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

浙江浙能長(zhǎng)興新能源有限公司 楊依娜

引言

在國(guó)家政策的引導(dǎo)和扶持下，近年來(lái)我國(guó)的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度很快。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的研究應(yīng)用，新能源項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模日益增大。2021年我國(guó)新能源裝置總量增加1.34億千瓦，在發(fā)電裝機(jī)總量中的占比高達(dá)76.1%，投產(chǎn)運(yùn)行的新能源發(fā)電項(xiàng)目在2021年達(dá)到2.48萬(wàn)億千瓦發(fā)電量，占社會(huì)用電總量的29.8%。數(shù)據(jù)表明我國(guó)新能源發(fā)電量明顯提升，足以見(jiàn)得我國(guó)的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展。

新能源屬于能源資源的類別，傳統(tǒng)能源資源包括煤炭、石油、天然氣、水能等，新能源包括太陽(yáng)能、海洋能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒊毕艿?，與傳統(tǒng)能源相比是在新技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)可再生能源進(jìn)行的開(kāi)發(fā)利用。由于新能源是可再生能源，因此對(duì)人類的生存繁衍和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有非常重要的意義。通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用新能源，解決資源短缺的問(wèn)題，滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求。電能是由一次能源轉(zhuǎn)化后得到的二次能源，使用和管理起來(lái)都更加方便，因此新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用是人類生產(chǎn)生活無(wú)法避免的事實(shí)。

1 新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

我國(guó)的新能源發(fā)電技術(shù)主要包括風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、水能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等。風(fēng)能發(fā)電是利用地球表面大量空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)的熱輻射能進(jìn)行發(fā)電，水能發(fā)電是利用水的動(dòng)能、勢(shì)能、壓力能等能量資源進(jìn)行發(fā)電，地?zé)岚l(fā)電是利用地球內(nèi)部的熱量進(jìn)行發(fā)電。在新能源發(fā)電技術(shù)中，由于太陽(yáng)能的資源最為豐富，且太陽(yáng)能光伏發(fā)系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單，在光伏發(fā)電工藝中不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此能耗少，在目前的新能源中具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)[1]。

1.1 光伏發(fā)電技術(shù)

并網(wǎng)逆變器技術(shù)：逆變器在分類上可根據(jù)直流電源的不同分為電流型逆變器和電壓型逆變器。電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)比電流型逆變器更加成熟，因此在實(shí)際的應(yīng)用中前者效率更高，應(yīng)用也更普遍。

電壓型逆變器具體分為絕緣型和非絕緣型兩種。根據(jù)并網(wǎng)逆變器的輸入和輸出兩側(cè)間是否存在電氣絕緣，以及并網(wǎng)逆變器的工作頻率，可將其分為工頻絕緣型和高頻絕緣型。在并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用中，通常在用戶端和網(wǎng)絡(luò)端使用的是非線性負(fù)載，如常見(jiàn)的整流橋電路、半波負(fù)載。整流橋電路是電子器件的輸入電路非線性負(fù)載形式。在非線性負(fù)載形式中常見(jiàn)的故障是系統(tǒng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出波形質(zhì)量下降。

目前我國(guó)對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出波形質(zhì)量制定了明確的技術(shù)指標(biāo)，作為業(yè)內(nèi)人士的參考。并網(wǎng)逆變器技術(shù)的應(yīng)用效果取決于很多因素，其中諧波是影響輸出波形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。并網(wǎng)電流中存在直流分量的問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害，易導(dǎo)致變電站變壓器的直流偏磁現(xiàn)象，一旦磁芯飽和、輸出波形畸變會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增大、設(shè)備使用壽命縮短，增加了光伏發(fā)電運(yùn)維成本，且直流分量對(duì)變壓器本身也有損害。目前一般使用隔離變壓器抑制并網(wǎng)逆變器的輸出直流分量，但這種方式只能緩解、無(wú)法徹底消除影響，因此對(duì)并網(wǎng)逆變器技術(shù)應(yīng)用中的直流注入進(jìn)行深入研究具有現(xiàn)實(shí)的意義。

高低電壓穿越技術(shù)：電力系統(tǒng)的安全性是電力供應(yīng)的根本保障，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障會(huì)直接影響到電力供應(yīng)質(zhì)量及穩(wěn)定性。

針對(duì)光伏電站并網(wǎng)的情況，高穿透率是影響電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的重要問(wèn)題。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)，小型光伏電站應(yīng)盡快切斷電網(wǎng)，大中型光伏電站由于具有一定的低壓過(guò)流能力，可為系統(tǒng)提供無(wú)功功率維持電網(wǎng)穩(wěn)定。大型光伏電站在電網(wǎng)電壓下降時(shí)，并網(wǎng)逆變器由于電流容量限制影響到電網(wǎng)注入功率，一旦輸入和輸出功率不平衡將導(dǎo)致直流側(cè)過(guò)壓的情況出現(xiàn)，并網(wǎng)逆變器的輸出電流過(guò)大影響到電力設(shè)備運(yùn)行安全。光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的增加而減小，直到輸出功率為零。因此，對(duì)并網(wǎng)電源低壓過(guò)流、一級(jí)與低壓開(kāi)關(guān)相對(duì)應(yīng)的高壓開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。

