新能源發(fā)電工程建設與環(huán)境保護研究

侯俊強

（內蒙古能源規(guī)劃設計研究院有限公司，呼和浩特 010010）

1 引言

在產業(yè)格局升級調整、市場經濟平穩(wěn)運行的背景下，我國先進制造業(yè)、高新技術產業(yè)、云計算產業(yè)等迎來新興發(fā)展契機，這在激發(fā)區(qū)域經濟活力的同時，也加重了社會用電總負擔。傳統(tǒng)火力發(fā)電技術落后且清潔性極差，化石能源必須先經過熱能轉化才能進一步產生電能，平均利用率僅有35%～38%，即使當前開發(fā)出超臨界機組、流化床燃燒等先進科技，整體利用率也只有約40%，燃燒過程中產生的廢氣、廢渣等還可能帶來新的環(huán)境污染問題，難以適應我國當前發(fā)展形勢，因此，新能源發(fā)電工程建設已經成為不可逆轉的時代潮流。

2 新能源發(fā)電工程環(huán)境保護效益分析

新能源是21世紀能源革命、科技進步的產物，現(xiàn)階段正在作為新興產業(yè)飛速崛起和成長，其研究方向是十分明確和清晰的，即風能、太陽能、海洋能等可再生資源如何回收利用、如何并入電能網絡等。新能源發(fā)電工程中蘊藏著極為豐富的環(huán)境保護效益，歸結起來可以分為以下3點。

2.1 緩解能源危機問題

近年來，我國社會用電總量不斷上升，僅2020年統(tǒng)計數據就已經達到7.511×1012kW·h，同比增量極為可觀，給化石能源的勘探、開發(fā)帶來了巨大壓力。而新能源儲量豐富且可再生，能有效地延緩化石能源耗竭進程，以太陽能為例，我國每年接受輻射能高達3.3×103～8.4×106kJ/(m2·a)，可以抵消2.4×1012t煤炭資源的發(fā)熱量[1]，若依托光伏發(fā)電站對其進行收集利用，能夠在很大程度上緩解煤炭耗竭問題。

2.2 助推節(jié)能減排戰(zhàn)略

伴隨能源問題日益尖銳，我國已經將節(jié)能減排任務列入國家戰(zhàn)略層面，并提出了“碳達峰、碳中和”的長遠目標，林業(yè)、工業(yè)等相關主體紛紛變革經營形式，致力于推動減排事業(yè)的發(fā)展，而新能源發(fā)電產業(yè)環(huán)境友好優(yōu)勢顯著，可以有效分擔化石能源消耗量，減少碳排放總量，進而達到改善大氣質量、緩解溫室效應的目的。

2.3 改善環(huán)境污染現(xiàn)狀

化石能源燃燒環(huán)節(jié)污染嚴重，而地熱、風能、太陽能、海洋能等新能源技術發(fā)電基地遠離城區(qū)，噪聲、振動等干擾問題較為輕微，也不存在粉塵、固體廢棄物污染情況，幾乎可以實現(xiàn)零排放，有助于改善環(huán)境污染問題，保障水環(huán)境、大氣環(huán)境質量。

3 新能源發(fā)電工程建設應用要點探析

3.1 加強新能源燃料電池技術創(chuàng)新與開發(fā)

燃料電池利用了電化學反應原理，能夠省略傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中的能量形態(tài)變化過程，最大限度地減少中間轉換損失，系統(tǒng)中僅需供給必要的氧化劑即可達到發(fā)電目的，整體發(fā)電效率和環(huán)境相容性極高，據調查，能源利用率可以達到50%～60%，二氧化碳排出量可以減少40%～60%?，F(xiàn)階段已經有多種燃料電池應用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中，較為常見的共4種，即PAFC、SOFC、MCFC以及PEMFC?，F(xiàn)階段氫能技術持續(xù)進步，PEFC也得到了密切關注和青睞，圖1即為PEFC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖。

圖1 PEFC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖

該系統(tǒng)中燃料電池采用并聯(lián)方式組織，單個構件的直流電壓約為0.7 V，出口裝設并網逆變裝置PUC，由PUC將其轉化為交流電壓，輸出口功率及電壓之間存在一定的關系，可以看作是調制系數m及相角δ的函數，即：

