任斌

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

當(dāng)前，社會能源資源長期處于緊缺態(tài)勢，再疊加環(huán)境污染問題，新能源的開發(fā)利用迫在眉睫。“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略的提出，為清潔新型能源發(fā)展指明道路，在以電為中心的現(xiàn)代能源體系中，將有愈來愈多的新能源接入其中，但要解決風(fēng)光發(fā)電等技術(shù)弊端，推動可再生資源高效開發(fā)，還需依靠政策與市場驅(qū)動，持續(xù)加大新能源發(fā)電技術(shù)研發(fā)力度，促進新能源發(fā)電效益不斷提升，進而建立更加穩(wěn)定、更加智能并以新能源為主的新型電力系統(tǒng)。下面將對新能源發(fā)電技術(shù)具體應(yīng)用、技術(shù)難點以及發(fā)展建議加以詳述。

1 新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

為實現(xiàn)低碳環(huán)保型社會建設(shè)目標(biāo)，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源，逐步改變著發(fā)電側(cè)格局，新能源發(fā)電技術(shù)也愈加成熟，尤其是儲能技術(shù)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用，彌補了新能源發(fā)電的諸多不足，下面便對風(fēng)電、光伏以及儲能技術(shù)加以探討。

1.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

作為資源儲量最高的新能源之一，風(fēng)力一直都是重點發(fā)展領(lǐng)域，其儲量超出水資源10倍之多，而且獲取難度也小。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理簡單，借助風(fēng)機中的機械裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再經(jīng)由發(fā)電機最終轉(zhuǎn)換為電能。

（1）風(fēng)力發(fā)電機類型。風(fēng)機在結(jié)構(gòu)體型上，通常會隨其裝機容量增大，而有更大的體型的風(fēng)機設(shè)備、更大長度的風(fēng)機槳葉，按其容量從小到大有：小型、中型、大型、特大型等4類風(fēng)機。根據(jù)其軸向不同，又有水平軸、垂直軸風(fēng)機之分。根據(jù)其功率調(diào)節(jié)方式的不同，又有定槳、變槳以及失速型等多種風(fēng)機類型。根據(jù)風(fēng)機所處陸海環(huán)境差異，有陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電兩類。以風(fēng)機發(fā)電機設(shè)計轉(zhuǎn)速區(qū)分，又包含有變速、恒速、多態(tài)定速等不同類型。

（2）設(shè)備組成和功能。通過對風(fēng)機結(jié)構(gòu)進行拆解，具體涉及基礎(chǔ)、塔筒、機艙、風(fēng)輪等幾大構(gòu)造。風(fēng)輪是風(fēng)能獲取裝置，包含有輪轂、葉片、變槳系統(tǒng)等，其中關(guān)系風(fēng)能吸收能力的關(guān)鍵在于風(fēng)機葉片。若風(fēng)機實際風(fēng)速超出限值，則需要借助葉尖所產(chǎn)生的制動效應(yīng)，對其轉(zhuǎn)速加以控制。但也因葉片裸露在環(huán)境中，風(fēng)機葉片會受腐蝕、覆冰等影響，其自身也可能產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重威脅風(fēng)機運行安全，為此葉片的防護很是關(guān)鍵。

（3）風(fēng)機控制技術(shù)。通常來講，并入電網(wǎng)的風(fēng)機主要存在3種發(fā)電機：變速、雙饋、雙速異步等。為精準(zhǔn)控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速及輸出功率，需采取相應(yīng)控制技術(shù)，一般會采取最大功率追蹤策略，可有效達(dá)成風(fēng)電功率的輸出控制。伴隨新的風(fēng)機控制技術(shù)改進，衍生出多種更高效的并網(wǎng)技術(shù)，較為典型的如模糊控制技術(shù)，也就是借助智能算法，對葉片槳距進行高精準(zhǔn)控制，并且還能用于風(fēng)輪氣動性能預(yù)估，對于提升風(fēng)機性能很有幫助。