并聯(lián)互聯(lián)線技術(shù)：隨著逆變器的供電方式從單臺(tái)轉(zhuǎn)為多臺(tái)，對(duì)逆變器的并聯(lián)技術(shù)提出了更高的要求。逆變器并聯(lián)技術(shù)是電力系統(tǒng)從小功率向大功率轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段，也是從集中式向分布式發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。逆變器并聯(lián)技術(shù)中常用的是并聯(lián)互聯(lián)線技術(shù)，通過(guò)并聯(lián)互聯(lián)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變器模塊之間的信息共享。并聯(lián)互聯(lián)技術(shù)與平行聯(lián)絡(luò)線相比具有更好的冗余度，運(yùn)行可靠性更高，不僅容量給力而且維護(hù)管理也方便，具有很好的應(yīng)用前景。

1.2 光伏發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)

在十四五發(fā)展方案中明確提出了大力加強(qiáng)儲(chǔ)能體系建設(shè)的要求。新能源項(xiàng)目的發(fā)展應(yīng)配置儲(chǔ)能設(shè)施的建設(shè)，逐步提高儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)健康發(fā)展，為增強(qiáng)電源測(cè)、電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)能力提供良好條件。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可更好地保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，解決電力系統(tǒng)中供電不平衡的問(wèn)題，解決電壓脈沖、涌流、跌落、供電中斷等供電質(zhì)量問(wèn)題[2]。

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)：這種技術(shù)是目前較常用也發(fā)展前景很好的一種，在供電質(zhì)量要求較高的負(fù)荷區(qū)域電網(wǎng)中應(yīng)用較多，不僅可采用模塊化，具有很好的適用性且可靠性高，滿足電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。該技術(shù)是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能，充電放電的過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。在電網(wǎng)系統(tǒng)的高負(fù)荷時(shí)能及時(shí)供電，還可通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，有利于抑制電壓波動(dòng)和閃變情況發(fā)生。蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)常見(jiàn)的電池類型已有很多種，如鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)：這種技術(shù)的電容器材料較為特殊，采用多孔的材質(zhì)作為電容器的介質(zhì)。超級(jí)電容器不僅具有傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點(diǎn)，且比普通的電容器具有更高的介電常數(shù)、耐壓能力更好、存儲(chǔ)容量更大，在儲(chǔ)能市場(chǎng)中應(yīng)用越來(lái)越多。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的原理不同，可據(jù)此分為不同的類型，包括雙電層電容器、電化學(xué)電容器等。雖然超級(jí)電容功率密度大、充放電速率快、能量?jī)?chǔ)存壽命長(zhǎng)，但也有不足之處，如能量密度低、端電壓波動(dòng)范圍大、電容易發(fā)生串聯(lián)均壓的問(wèn)題。因此在光伏發(fā)電站實(shí)際儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用中，更多是將蓄電池和超級(jí)電容器結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮出技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過(guò)二者結(jié)合使用更好地提高儲(chǔ)能裝置的整體性能。將蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)可提高儲(chǔ)能裝置的功率輸出能力，能降低內(nèi)部損害、延長(zhǎng)放電時(shí)間，可縮減蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)、延長(zhǎng)電池壽命，可縮小儲(chǔ)能裝置體積空間占用率，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合性價(jià)比。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)：一種機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于充電迅速、充放電次數(shù)無(wú)限、儲(chǔ)能設(shè)施建設(shè)工期短、儲(chǔ)能量高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，不足之處在于維護(hù)管理費(fèi)用較高。

采用模擬仿真技術(shù)對(duì)光伏飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速、輸出功率、平滑系數(shù)進(jìn)行模擬分析，并將模擬分析結(jié)果和簡(jiǎn)單飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行對(duì)比，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定功率的輸出，得到理想的控制效果。為提高發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)輸出可調(diào)度的穩(wěn)定性，采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制方式進(jìn)行充電和放電，提高電力系統(tǒng)輸功率穩(wěn)定，避免外界干擾因素對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)造成的波動(dòng)[3]。

