電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用探究

中國石油大連石化公司 蔡 楠 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫艷波 特變電工天津電力勘測設(shè)計(jì)分公司 冀 勇

1 新能源發(fā)電技術(shù)類型及特點(diǎn)

1.1 燃料電池

當(dāng)前，可用于分布式發(fā)電的燃料電池包括PAFC、SOFC、MCFC以及PEMFC。燃料電池結(jié)構(gòu)共三個部分，包括預(yù)處理裝置、燃料電池堆以及并網(wǎng)逆變裝置。

結(jié)合圖1來看，單個燃料電池直流電壓為0.7V，多個燃料電池可并聯(lián)為燃料電池堆，進(jìn)而產(chǎn)生更高的電壓。通過并網(wǎng)逆變裝置可將燃料電池堆出口電壓VFC轉(zhuǎn)化為交流電壓Vac，而交流輸出電壓以及交流輸出功率則可以轉(zhuǎn)換為調(diào)制系數(shù)m和相角δ的函數(shù)，公式表示為：Vac=mVFC∠δ，Pac=mVFCVSsinδ/X，據(jù)此可知燃料電池有功功率輸出由相角控制。逆變裝置處于無能耗狀態(tài)時(shí)，相角與氫氣流速之間的關(guān)系可以表示為：，據(jù)此可知相角可通過控制氫氣流量控制。

圖1 燃料電池結(jié)構(gòu)圖

以上式中：Pac表示的是逆變裝置交流側(cè)輸出功率；VS表示的是用電負(fù)荷側(cè)電壓；X表示的是逆變裝置與負(fù)荷間的線路簡化電抗；qH2表示的是氫氣流量；NO表示的是并聯(lián)燃料電池?cái)?shù)量；F表示常數(shù)；u表示的是氫氣利用率。并網(wǎng)逆變裝置通過控制調(diào)制系數(shù)完成對輸出側(cè)電壓幅值的控制。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)可將太陽能光伏陣列直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，保證與電網(wǎng)同頻同相，進(jìn)而為電網(wǎng)運(yùn)行提供有功能量。

通過光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用的是電壓源型電流控制逆變裝置，其輸出功率受到太陽電池陣列工作電壓影響，因此要提升輸出功率，需要先將工作電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)電壓狀態(tài)下。結(jié)合圖2來看，MPPT為最大功率點(diǎn)跟蹤單元，其主要功能是對即最大功率點(diǎn)電壓進(jìn)行確認(rèn)。AVR為電壓調(diào)節(jié)控制單元，光伏并網(wǎng)發(fā)電中可完成I＊p即并網(wǎng)電流給定值的輸出，通過與電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)合并，實(shí)現(xiàn)對ACR即電流調(diào)節(jié)控制單元DC/AC變換器的輸出。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電控制流程

儲能系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法基本一致，運(yùn)行期間通過蓄電池同時(shí)發(fā)揮電源及電網(wǎng)負(fù)載的作用。電路處于不同工作狀態(tài)時(shí)，蓄電池狀態(tài)也存在差異，當(dāng)電路工作處于整流狀態(tài)時(shí)，能量流向?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)至直流側(cè)，完成蓄電池充電；當(dāng)電路工作處于逆變狀態(tài)時(shí)，能量流向?yàn)橹绷鱾?cè)至電網(wǎng)，完成蓄電池放電。

1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)

通常情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)功率在25～100kW范圍內(nèi)，整體功率較小，而在微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)中，其功率產(chǎn)生主要包括熱功率及電功率兩種類型，同時(shí)通過“以熱定電”以及“以電定熱”兩種模式完成運(yùn)行。微型燃?xì)廨啓C(jī)模式下，通過控制轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)功率相角及有功功率輸出，同時(shí)在電力電子設(shè)備支持下可以實(shí)現(xiàn)可變電壓向固定電壓、可變頻率向固定頻率的轉(zhuǎn)變，滿足負(fù)荷供電需求。

2 光伏發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 光伏發(fā)電技術(shù)原理構(gòu)造

太陽輻射可產(chǎn)生巨大能量，加強(qiáng)太陽能開發(fā)也是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵所在。光伏發(fā)電效益受到光電轉(zhuǎn)化率、光電成本等因素的影響，為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電技術(shù)合理應(yīng)用，需要加強(qiáng)度原理構(gòu)造的分析。首先，光伏組件在特定電磁波照射下對激發(fā)游離電子，向特定方向移動后可形成電流，即為光電效應(yīng)，也是光能向電能轉(zhuǎn)化的過程。一般來說，光伏組件處于光照條件下時(shí)電勢可驅(qū)動電子向新空穴移動，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。當(dāng)前，常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括電池組、光伏陣列、逆變裝置等，同時(shí)直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

其次，電池組是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，主要類型包括單晶硅電池、多晶硅電池、化合物薄膜電池、硅基薄膜電池等。其中，單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24%，具有廣泛的應(yīng)用空間；化合物薄膜電池存在污染較大的弊端；硅基薄膜電池存在光電轉(zhuǎn)化效率低的問題，只有10%左右，并且會隨著使用時(shí)間的延長而逐漸縮減[2]；最后，光伏陣列可實(shí)現(xiàn)光能直接接收，在當(dāng)前應(yīng)用中主要可分為固定式、單軸水平跟蹤、雙軸水平跟蹤以及雙軸跟蹤4種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，相較于固定式光伏陣列，單軸跟蹤、雙軸跟蹤在發(fā)電效率上得到明顯提升，分別可達(dá)到20%以及30%。不同類型光伏組件陣列對比情況見表1。在安裝光伏陣列的過程中，應(yīng)選擇合理的支撐方式與安裝傾角。