（4）無功電壓控制技術(shù)。要想維持風(fēng)機正常運行，在風(fēng)機控制同時，需重點關(guān)注電壓穩(wěn)定及無功補償。一般來講，在電力系統(tǒng)中，風(fēng)機運行會吸收無功，為確保電網(wǎng)穩(wěn)定，維持正常電壓水平及輸出功率穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)的SVG補償策略，在風(fēng)電場運行中進行動態(tài)補償。

1.2 光伏發(fā)電技術(shù)

在地球上，太陽輻射產(chǎn)生能量巨大，如何合理開發(fā)太陽能，對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提升經(jīng)濟環(huán)境效益作用顯著。而受制于光電轉(zhuǎn)化率、光電成本及補貼政策等影響，光伏發(fā)電面臨不少挑戰(zhàn)。為更好地理解光伏發(fā)電技術(shù)，現(xiàn)對其原理構(gòu)造加以分析。

（1）光電效應(yīng)。對于部分特殊的物質(zhì)，當(dāng)有特定電磁波照射時，其內(nèi)分子會激發(fā)游離電子，然后朝特定方向移動便產(chǎn)生電流。通常產(chǎn)生光電效應(yīng)的半導(dǎo)體內(nèi)部存在PN結(jié)，分別對應(yīng)空穴及不穩(wěn)定電子，在光照條件下，P、N兩側(cè)將產(chǎn)生電勢，進而驅(qū)動電子不斷朝著新產(chǎn)生的空穴移動，這也是光伏發(fā)電基本原理。一般而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)具體包含有光伏板陣列、太陽能電池、逆變器、控制器等。

（2）電池組。作為光伏發(fā)電重要組成，太陽能電池也有多種類別：晶硅電池，在實際應(yīng)用中有多晶與單晶兩類；化合物薄膜電池，其缺點在于有毒、污染性大；硅基薄膜電池，主要面臨著光電轉(zhuǎn)化效率低問題；有機半導(dǎo)體光膜電池，該類電池仍在進行技術(shù)開發(fā)，仍未實用化；聚光光伏電池，其在光伏發(fā)電中的優(yōu)勢在高效，但也面臨成本高問題，聚光系統(tǒng)、散熱器等需要額外配置，會帶來更長的成本回收周期，聚光電池商用還需較長時間。

（3）光伏陣列。作為光能直接接受裝置，光伏陣列在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在三種模式：固定式、單軸以及跟雙軸蹤，其發(fā)電效率逐步提升。相較于基礎(chǔ)的固定式光伏陣列，單軸跟蹤可提升20%發(fā)電效率，而雙軸跟蹤可將其提升至30%，合理選擇光伏陣列支撐方式很是關(guān)鍵。此外，光伏板安裝傾角也需合理設(shè)置。

（4）逆變器。要想提升光伏系統(tǒng)交直流轉(zhuǎn)化效率，需綜合考慮逆變器的性能，在滿足保護、監(jiān)控等基本要求下，還可靠承受交直流電壓?，F(xiàn)階段，光伏逆變器有多種結(jié)構(gòu)類型：集中式、組串式以及集散式。

1.3 儲能技術(shù)

在新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展中，儲能技術(shù)扮演關(guān)鍵性角色，可用于解決風(fēng)光發(fā)電所面臨的波動性、間歇性、難調(diào)度等問題。儲能技術(shù)的作用主要體現(xiàn)如下。

（1）可平滑新能源出力波動，受新能源自身特點影響，很難保證持續(xù)穩(wěn)定供電，而且為保證風(fēng)光利用率，對其電站出力不應(yīng)隨意調(diào)整，所以，在風(fēng)光電站設(shè)計之初，要配合打造儲能系統(tǒng)，這樣電站出力在高峰期可輸向儲能系統(tǒng)，而在無光或無風(fēng)時期，可經(jīng)儲能系統(tǒng)反向輸出電能，進而維持出力穩(wěn)定。

（2）可提高跟蹤計劃發(fā)電能力，要知道電網(wǎng)穩(wěn)定依靠計劃性發(fā)電，但因風(fēng)光出力影響因素多，風(fēng)光電站發(fā)電曲線難以預(yù)估，所以，需依靠儲能系統(tǒng)來加以補償，有效平衡電站實際與預(yù)測出力，使風(fēng)光發(fā)電更加可控可調(diào)。

