前景

中國的風力發(fā)電機組系統(tǒng)技術常被廣泛應用在陸上和海上的風電場建設中。此外，大多數地上的發(fā)電站均靠近城市，而且城市的大型高層建筑很容易對其發(fā)電量產生影響。風能系統(tǒng)的控制和管理技術無法得到充分優(yōu)化，導致了風力發(fā)電的效率和質量低下，造成經濟效益和土地資源的浪費。但隨著我國風能系統(tǒng)管理技術的發(fā)展和進步，相關專家也開始把風能技術運用到海上風力發(fā)電系統(tǒng)中。海風不同于陸風，它們所擁有的風力資源更為豐富，從以上的研究可以清楚地看出，風力機最佳工作原理之一就是葉輪收集風力，這也是直接影響風力機構優(yōu)化運行的重要因素之一。在建造海上風力發(fā)電場時，風力渦輪機收集的風能是陸地風力發(fā)電機的1.5倍，然而海上電站的建設成本很高，海風系統(tǒng)管理技術的應用也并未掌握的很好。

4.3 太陽能質量控制要點分析

太陽能電池安裝的主要設備是卡車和叉車，整個過程是：首先，使用輔助機械設備，將整個電池組裝到指定位置，并保持指定狀態(tài)，建造者準確地將整個部件放在支架上，并在安裝過程中將其固定到位。要注意的是在這個過程中，電池組不能承受高強度的沖擊和振動，在安裝和運行過程中，盡量輕放電池組，禁止橫向和重擠壓。在整個過程中，電池堆放到所需的位置，并逐個放置，固定面板，注意面板之間的玻璃結構，避免玻璃破碎的情況出現。

其次，調整電池位置，使裝配水平和垂直，每個裝配應接近支架的接觸面，保持傾角和組間的距離。需要說明的是，在安裝太陽能電池時，所有的傾斜角度都要滿足設計要求，必須保證這個檢查點的質量。最后確定部件調平的結果，完成整個調平過程。目前應用比較廣泛的水準測量方法是選擇兩條可以自然懸掛的直線，連接在兩個部件上，然后，用外力拉緊電池串，并以其為標準線，調整其他電池組件的電平。在目前的安裝中，很容易出現正負端子相反的連接。為了避免這種情況，電壓表在連接時并聯，并且總是檢查串聯開路電壓的值是否符合安裝標準，在確保沒有短路和錯誤連接后，連接母線盒為以下工作鋪平道路。

4.4 風電電能質量控制要點分析

針對風力發(fā)電，我們不僅要關注風力發(fā)電設備本身的問題，還要有效地連接變壓器、靜止無功發(fā)生器、傳輸線、風力發(fā)電機等不同環(huán)節(jié)。從設備制造商的角度來看，風力發(fā)電機組是一個完整而獨立的系統(tǒng)，但從人們的角度來看，風力發(fā)電機組是整個系統(tǒng)的一部分，無論是系統(tǒng)可靠性還是設備可靠性，都需從管理和技術兩個層面來考慮，以及從整體的角度來看，可以采取什么措施來確保可靠性。

為了保證風電場預期收益的實現，現行風電場投資經濟模式中選用的風電機組必須具有運輸方便、重量輕、體積小、效率高、安全吊裝等特點，在不增加風電場投資的情況下，可以有效降低發(fā)電成本，有效提高發(fā)電量。同時，隨著技術路線的日益多樣化，對風力發(fā)電技術的推廣起到了有效的作用。針對我國風力發(fā)電行業(yè)的未來發(fā)展，應注重提高風能轉化率、提高單臺風力發(fā)電機組的容量、提高其環(huán)境適應能力，重點是要改進機組的設計，提高設備的可靠性。