中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 俞年昌 趙大威 王 偉

1 引言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)化的加速，人們對(duì)用電的要求也在不斷提高。如果單純依賴常規(guī)的水力發(fā)電工藝，很難滿足電力的應(yīng)用需要，甚至可能引發(fā)更多的能耗和環(huán)保問題。目前，新能源發(fā)電技術(shù)作為重要的綠色節(jié)能發(fā)電形式，已普遍運(yùn)用于電力系統(tǒng)，相比常規(guī)的發(fā)電方式，新能源發(fā)電技術(shù)能夠極大地減少能源消耗與污染，促進(jìn)電力行業(yè)的可持續(xù)開發(fā)。所以，有必要針對(duì)清潔能源發(fā)電技術(shù)及其在工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究探索，使得清潔能源發(fā)電技術(shù)可以在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮出重要作用。

2 新能源發(fā)電技術(shù)概述

2.1 含義

新能源主要是指在原有發(fā)電技術(shù)上加以開發(fā)利用的可開發(fā)的綠色循環(huán)能源，其中包括風(fēng)能、太陽能、潮汐等，新能源發(fā)電就是新能源概念的延伸。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)已成為我國電網(wǎng)發(fā)展的一大趨勢。新能源電力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 新能源電力系統(tǒng)

對(duì)于新一代電網(wǎng)而言，組成的復(fù)雜性決定了各要素之間的相互作用。特別是在太陽能和風(fēng)能等領(lǐng)域，新的技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，新能源作為中國發(fā)展可再生能源的有效形式，已成為國家“十四五”規(guī)劃大力發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一[1]。

3 新能源發(fā)電技術(shù)的重要作用分析

3.1 能夠增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性

隨著電網(wǎng)用電量的不斷增加，輸電線路負(fù)荷不斷增大，且在電網(wǎng)和負(fù)荷之間的不平衡，迫切要求滿足遠(yuǎn)距離特高壓輸電的需求。這就導(dǎo)致了電壓波動(dòng)，“功率倒流”“功率繞送”等一系列的問題，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。因此，為了保障大型電網(wǎng)的安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行，并對(duì)與之相關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備進(jìn)行了深入的研究。因此，本文提出了電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估，如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估

3.2 能夠進(jìn)一步擴(kuò)大電網(wǎng)覆蓋范圍

在新能源發(fā)電技術(shù)未普及以前，我國以煤炭、石油、天然氣等一類的常規(guī)能源為主，網(wǎng)絡(luò)的真正覆蓋面積受地理?xiàng)l件等多種原因的限制。隨著國家基本建設(shè)的不斷深入，電力事業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展。利用新能源發(fā)電技術(shù)，在電網(wǎng)形式上，電網(wǎng)形式也有了很大的變化，現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要采用微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠與區(qū)域內(nèi)的自然環(huán)境進(jìn)行“軟耦合”，使得區(qū)域內(nèi)的電源能夠在較大的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行合理的配置，增強(qiáng)了應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的實(shí)力。電力系統(tǒng)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 能夠節(jié)約供電成本

針對(duì)常規(guī)的光伏發(fā)電技術(shù)，由于其電源往往要經(jīng)過長時(shí)間的高電壓傳輸，為了保證其穩(wěn)定、可靠的供電，需要對(duì)其進(jìn)行功率調(diào)整，采用新能源技術(shù)，使此類設(shè)備用量進(jìn)一步減少，同時(shí)也可降低電力供應(yīng)費(fèi)用。電力供應(yīng)費(fèi)用的主要減少方式如下。

一是要構(gòu)建健全的電力市場交易機(jī)制，以價(jià)格為導(dǎo)向，以各種類型的電源為主體，構(gòu)建電力實(shí)時(shí)交易系統(tǒng)，利用節(jié)點(diǎn)電價(jià)、阻塞電價(jià)等信息，優(yōu)化不同類型的電源及網(wǎng)架，使其與新能源發(fā)展相協(xié)調(diào)。

二是要建立以市場為導(dǎo)向的新能源消納制度。不同區(qū)域間的資源稟賦不同，保證清潔能源的合理輸送是實(shí)現(xiàn)新能源消納和降低其消納費(fèi)用的重要途徑。要保證清潔能源的跨區(qū)域傳輸，必須突破區(qū)域之間的屏障，擴(kuò)大區(qū)域的可接受性。

三是建立健全電力市場交易價(jià)格體系。此時(shí)可以利用 DSM 及時(shí)調(diào)整新能源的波動(dòng)，降低負(fù)荷，提高系統(tǒng)的靈活性。例如，嘗試實(shí)施兩種類型的能源交易，一種是根據(jù)每一單位 GDP 的能源消耗來確定能源價(jià)格，并以此來確定能源價(jià)格。另一種是在推動(dòng)地區(qū)碳減排過程中，對(duì)現(xiàn)行的績效評(píng)價(jià)體系進(jìn)行變革，以激勵(lì)其主動(dòng)參與到碳減排中來。

4 新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

4.1 風(fēng)能發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，通過增速機(jī)提高轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)中的主要設(shè)備，主要由風(fēng)輪裝置、發(fā)電機(jī)和塔架組成。

4.1.1 風(fēng)輪裝置

風(fēng)能裝置是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。利用水輪機(jī)、蒸汽輪機(jī)、柴油機(jī)等多種能源，將水輪機(jī)、汽輪機(jī)、燃料燃燒、核聚變等能源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后通過發(fā)電裝置將電力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)力帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)械能。