（3）可減少棄光棄風(fēng)現(xiàn)象，盡管說新能源發(fā)電快速擴張，但因為電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需要，往往會出現(xiàn)大面積棄光棄風(fēng)現(xiàn)象，而儲能技術(shù)的發(fā)展，可有效應(yīng)對調(diào)峰調(diào)壓需要，通過對其充放電加以控制，能有效避免棄光棄風(fēng)情況，甚至在電壓瞬時跌落時，也能夠即刻進行無功支撐，減少脫網(wǎng)解列問題發(fā)生，進行提升新能源場站經(jīng)濟性?，F(xiàn)階段，該技術(shù)已發(fā)展多種儲能手段，如抽水蓄能、超級電容、電化學(xué)儲能，在風(fēng)光電站中以電化學(xué)儲能為主，并有著廣闊的發(fā)展空間。

2 新能源發(fā)電技術(shù)難點與發(fā)展建議

2.1 技術(shù)難點

（1）風(fēng)機低電壓穿越技術(shù)。在電網(wǎng)運行過程中，電壓跌落時有發(fā)生，會降低風(fēng)機并網(wǎng)側(cè)電壓水平，在不解列的情況下，會在交直流轉(zhuǎn)換中，導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)涌流的發(fā)生，不僅會對風(fēng)機設(shè)備造成損壞，更嚴(yán)重的將導(dǎo)致風(fēng)電場雪崩式脫網(wǎng)，這對于風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)穩(wěn)定極為致命。但若簡單通過解列加以應(yīng)對，將更加加劇風(fēng)力發(fā)電不可靠性。為此，低電壓穿越問題成為研究重點，但也面臨許多難點，例如，沖擊電流是否在風(fēng)機設(shè)備可承受范圍，低電壓穿越策略是否適用多種故障，如何控制低電壓穿越技術(shù)成本等。現(xiàn)階段，風(fēng)機在初始設(shè)計上便重視低電壓穿越能力提升，確保風(fēng)機可穿越低壓區(qū)域，通常采取AVC、SVG等策略，可幫助風(fēng)機在低電壓下維持運行，實現(xiàn)風(fēng)機最大發(fā)電效益。

（2）光伏電站SVG調(diào)壓技術(shù)。光伏并網(wǎng)點多在線路側(cè)，而且電站發(fā)電容量通常較小，對過電壓問題比較敏感，會影響光伏電站正常運行。為此，需對光伏電站電壓進行調(diào)整，但因其電壓調(diào)整可選手段有限，通常主要依賴于SVG設(shè)備，在實際應(yīng)用中，SVG設(shè)計有多種模式可供選擇，根據(jù)控制變量不同可分為恒壓、恒無功、恒功率因素三類，一般需控制功率因素不小于0.98。光伏電站在實際運維中，應(yīng)按電網(wǎng)運行要求，將SVG設(shè)為恒功率因數(shù)控制，這樣當(dāng)光伏出力變化時，無功也將按特定比例動態(tài)調(diào)整。但若并網(wǎng)點電壓異常，出現(xiàn)110%以上過電壓，便應(yīng)當(dāng)放棄恒功率控制，而改用恒壓模式，這是因為恒功率很難調(diào)節(jié)電壓，會對光伏設(shè)備構(gòu)成威脅。以35kV光伏電站為例，當(dāng)實際采用SVG調(diào)壓技術(shù)時，若其發(fā)電出力達(dá)較高水平，并網(wǎng)點電壓超出38.5kV，則需要選用恒壓模式，通常會以38kV為閾值。而若發(fā)電出力較低，則應(yīng)當(dāng)采取恒功率模式，以滿足光伏并網(wǎng)要求。若不能自主選擇SVG模式，可能出現(xiàn)母線過壓情況，這樣可導(dǎo)致光伏電站保護動作，以至于出現(xiàn)脫網(wǎng)解列情況。

