分析新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)

黃河電力檢修工程有限公司 林 原

北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司 仇向東 付龍明

自然環(huán)境與能源緊張問題是現(xiàn)階段全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的主要問題。基于對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基本要求，風(fēng)能、太陽能、水能以及生物能等新能源逐步得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展，在很大程度上推動了國內(nèi)外電力行業(yè)的繁榮發(fā)展。因此，在未來發(fā)展階段，需要進(jìn)一步對新能源并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)及發(fā)展趨勢進(jìn)行深入研究與分析，從而結(jié)合時代發(fā)展的要求，充分發(fā)揮新能源的優(yōu)勢，提高能源的利用率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的理論

1.1 分布型新能源發(fā)電工藝

分布型發(fā)電通常指的是以目前開發(fā)的新能源或可循環(huán)利用的能源為支撐的小型發(fā)電機(jī)構(gòu)，分散地設(shè)置在負(fù)載周邊區(qū)域的發(fā)電模式，分布型發(fā)電工藝又可以稱為分布型輸電和分散型產(chǎn)電工藝。為了充分發(fā)揮新能源的優(yōu)勢提高供電水平，需要不斷完善分布型發(fā)電工藝，從而推動供電工作的順利進(jìn)行?，F(xiàn)階段，我國主要開發(fā)與應(yīng)用的新能源主要包括風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、潮汐能以及太陽能等，與國際上較為先進(jìn)的新能源開發(fā)結(jié)果對比來看，我國在風(fēng)力發(fā)電、熱能電池以及日光能光伏發(fā)電的研究上取得了顯著的成果。風(fēng)力發(fā)電工藝主要是以風(fēng)能作為驅(qū)動發(fā)電裝置運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)條件，進(jìn)而實現(xiàn)電力能源的生產(chǎn)與輸出。為保證風(fēng)力發(fā)電裝置運行的穩(wěn)定性，在聯(lián)網(wǎng)供電過程中，需要對電網(wǎng)輸出的電流頻率進(jìn)行嚴(yán)格管理與控制，確保電網(wǎng)輸出的電流頻率與熱力發(fā)電機(jī)組的輸出電流頻率相匹配，從而提高新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要包括恒定速度恒定頻率的發(fā)電模式以及變速恒頻型的發(fā)電模式。其中，恒速恒頻的發(fā)電模式主要利用主動式失速調(diào)配設(shè)備或常規(guī)性失速調(diào)配設(shè)備，而變速恒頻發(fā)電模式主要利用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為主要發(fā)電裝置。將兩種發(fā)電模式的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對比分析能夠得出，變速恒頻發(fā)電模式更有利于提高風(fēng)能的利用率，同時具備比較高效的調(diào)配機(jī)制，因此在現(xiàn)階段的風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛應(yīng)用。日光能光伏發(fā)電工藝指的是利用具有光電效應(yīng)的可控硅半導(dǎo)體材料將日光能轉(zhuǎn)換為電力能源。現(xiàn)階段，光伏發(fā)電機(jī)構(gòu)主要有獨立式光伏發(fā)電和并網(wǎng)式光伏發(fā)電機(jī)構(gòu)兩種類型。此外，燃料式電池工藝主要是將儲存在化學(xué)氧化劑和燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電力能源，這種工藝的應(yīng)用有利于降低發(fā)電過程中的噪聲，同時具有環(huán)保性能。

1.2 微網(wǎng)基本概念

微網(wǎng)能夠通過有效的協(xié)調(diào)控制有效解決新能源分布式電源并網(wǎng)時產(chǎn)生的各種問題，從而減少分布式電源并網(wǎng)對供電效果產(chǎn)生的不利影響。微網(wǎng)指的是一種小型配電網(wǎng)絡(luò)，通常包括分布式微電源、儲能裝置、負(fù)荷、電能轉(zhuǎn)換設(shè)備以及控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對電力能源的有效控制與管理。微網(wǎng)中的電力負(fù)荷主要包括主要負(fù)荷和次要負(fù)荷兩種類型，相對于次要負(fù)荷來說，主要負(fù)荷對于電能的質(zhì)量與可靠性要求相關(guān)較高。微網(wǎng)中的分布式電源可以直接或者通過電力電子換流裝置進(jìn)行并網(wǎng)，進(jìn)而實現(xiàn)對本地負(fù)荷進(jìn)行供電，同時將余電進(jìn)行回收。

2 新能源并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源發(fā)電系統(tǒng)主要包括多個小型新能源發(fā)電系統(tǒng)，這些小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中又包括風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電等多種能源的組合發(fā)電，這些供電設(shè)備主要通過逆變器并采用并聯(lián)的方式與微型公共電網(wǎng)進(jìn)行連接，從而保證電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 電力電子技術(shù)的關(guān)鍵部件