式中，Vac為輸出口交流電壓；VFC為出口直流電壓；VS為用電負荷側電壓；X為逆變器與負荷之間的線路簡化電抗；Pac為輸出功率。選擇燃料電池規(guī)格及配置數量時，可以綜合用電側負荷情況等進行精準計算。此外，建設新能源發(fā)電工程時，還應關注數據采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)的建設問題，做好進氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等的仿真模擬工作，科學編輯控制算法，為系統(tǒng)的平穩(wěn)運行奠定扎實的基礎。

3.2 優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)建設技術

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要利用了太陽輻射能，可以通過光伏組件的配置將其轉化為可利用電能，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，其運行可靠且轉換過程更加清潔，但不足之處在于功率密度較低，僅有1 000 W/m2，能量輸入也存在不連續(xù)問題，大規(guī)模應用仍存在較多阻礙。現(xiàn)階段通常采用并網技術對光伏陣列直流電能進行轉化，并在同頻同相的前提下將其變?yōu)榻涣麟娔埽⑼ㄟ^以太網、GRPS等單元實現(xiàn)交互控制，其控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏并網發(fā)電控制框圖

光伏并網發(fā)電工程建設環(huán)節(jié)，通常采用電源型電流控制逆變器，可以對直流電能進行高效轉化，尤其要關注太陽能電池工作的電壓問題，該參數情況直接影響輸出功率，要在穩(wěn)定工作電壓的基礎上確定功率參數。圖中的案例工程裝設了最大功率點跟蹤單元MPPT，可以用于確定最大功率點電壓，線路中還配備了AVR單元，可以起到調控電壓的作用，并網電流給定值同樣由該單元處理和輸出，運轉環(huán)節(jié)系統(tǒng)會自動收集該類數據并將其與負荷電流比較，進而傳輸給電流調控單元ACR，在DC/AC變換器的輔助下，生成可識別的控制信號，最終輸出同頻同相的可并入電流。

實際應用時可以借鑒成功經驗，裝配必要的MPTT、AVR等單元，同時做好太陽電池、逆變器等的選型工作，重點關注系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的熱斑效應。該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因較為簡單，主要是電池片被局部遮擋，引發(fā)組件等效內阻升高，電流輸出時局部很容易發(fā)熱甚至燒毀，可以在線路中適當加裝旁路二極管，防止燒毀問題的發(fā)生，后續(xù)還應當加強儲能系統(tǒng)的研發(fā)與使用。

3.3 引進微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)產技術

冷熱電聯(lián)產技術具備鮮明的高效、優(yōu)質特征，可以將制冷、供熱以及發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合起來，使燃氣鍋爐、冷卻塔、發(fā)電機組等組合成集成化的能源利用系統(tǒng)，鍋爐燃燒產生蒸汽后，被送入汽輪機中發(fā)電，背壓式、抽氣式汽輪機完成發(fā)電后，排出的熱氣還能滿足各種熱負荷需求，同時為吸收式制冷機提供保障。據相關資料顯示，其可以提升資源利用率至80%以上，共用發(fā)動機還能節(jié)省增加機組的支出，從而達到節(jié)約能源的最終目的。微型汽輪機是聯(lián)產系統(tǒng)中關鍵組成部分，主要指單機功率低于1 000 kW的汽輪機設備，支持天然氣、甲烷等多種類型的燃料，通常為全徑流式或空氣軸承式[2]，機組結構極為簡單，占地面積小且供電更加平穩(wěn)，其工作原理如圖3所示。