（3）光伏組件PID效應(yīng)治理。在長期運行中，光伏組件性能會降低，其中很大原因在于PID效應(yīng)。由于光伏組件往往承受較高電壓，經(jīng)過較長時間運行周期，其內(nèi)部會出現(xiàn)電荷集聚、電流泄漏等問題，進而誘發(fā)電位衰減，嚴(yán)重影響其性能，光電轉(zhuǎn)換率甚至可降低一半。PID效應(yīng)的出現(xiàn)，也與光伏組件所處環(huán)境有關(guān)，尤其是在濕熱高鹽地區(qū)。為有效治理PID效應(yīng)，需采取如下措施：首先對于光伏系統(tǒng)，當(dāng)光伏組件不發(fā)電時，可為其增施反向電壓，使組件與大地形成一定電勢，還要可通過增設(shè)微波逆變器，來有效限制組件電壓，進而抑制PID 效應(yīng)；其次對于光伏組件，考慮到環(huán)境因素影響，組件PID效應(yīng)可通過改善其密封性，來有效提升組件抗PID性能，主要技術(shù)措施包括：改進EVA 生產(chǎn)工藝、優(yōu)選組件生產(chǎn)材料、優(yōu)化組件密封工藝等；最后對于光伏電池，在PID效應(yīng)治理中，可通過改進電池工藝，尤其是對于減反層、發(fā)射極等部分，可產(chǎn)生較好的抵抗PID效應(yīng)，但也需要綜合考慮造價問題。

2.2 發(fā)展建議

（1）重視政策與市場驅(qū)動。為推動新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展，需依靠政策與市場雙驅(qū)動，可通過頂層設(shè)計，建立健全的新能源補貼及市場化上網(wǎng)電價，促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級。對于不同新能源場站，要根據(jù)其能效水平，實行差別化電價，推動新能源發(fā)電技術(shù)持續(xù)改進。開放碳排放權(quán)交易，強制能源企業(yè)按固定配額建設(shè)新能源場站，還要引入市場價格機制，創(chuàng)新新能源發(fā)電商業(yè)模式，進而激活產(chǎn)業(yè)活力。

（2）加大科研創(chuàng)新與扶持力度。要想突破新能源發(fā)電技術(shù)壁壘，還需重視自主創(chuàng)新，不僅要加大新能源項目扶持力度，更為關(guān)鍵的是要推動新能源發(fā)電裝備及科技進步。依托國家轉(zhuǎn)撥科研基金，利用國家研發(fā)創(chuàng)新平臺，多元化發(fā)展新能源技術(shù)，全力發(fā)展新型儲能、海上風(fēng)電等技術(shù)領(lǐng)域，為新能源技術(shù)發(fā)展鋪平道路。

（3）科學(xué)規(guī)劃新能源發(fā)電。無序式的擴張并不利于新能源發(fā)展，而是要落實科學(xué)規(guī)劃，由國家新能源主管部門，結(jié)合能源市場特點及碳中和發(fā)展規(guī)劃，確立科學(xué)、經(jīng)濟、可持續(xù)的新能源發(fā)展戰(zhàn)略，明確新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線，規(guī)劃好不同時期新能源發(fā)展目標(biāo)。

（4）克服新能源分布不均難題。以風(fēng)光發(fā)電為主的新能源，盡管國內(nèi)相應(yīng)資源豐富，但風(fēng)光能源分布極不平衡，資源豐富的中西部，對于風(fēng)光電力承受能力不足，需要依靠國家特高壓線路實現(xiàn)跨域傳輸，解決新能源區(qū)域分布不均問題。同時，從時間維度上，風(fēng)光發(fā)電效率也有不確定性，這需要借助儲能等技術(shù)手段，最大限度提升電網(wǎng)對新能源接收能力。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段，新能源替代已成為趨勢，風(fēng)力、光伏等新能源，不論是從裝機容量還是上網(wǎng)電量，均實現(xiàn)了跨越式的提升，然而因其資源本身特點，新能源發(fā)電并網(wǎng)仍有許多難題，需要加大新能源發(fā)電技術(shù)科研創(chuàng)新與項目扶持，并尋求與其他技術(shù)的協(xié)調(diào)融合，如儲能技術(shù)，消除新能源發(fā)電技術(shù)短板，建立起新能源在技術(shù)、政策及經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，進而推動新能源良性發(fā)展。