4.1.2 塔架

塔架是用于風(fēng)輪、船尾，以及發(fā)電機(jī)的一種支撐結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮地面障礙物對(duì)風(fēng)場的影響，同時(shí)要保證風(fēng)場與風(fēng)葉之間的安全距離，使其能夠滿足風(fēng)機(jī)裝置的使用需要。

4.1.3 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是一種將由風(fēng)能產(chǎn)生的不變機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ难b置。要保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高效率、高效率的工作，就必須要有各部分的協(xié)調(diào)配合。通過發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換功能將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電能，利用尾翼來調(diào)整風(fēng)的方向，獲得最優(yōu)的機(jī)組效率。該方法利用電機(jī)定子繞組的電阻，將電機(jī)的磁場截?cái)啵瑢?shí)現(xiàn)了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。在冬天，為了減少機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)消耗，可以采取自然進(jìn)氣，機(jī)械排氣的方法。

風(fēng)能發(fā)電的公式為：

式中：pt為空氣密度，kg/m3；υ為風(fēng)速，m/s；t為時(shí)間，s；S 為截面面積，m2。

風(fēng)能是一種常見的風(fēng)能利用的計(jì)算公式，主要與風(fēng)速、空氣密度、風(fēng)所流經(jīng)的面積等三個(gè)要素有關(guān)，要確保風(fēng)能發(fā)電技術(shù)可以有效應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，充分發(fā)揮設(shè)施的功能，有關(guān)的電力企業(yè)技術(shù)研究人員必須以此為依據(jù)，將這些特性與風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用相結(jié)合，為風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造出一個(gè)良好的、合適的使用環(huán)境。

4.2 太陽能發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能發(fā)電主要指的是利用光電效應(yīng)，將太陽能經(jīng)過設(shè)備的變換，從而產(chǎn)生出可以利用的電能，再通過逆變器，將直流電直接轉(zhuǎn)換成交流電。從實(shí)際情況來看，在陽光比較充足的情況下，太陽能發(fā)電技術(shù)可以直接將電能輸入到電網(wǎng)中，如果光線不好，電力系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)感應(yīng)停止并網(wǎng)，直到太陽能發(fā)電恢復(fù)之后才進(jìn)行并網(wǎng)工作。

4.2.1 電壓穩(wěn)定技術(shù)

恒定電壓追蹤技術(shù)的目的是在不同的光照條件下，確保太陽能發(fā)電設(shè)備的輸出電壓是穩(wěn)定的，并且可以實(shí)現(xiàn)最大的輸出功率。眾所周知，太陽能發(fā)電對(duì)于光線的依賴程度很高，光線好的時(shí)候，就會(huì)有更多的電量，而在惡劣的時(shí)候，則會(huì)有更低的電量，這種電量波動(dòng)很大，很難與外界的電網(wǎng)相連。

為解決這一問題，人們在太陽能發(fā)電并網(wǎng)中引進(jìn)了電壓穩(wěn)定技術(shù)，即將光伏陣列在不同溫度下的最大發(fā)電功率記錄到芯片中，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏陣列的溫度，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簭?qiáng)度。還可以在太陽能并網(wǎng)中設(shè)置類似于光伏陣列的光伏組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)開路電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過最大功率工況下的最大電壓特性，提高光伏組件的電壓穩(wěn)定性[2]。

4.2.2 抗孤島技術(shù)

孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障問題或者停電檢修時(shí)出現(xiàn)跳脫，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒有檢測出停電問題，導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)與外部電網(wǎng)相分離，導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)與周圍負(fù)載形成自給自足的局面。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，如果發(fā)生了“孤島”現(xiàn)象，將會(huì)給在輸電線上的檢修人員帶來安全隱患，同時(shí)也會(huì)給配電網(wǎng)的保護(hù)開關(guān)帶來巨大的損害。

為有效地防止這種情況，必須選用抗孤島的逆變電源，使得其既具備較強(qiáng)的過載能力，又具備較強(qiáng)的抗沖擊性能，并提高其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可以在發(fā)生“孤島”現(xiàn)象時(shí)，迅速關(guān)閉逆變電源。目前，對(duì)太陽能發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電的抗孤島保護(hù)主要分為：一是防孤島保護(hù)，也就是通過制止并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所執(zhí)行的孤島運(yùn)行計(jì)劃，從而達(dá)到良好的繼電保護(hù)；二是無源抗孤島保護(hù)，無源抗孤島保護(hù)可以通過逆變器實(shí)時(shí)監(jiān)測交流電源的電壓和頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓和頻率的異常情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)孤島故障，并在第一時(shí)間將其關(guān)閉。

4.3 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)指的是一種將生物體能源轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，具體內(nèi)容包括了農(nóng)林廢物發(fā)電、垃圾發(fā)電和沼氣發(fā)電等。同時(shí)，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)作為一種可再生能源，其工作原理主要是采用厭氧發(fā)酵技術(shù)，對(duì)廢物進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣，再用沼氣來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而達(dá)到發(fā)電的目的[3]。但是這樣的方式對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度有著極大的限制，一般都是在一些特殊的場合，比如一些需要更高安全性能的場合才會(huì)使用。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，我國社會(huì)各方面對(duì)用電的需求量越來越大。因此，各級(jí)相關(guān)部門都在采取不同的措施來應(yīng)對(duì)這一問題。在電力系統(tǒng)中，將新能源發(fā)電技術(shù)的合理應(yīng)用，能夠有效地解決這些問題。能夠?yàn)榻⒁环N節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的生產(chǎn)生活方式提供技術(shù)支持，且能夠更好地治理污染，保護(hù)環(huán)境。為此，本文分別就多種新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，以助推我國電力行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。