基于西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的研究

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 莉

1 引言

當(dāng)前，推動(dòng)新能源發(fā)展已成為我國加速實(shí)現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。西北地區(qū)自然環(huán)境優(yōu)越，能基于新能源發(fā)展實(shí)現(xiàn)對多能互補(bǔ)能源體系的構(gòu)建，進(jìn)一步提升西北地區(qū)對綠色能源、清潔能源有效利用率。進(jìn)而，使西北地區(qū)新能源開發(fā)能更好適應(yīng)綠色發(fā)展新環(huán)境。

2 西北地區(qū)新能源發(fā)電面臨的問題

2013年7月國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》（以下簡稱《意見》），《意見》明確提出遠(yuǎn)近結(jié)合，標(biāo)本兼治；統(tǒng)籌兼顧，綜合施策；市場為主，重點(diǎn)扶持；協(xié)調(diào)配合，形成合力思想基本原則。至此，西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入新紀(jì)元。從技術(shù)特點(diǎn)來看，多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及光熱發(fā)電，在有效實(shí)現(xiàn)平價(jià)并網(wǎng)供電的基礎(chǔ)上，提升生態(tài)能源的有效利用率，加速西北地區(qū)清潔能源普及。通過光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及光熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建，西北地區(qū)克服地理?xiàng)l件因素，實(shí)現(xiàn)配電到戶的電力資源供給，解決傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)成本過高的問題。

在完善技術(shù)體系及產(chǎn)業(yè)體系的推動(dòng)下，西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)，充分滿足西北地區(qū)用電需求。此外，我國西北地區(qū)全年日照時(shí)數(shù)一般在2000～3300h，對于光伏發(fā)電創(chuàng)造有利條件。同時(shí)，西北地區(qū)溫帶季風(fēng)氣候，全年平均風(fēng)量相對較大，能為風(fēng)力發(fā)電提供有力支撐。雖然從技術(shù)特征來看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電具有多種優(yōu)勢，但由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電與光熱發(fā)電具有一定的時(shí)效性，使其供電穩(wěn)定性有所下降，在未能進(jìn)行電力儲能的情況下，無法保證電力能源的穩(wěn)定供應(yīng)。

3 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

3.1 獨(dú)立性

多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建，是基于單一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電能源供給的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。其中，單一系統(tǒng)的運(yùn)行獨(dú)立性，直接影響多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)銜接的緊密性。部分地區(qū)采取混合式發(fā)電的供電策略，雖然具備多能互補(bǔ)的基本特點(diǎn)，但未能充分發(fā)揮新能源發(fā)電的主體優(yōu)勢，仍然存在一定的環(huán)境污染問題。所以，保持各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行獨(dú)立性，是其實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)銜接的重要基礎(chǔ)。如在風(fēng)能發(fā)電方面，部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要通過電力激活方能開展運(yùn)轉(zhuǎn)。西北地區(qū)電網(wǎng)的容量相對較少，在冬季階段通常采用間歇性停機(jī)維護(hù)的管理策略。為更好實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，需要充分做好后續(xù)蓄電管理的規(guī)劃。從而，一方面解決風(fēng)能發(fā)電非必要的能源消耗問題，另一方面為未來風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供光熱能源保障。

3.2 穩(wěn)定性

保證多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電穩(wěn)定性，同樣是西北地區(qū)新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的核心關(guān)鍵。部分新能源發(fā)電具有周期性、階段性的基本特點(diǎn)。新能源發(fā)電應(yīng)考慮不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)各個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率，根據(jù)其發(fā)電總量及電力能源的有效利用率，調(diào)整多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)能源配置。如光伏發(fā)電在西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電方面的運(yùn)用，通常需要考慮夜間光照不足的問題，在晚間的用電高峰期，無法基于光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)電力能源的持續(xù)供給。運(yùn)用多能互補(bǔ)進(jìn)行發(fā)電能源的調(diào)配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過提升風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮馨l(fā)電的能效比，則可以有效解決多能互補(bǔ)新能源發(fā)電視角下，西北地區(qū)發(fā)電效率及供電穩(wěn)定性。另外，多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)注重采用智能化技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)做好發(fā)電數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)信息變化、天氣環(huán)境變化、發(fā)電能效比的波動(dòng)等，優(yōu)化多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電策略，確保多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電能適應(yīng)西北地區(qū)特殊環(huán)境，降低人為干預(yù)的決策錯(cuò)誤問題。