圖3 微型燃氣輪機工作原理示意圖

由于微型汽輪機的尾氣排放較為清潔，因此，現(xiàn)階段除了余熱回收制得熱水、蒸汽再利用外，還能夠直接用于生產工藝之中，如烘干處理化學制劑等。從應用實踐來看，提高微型燃氣機發(fā)動機性能是改善聯(lián)產系統(tǒng)的關鍵，對于微型渦輪發(fā)動機來說，可以嘗試使用Si/SiC復合材料結構，保障耐高溫特性的同時提升結構整體性。此外，在回熱交換器的布局上，同樣要進行優(yōu)化選型，較為常見的有環(huán)繞型、后置式兩種，前者氣體動力特性較好，無須額外配備外部管道；后置式則配備了外部燃燒室，可以用于低熱值燃料燃燒，與高溫固氧燃料相結合，還能形成零排放發(fā)電系統(tǒng)，環(huán)保效益極佳，條件允許時可以優(yōu)先使用。

聯(lián)產系統(tǒng)機組可以采用同步、異步發(fā)電機，其中，前者的勵磁控制極為關鍵，能夠調節(jié)發(fā)電機端電壓、無功功率等，后者則沒有相應的勵磁裝置，需要從電網中吸收無功功率并建立磁場，該步驟與機端電壓有較大的關聯(lián)，要做好計算和分析。當有功功率Pe固定時，發(fā)電機轉差率s的計算方法為：

無功功率Q的計算方法為：

式中，U為發(fā)電機節(jié)點電壓幅值；R為轉子電阻；Xσ為定子、轉子電抗之和；Xn為勵磁電抗。

3.4 選擇適宜的風力發(fā)電機形式規(guī)格

我國擁有極為豐富的風力能源，為風力發(fā)電產業(yè)的成長進步提供了較為堅實的基礎。據統(tǒng)計顯示，2021年，我國風力發(fā)電裝機容量已經達到了3×108kW·h以上，同比增長16.6%，風力能源的并網發(fā)電貢獻率也是逐年上漲。但同時，風力機組運行中存在的一些問題也逐漸暴露出來，比如，機型選擇不當、機組故障率高等，很多企業(yè)不考慮當地實際用電和自然情況盲目跟風選型，以1.5 MW機型最為常見，但實際上該類機型額定風速大致在14 m/s，而二級風能資源工程中，年平均實測風大致在6.6 m/s，額定風速與實際情況相去甚遠，影響了系統(tǒng)的高效運行。此外，不同規(guī)格的風力發(fā)電機組在拓撲結構上也存在很大的差異，圖4為現(xiàn)階段較為常見的風力發(fā)電機主要機型拓撲結構。

圖4 風力發(fā)電機主要機型拓撲結構圖

其中，a類定速型發(fā)電機中，槳葉、輪轂之間是固定的，即使外界風速發(fā)生變化，槳葉角度也不會改變，內部配備自動控制系統(tǒng)，可以結合風速情況切換電機，由于其通常采用籠式異步發(fā)電機，因此，并網狀態(tài)下需要吸收大量無功電流，以滿足系統(tǒng)勵磁需求，整體的功率因素可能受到影響，可以配合移相電容器使用。

b類轉差控制型電機中，槳葉、輪轂采用軸承連接方式，葉片攻角是可以改變和調整的，通常以軸向為中心進行0°～90°的變化，從而起到控制輸出功率的作用，現(xiàn)階段應用較為廣泛。

c類為同步直驅型風機，機器本身與轉子直接耦合，可以提升輸出端電壓與風速的匹配性，整體損耗較小且結構較為簡單，但局限在于需要額外配備全功率電力變換器。

d類為雙饋型風機，它是變速風電系統(tǒng)中較具代表性的一種，定子直接與電網連接，轉子則通過變流器接入，可以省去無功補償裝置且提升風能利用率，但前期建設投入成本較高，需要結合實際情況選用[3]。

4 結語

綜上所述，新能源發(fā)電工程環(huán)境保護性能良好，可以有效緩解能源耗竭危機，改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，工程建設環(huán)節(jié)要加強高新技術開發(fā)與應用，優(yōu)化新能源燃料電池技術，工程策劃階段應做好太陽電池、逆變器等的選型工作，加強儲能系統(tǒng)的研發(fā)與使用，引進先進的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)，做好異步電機選型工作，同時關注風力發(fā)電中機組拓撲結構選擇、風速選擇問題，為新能源發(fā)電工程的高質建設和平穩(wěn)運行奠定扎實基礎。