超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)：該技術(shù)是利用超導(dǎo)線圈的電磁轉(zhuǎn)化性能將電網(wǎng)供電以磁場(chǎng)的能量方式儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)再將儲(chǔ)存的能量釋放到電網(wǎng)中。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)中超導(dǎo)線圈是位于真空絕熱冷卻裝置中，在深冷和真空孔泵系統(tǒng)作用下來(lái)創(chuàng)建可靠的儲(chǔ)能環(huán)境，在電力電子裝置作用下對(duì)能量?jī)?chǔ)存和釋放進(jìn)行調(diào)控。在超導(dǎo)線圈中，電流因閉合電感而不會(huì)消失、持續(xù)循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)損耗的存儲(chǔ)能量，且具有很高的能量返回效率，釋放能量只需幾秒就能實(shí)現(xiàn)。采用超導(dǎo)除能技術(shù)可使光伏電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無(wú)功功率得到有效調(diào)節(jié)。利用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)后可使光伏發(fā)電機(jī)組的輸出電壓和頻率更加穩(wěn)定，體現(xiàn)出良好的性能。

2 新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用必須進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，在決定制定新能源發(fā)電項(xiàng)目后結(jié)合發(fā)電生產(chǎn)的需求和目標(biāo)合理選擇和設(shè)計(jì)新能源發(fā)電技術(shù)。通過(guò)合理制定新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用要求規(guī)范發(fā)電技術(shù)操作，確保新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)注重多種能源的綜合利用，以平衡掉單一資源的不穩(wěn)定性。新能源包括多種類型，太陽(yáng)輻射能受到的空間地理位置的影響最小，因此是適應(yīng)性最強(qiáng)的一種新能源類型。水能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電對(duì)水能資源和風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用效率受到外界更多因素的干擾，提前預(yù)測(cè)的能力不足。在新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用中，可考慮將太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和水能發(fā)電技術(shù)、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提高新能源發(fā)電技術(shù)綜合應(yīng)用效率，提升資源利用率，保證電網(wǎng)供電穩(wěn)定。

實(shí)際應(yīng)用中，供電質(zhì)量受到多種因素的影響，如設(shè)備故障、人為失誤、外界環(huán)境影響等，因此在多種能源綜合利用的過(guò)程中不僅要對(duì)單一新能源系統(tǒng)的不利因素進(jìn)行分析和防控，還要對(duì)多種能源系統(tǒng)整合后的不利因素進(jìn)行分析，從而降低多種能源綜合利用帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高能源利用的整體水平[4]。

新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)注重提升電力系統(tǒng)的安全性。和傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，新能源發(fā)電技術(shù)對(duì)設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用提出了不一樣的要求，發(fā)電設(shè)備、設(shè)備的操作流程都不同。而新能源發(fā)電技術(shù)和傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比發(fā)展晚，但優(yōu)勢(shì)在于有政策環(huán)境的支持，技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用速度快。但在新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用中仍有不成熟的地方，對(duì)發(fā)電生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率、供電質(zhì)量帶來(lái)影響。

在新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中，必須將電力系統(tǒng)的安全性作為根本考量要素。隨著信息化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，新能源發(fā)電項(xiàng)目中的安全管理方式和手段也將不斷升級(jí)革新。利用現(xiàn)代化新技術(shù)、新方法和新設(shè)備，對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行辨識(shí)、分析、診斷，準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的缺陷異常，及時(shí)采取安全應(yīng)對(duì)策略，提升電力系統(tǒng)的安全性。

新能源發(fā)電項(xiàng)目中，由于新設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)值守人員數(shù)量越來(lái)越少，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的目標(biāo)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作技術(shù)水平的要求也將越來(lái)越高，無(wú)疑給新能源發(fā)電場(chǎng)工作人員提出了新要求，必須加強(qiáng)工作人員的知識(shí)技能培訓(xùn)，尤其是安全意識(shí)和安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和故障處理技術(shù)的訓(xùn)練，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行安全，滿足新能源發(fā)電場(chǎng)實(shí)際需求。而風(fēng)能發(fā)電技術(shù)、水能發(fā)電技術(shù)等新能源發(fā)電技術(shù)受到環(huán)境因素的影響較大，為提高新能源發(fā)電項(xiàng)目電力系統(tǒng)的安全性，及時(shí)收集氣象專業(yè)信息是十分重要的，根據(jù)氣象信息的變化情況，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)、調(diào)度、設(shè)備維護(hù)等方案，做到有備無(wú)患[5]。

新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)保持不斷創(chuàng)新。理論聯(lián)系實(shí)際是技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的根本支點(diǎn)。密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外新能源行業(yè)的新資訊，學(xué)習(xí)新理論、新技術(shù)、新策略，豐富和積累新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)新能源發(fā)電技術(shù)快速更迭，推動(dòng)新能源發(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

在十四五發(fā)展時(shí)期，我國(guó)提出了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，未來(lái)新能源發(fā)電成本將得到下降，最終實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要力量，推動(dòng)我國(guó)電力供應(yīng)走上清潔可持續(xù)發(fā)展道路。