3.3 安全性

提升多能互補(bǔ)新能源發(fā)電的安全性，也是多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建的重中之重。新能源發(fā)電相比于傳統(tǒng)發(fā)電模式，在電力能源提取及發(fā)電能源供給方面，需要考慮不同新能源發(fā)電形式的基本特點(diǎn)，根據(jù)新能源發(fā)電的基本需求，做好對電壓、電流及電阻的控制，保證多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電，能按照統(tǒng)一供電標(biāo)準(zhǔn)做好儲能優(yōu)化[1]。避免因電壓、電流數(shù)據(jù)誤差及兼容性問題，對多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電形成安全隱患。另外，部分新能源發(fā)電存在安全隱患問題，同樣需要得到充分重視。如西北地區(qū)光伏發(fā)電及地?zé)崮馨l(fā)電的安全防火問題，則需要在安全管理方面予以充分重視。相關(guān)企業(yè)不僅要針對光伏發(fā)電管理監(jiān)控、設(shè)備管理維護(hù)及各流程風(fēng)險(xiǎn)管控做好規(guī)范，同時(shí)也要基于各類發(fā)電系統(tǒng)的基本特性，做好對安全管理問題的應(yīng)急預(yù)案，盡可能降低安全因素對西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電的影響。

4 案例分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

此次案例分析，以多能互補(bǔ)新能源的光伏發(fā)電作為基本參考。其中，光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)方案確立，要根據(jù)多能互補(bǔ)系統(tǒng)要求，采用多陣列串聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于特殊環(huán)境下的光伏設(shè)備銜接，亦可采取陣列并聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成基礎(chǔ)設(shè)備串聯(lián)后，需要進(jìn)行輸出功率與電壓穩(wěn)定性測試，根據(jù)輸出功率的不同，選擇多個(gè)線路進(jìn)行導(dǎo)線連接，而后運(yùn)用變壓器及轉(zhuǎn)換器設(shè)備，將電壓及輸出功率設(shè)置為同一頻率。光伏發(fā)電由于受到地理環(huán)境及天氣環(huán)境的影響較為直接。所以，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期考慮光伏發(fā)電效能轉(zhuǎn)化率問題，在保證輸出功率穩(wěn)定的情況下，采用單一光伏單元一體化銜接的設(shè)計(jì)方案，避免單一構(gòu)件損壞或單一區(qū)域功率變化，對整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，最大限度提升多能互補(bǔ)的新能源光伏發(fā)電效率[2]。

圖1 西北地區(qū)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

此外，針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則要考慮垂直軸風(fēng)力發(fā)電電源與H型風(fēng)力發(fā)電電機(jī)的適用性問題，在有效控制變電參數(shù)、配電參數(shù)的基礎(chǔ)上，做好風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)銜接，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能基于相同電流、電壓參數(shù)做好多能互補(bǔ)，降低外部干擾對風(fēng)能發(fā)電與光伏發(fā)電多能互補(bǔ)銜接的影響。其中，需要注意的是，光熱發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電的多能互補(bǔ)，應(yīng)考慮對發(fā)電并網(wǎng)問題的解決，根據(jù)光熱發(fā)電的基本特點(diǎn)，在設(shè)備優(yōu)化、系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析等多個(gè)方面，為多能互補(bǔ)提供必要支持。以下將基于光伏發(fā)電作為參考，通過分析光伏發(fā)電參數(shù)設(shè)置、模塊設(shè)計(jì)，為西北地區(qū)風(fēng)能發(fā)電、光熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可行內(nèi)容參考。

4.2 參數(shù)設(shè)置

光伏發(fā)電的參數(shù)設(shè)置主要涉及最大功率、效能轉(zhuǎn)換率及溫度數(shù)據(jù)三個(gè)方面內(nèi)容。最大功率是指在電阻值達(dá)到中位數(shù)值時(shí)，伏安特性的曲線能保持相量平衡，一旦設(shè)備最大功率達(dá)到最初設(shè)計(jì)閾值，則要進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換。其中，不同材質(zhì)的光伏設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)方案，對光伏發(fā)電的能源產(chǎn)出效率均有較大影響。所以，針對效能轉(zhuǎn)換率的控制，不應(yīng)單方面參考單一環(huán)境下最大照射功率，而要根據(jù)各個(gè)階段總輻射功率及發(fā)電總量進(jìn)行效能轉(zhuǎn)換率的計(jì)算。當(dāng)然，最大照射率作為重要的數(shù)據(jù)參考依據(jù)，同樣具有一定的參考價(jià)值，應(yīng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)比較的過程中，同時(shí)將最大照射率、總輻射功率納入計(jì)算，從而保證光伏發(fā)電數(shù)據(jù)參與的調(diào)整，能充分滿足多能互補(bǔ)新能源發(fā)電需求，提升多能互補(bǔ)新能源發(fā)電的質(zhì)量。溫度數(shù)據(jù)也是評價(jià)光伏發(fā)電效率的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。技術(shù)人員應(yīng)充分參考輸出電流、電壓及設(shè)備功率等參數(shù)對于系統(tǒng)運(yùn)行的影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.3 模型設(shè)計(jì)