表1 不同光伏組件陣列對比

表2 并網(wǎng)發(fā)電程度評估等級

2.2 光伏發(fā)電技術(shù)運(yùn)行模式

在光伏電站運(yùn)行期間，其末端點(diǎn)電站受電壓影響更為明顯，因此可引入無功電壓控制技術(shù)，借助無功發(fā)生器（SVG）對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)階段，SVG電壓控制技術(shù)主要可以分為兩種，一是恒功率因數(shù)模式，主要應(yīng)用于日常環(huán)境下，可監(jiān)測電壓變化情況實(shí)現(xiàn)無功調(diào)整；二是恒電壓模式，主要應(yīng)用在系統(tǒng)電壓超出額定電壓達(dá)10%時(shí)。光伏發(fā)電技術(shù)具有周期短、無污染等優(yōu)勢，且對安裝場地方面要求更低，減少受到機(jī)械傳動部件運(yùn)輸、維護(hù)限制。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 并網(wǎng)發(fā)電適宜性評估技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造應(yīng)以豐富光照資源為基礎(chǔ)，因此事先應(yīng)對并網(wǎng)發(fā)電適宜性進(jìn)行評估。相關(guān)評估工作的開展主要集中于計(jì)算多年平均太陽總輻射年總量，其計(jì)算公式表示為：，式中：表示的是太陽總輻射平均年總量；Di表示的是n年內(nèi)第i年太陽總輻射年總量。據(jù)此可計(jì)算太陽總輻射年總量均值，峰值日照表示為ιsp=1kW/m2，太陽總輻射年總量用MJ/m2表示，由此可以得到，年峰值日照小時(shí)數(shù)計(jì)算公式表示為：，日峰值日照小時(shí)數(shù)計(jì)算公式為：hdm=hym/365，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對比我國《光伏并網(wǎng)電站太陽能資源評估規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，可對當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)發(fā)電適宜性進(jìn)行評估。

2.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、控制器、轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，以35kV、110kV輸配電交流系統(tǒng)作為常規(guī)輸配電系統(tǒng)。光伏方陣可將太陽能轉(zhuǎn)化為低壓直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，最終達(dá)到電力系統(tǒng)運(yùn)行要求接入35kV電網(wǎng)。

2.3.3 光伏發(fā)電出力特性

晴天條件下光伏電站出力區(qū)間主要集中在7：00～20：00時(shí)；陰天條件下光伏電站出力呈現(xiàn)出較大波動。在對光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)電量進(jìn)行研究的過程中，首年理論發(fā)電量計(jì)算公式表示為：Ep=HA×PAZ/ES×K，式中：EP表示的是理論發(fā)電量，單位為kWh/m2；HA表示的是太陽能總輻射量；單位為kWh；PAZ表示的是光伏組件安裝容量；ES表示的是太陽能輻照度，通常按1kWh/m2取值；K表示計(jì)算系數(shù)，通常按0.95取值。

2.3.4 光伏發(fā)電技術(shù)相關(guān)計(jì)算

諧波允許值是光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)行期間的關(guān)鍵參數(shù)，由于光伏電站運(yùn)行需要依靠光伏逆變器，因此也加強(qiáng)了對電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用。為滿足技術(shù)運(yùn)行需求，需要對注入系統(tǒng)的諧波電流采取一定限制措施。其中，規(guī)定總諧波電流和電壓畸變系數(shù)應(yīng)達(dá)到相關(guān)要求，控制電壓總諧波畸變率在3.0%以下，110kV母線側(cè)各次（次數(shù)）及其諧波電流允許值（A）如下：2/12、3/9.6、4/6.0、5/9.6、6/4.0、7/6.8、8/3.0、9/3.2、10/2.4、11/4.3、12/2.0。

基于以上數(shù)據(jù)，可對連接點(diǎn)的諧波電流允許值進(jìn)行計(jì)算并實(shí)現(xiàn)最小短路容量換算，其計(jì)算公式表示為：，式中：Ih表示的是Sd1狀態(tài)下的第h次諧波電流允許值；Ihp表示的是常規(guī)狀態(tài)下的第h次諧波電流允許值；Sd1、Sd2分別表示的是最小短路容量與基準(zhǔn)短路容量。

基于上述計(jì)算，可以得到光伏電站接入系統(tǒng)諧波電流允許值，具體諧波次數(shù)（2～12次）及其各自的短路容量（基準(zhǔn)750MVA/實(shí)際537MVA）分別為：12/7.7、9.6/5.9、6.0/3.8、9.6/5.8、4.0/2.6、6.8/4.3、3.0/2.0、3.2/1.8、2.4/1.7、4.3/2.8、2.0/1.4，據(jù)此可看出，在基準(zhǔn)750MVA與實(shí)際537MVA條件下短路容量存在差異，同時(shí)應(yīng)保證光伏電站注入諧波分量在允許值以下。

3 結(jié)語

綜上所述，新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為我國電力系統(tǒng)建設(shè)指明新的方向。在新能源發(fā)電技術(shù)的支持下，還可以有效實(shí)現(xiàn)對太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生資源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了電能的穩(wěn)定供應(yīng)，緩解我國一直以來的能源危機(jī)。近年來，新能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐漸成為我國電力系統(tǒng)中的核心技術(shù)，因此在未來發(fā)展中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)投入，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的共同發(fā)展。