環(huán)境因素對光伏發(fā)電的影響較大。為更好發(fā)揮光伏發(fā)電主體優(yōu)勢，多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要針對各類不同能源發(fā)電穩(wěn)定性進(jìn)行分析，基于對發(fā)電模型的設(shè)計(jì)，立體化對部分發(fā)電影響因素及問題進(jìn)行分析。如針對光伏發(fā)電的模型設(shè)計(jì)，則要從光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、電池溫度、設(shè)備陣列輻射強(qiáng)度及設(shè)備實(shí)際采光面積等多個(gè)方面進(jìn)行分析。按照西北地區(qū)地理環(huán)境分析，光伏發(fā)電相對而言更為穩(wěn)定，其輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度相比于華南與東部地區(qū)均有明顯優(yōu)勢。所以，光伏發(fā)電的模型設(shè)計(jì)，則應(yīng)將輻射強(qiáng)度及環(huán)境溫度等作為模型設(shè)計(jì)的上層結(jié)構(gòu)，以便更好基于其優(yōu)勢項(xiàng)及發(fā)電劣勢，分析西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電需求，明確未來階段西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電設(shè)計(jì)方案。

另外，在風(fēng)力發(fā)電中多能互補(bǔ)模型的設(shè)計(jì)方面則要考慮夏季、冬季、秋季及春季風(fēng)量變化問題，并在風(fēng)量較少階段做好對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的維護(hù)，結(jié)合西北地區(qū)地理環(huán)境特點(diǎn)，科學(xué)的設(shè)置風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的布置區(qū)域，盡可能選擇在山谷低處、平原邊緣地段及丘陵的高處進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的建設(shè)，確保風(fēng)力發(fā)電在有限條件下全時(shí)段運(yùn)行。對于光熱發(fā)電系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，需要考慮光熱發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電需求，通過優(yōu)化光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對光熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的提升，使光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電與光熱發(fā)電多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，可以充分為西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

5 新時(shí)期西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建路徑

5.1 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要考慮獨(dú)立供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與并網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面內(nèi)容。

獨(dú)立供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要考慮直流負(fù)載及交流負(fù)載實(shí)際的參數(shù)及功率，根據(jù)供電需求選擇相同規(guī)格的逆變器、升壓變換器進(jìn)行連接。在系統(tǒng)供電相對穩(wěn)定的情況下，技術(shù)人員應(yīng)基于電流誤差的計(jì)算，針對電路輸出濾波瞬時(shí)差進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整。若供電系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較差，則要考慮脈沖寬度調(diào)制波、恒頻三角載波等數(shù)據(jù)，對于供電系統(tǒng)的影響，一般情況下，通過分析輸出電壓及電電流波形，可以有效確定獨(dú)立供電的電網(wǎng)功率。但在供電穩(wěn)定性不足及負(fù)載率較高的情況下，則不能單一參考輸出電壓及電流的波形進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，要根據(jù)正弦輸出電壓的差值，針對設(shè)計(jì)方案作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5.2 蓄電系統(tǒng)

多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電蓄電設(shè)備設(shè)計(jì)，一般采用DC-DC電路、BUCK電路、BOOST電路及BUCK-BOOST等四種方案。其中，BUCK電路具備兼容性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高的基本特點(diǎn)，一般在大型設(shè)備中有所運(yùn)用。BUCK變換器能承載較強(qiáng)的電流負(fù)載，可以有效解決電流雜波問題。BOOST電路則具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在高負(fù)載運(yùn)行情況下，能有效解決高頻瞬態(tài)沖擊問題。所以，BOOST變換器適用性也相對較強(qiáng)，能滿足多種系統(tǒng)使用需求。BUCK-BOOST則充分繼承BUCK變換器與BOOST變換器的基本優(yōu)勢，在無相位要求的情況下，一般優(yōu)先選擇BUCK-BOOST變換器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。DC-DC變換電路的設(shè)計(jì)，則提升系統(tǒng)控制的獨(dú)立性，解決多個(gè)供電系統(tǒng)相互干擾的問題，能更好彌補(bǔ)交流電轉(zhuǎn)換方面的不足。

因此，各地區(qū)多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)蓄電設(shè)計(jì)，必須考慮自身的技術(shù)條件、硬件設(shè)施參數(shù)及適用環(huán)境等問題。西北地區(qū)具有地理環(huán)境相對特殊，在部分電路設(shè)計(jì)方面可以采取DC-DC變換電路的設(shè)計(jì)與BUCK-BOOST變換器相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，針對儲能設(shè)備的選擇，要根據(jù)發(fā)電量及效能比轉(zhuǎn)換率進(jìn)行計(jì)算，一般選擇2～4塊蓄電池作為供電來源，根據(jù)設(shè)備充電與放電需求，調(diào)整蓄電設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。若基于12V設(shè)計(jì)方案，則考慮對電路進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)。

綜上所述，西北地區(qū)地理環(huán)境較為特殊，在新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用方面具有一定的優(yōu)勢。但受限于技術(shù)因素、天氣條件等影響，西北地區(qū)多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)對波浪能、洋流能及潮汐能的全面運(yùn)用。所以，西北地區(qū)的多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)側(cè)重于對光伏能源、光熱能源、生物質(zhì)能、地?zé)崮芗帮L(fēng)能等能源開發(fā)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)對多能互補(bǔ)新能源發(fā)電系統(tǒng)多方面技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。