電力電子技術(shù)在分布式發(fā)電中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開關(guān)以及電能質(zhì)量控制裝置的性能都能夠?qū)╇娤到y(tǒng)的運行產(chǎn)生較大影響。首先，電力電子變換器在電力系統(tǒng)中起著連接微網(wǎng)、風(fēng)機(jī)與燃料電池的作用，這些變換器有時只需要通過逆變器就可以起到相應(yīng)的作用，但有時就需要將逆變器和整流器進(jìn)行結(jié)合使用，具體的使用方式主要根據(jù)電力電子技術(shù)應(yīng)用的實際情況來確定。其次，靜態(tài)開關(guān)在電力電子技術(shù)的應(yīng)用過程中主要起到識別系統(tǒng)的一些意外情況，并將微網(wǎng)轉(zhuǎn)換到孤島運行狀態(tài)的作用，進(jìn)而能夠有效防止避免系統(tǒng)受到破壞。同時，在故障問題得到解決后，靜態(tài)開關(guān)能夠自動將微網(wǎng)和主網(wǎng)進(jìn)行連接，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。此外，電能質(zhì)量控制裝置能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量進(jìn)行全面監(jiān)控，從而避免電壓波形、頻率和功率因數(shù)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降問題的發(fā)生，維護(hù)微網(wǎng)運行的安全性。

2.3 微網(wǎng)技術(shù)

微網(wǎng)系統(tǒng)本身抗干擾能力較弱，并且在諸多不可控因素的影響下，容易降低微網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。因此，微網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用過程中需要對微網(wǎng)系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行有效控制與管理。微電源作為微網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，雖然其構(gòu)成與屬性存在一定差異，但微網(wǎng)系統(tǒng)的總能量是一定的，因此，為避免微電網(wǎng)對整體電網(wǎng)的負(fù)面影響，需要在微電網(wǎng)的運行中保證電壓的穩(wěn)定性，但從現(xiàn)階段的實際情況來看，這一問題并未得到妥善地解決。同時，微網(wǎng)從獨立運行狀態(tài)到并網(wǎng)狀態(tài)的相互切換過程中都會在一定程度上影響整個電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。因此，技術(shù)人員需要結(jié)合具體要求和實際情況對微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與配置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，從而提高對微電網(wǎng)系統(tǒng)運行效果的控制，避免微電網(wǎng)對整個電網(wǎng)造成的不利影響?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的保護(hù)措施在實現(xiàn)對微網(wǎng)系統(tǒng)單向潮流的保護(hù)過程中，難以起到對微網(wǎng)系統(tǒng)雙向潮流的保護(hù)作用。因此，在社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，對于微網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用工作需要對常規(guī)保護(hù)模式下的運行故障進(jìn)行檢測，并利用保護(hù)控制系統(tǒng)保證微網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3 新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3.1 分布式混合能源系統(tǒng)

采用幾種新能源發(fā)電方式組成分布式新能源混合能源系統(tǒng)是未來新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。分布式混合能源系統(tǒng)實現(xiàn)了分布式能源和儲能技術(shù)的有效結(jié)合，通過發(fā)揮各種新型微型能源的優(yōu)勢特點，將能源與儲能裝置進(jìn)行混合配置，從而解決單一能源供電不穩(wěn)定的問題，有助于提升電力系統(tǒng)運行的效率和質(zhì)量。同時，通過對負(fù)荷均衡化的有效控制，利用電力電子裝置提高電網(wǎng)在獨立運行和并網(wǎng)運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性，保證供電的質(zhì)量。但在此過程中，還需要對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件的選擇以及控制策略等問題進(jìn)行解決。首先，在選擇新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件的過程中，需要通過對并網(wǎng)變換器拓?fù)浣Ｅc量化的對比分析，選擇最佳的并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)，就近選擇微電網(wǎng)使用直流總線，有利于提高電能的利用率。在確定系統(tǒng)內(nèi)儲能環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和容量的過程中需要依據(jù)對各類儲能裝置技術(shù)的對比分析結(jié)果來進(jìn)行。在研究新能源并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵部件問題的過程中，首先需要對系統(tǒng)主電路的設(shè)計參數(shù)和各部件模型進(jìn)行分析，因此，對新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路的設(shè)計問題，工作人員要明確新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)試驗樣機(jī)的直流母線電壓以及各部件的功能定位，之后對微電源和儲能裝置的特點進(jìn)行分析，通過建立熱模型、電路模型、機(jī)電方程等對微電源及并網(wǎng)變換器控制模型進(jìn)行分析，之后再通過驗證工作開展并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路的設(shè)計工作。此外，對新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進(jìn)行研究與分析，還需要對多個微電源之間的協(xié)調(diào)控制問題進(jìn)行研究與分析。新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中包含著許多微電源，這些微電源具有較強(qiáng)的靈活性，并且電壓—電流、頻率—功率的特性以及時間常數(shù)都有各自的差異。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，通常利用先進(jìn)的電子設(shè)備將各微電源與微網(wǎng)中的直流或交流總線進(jìn)行連接，因此，通過對微電源的協(xié)調(diào)與控制有利于提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，發(fā)揮新能源的優(yōu)勢保證電能的質(zhì)量。

3.2 智能微電網(wǎng)

現(xiàn)階段，為促進(jìn)我國電力事業(yè)的繁榮發(fā)展，國家逐步提高了對智能電網(wǎng)的研究與開發(fā)力度。智能電網(wǎng)概念的提出旨在對日益老化和低頻率的供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與完善，從而使原有的發(fā)電、輸電、配電等系統(tǒng)具備高效和環(huán)保的功能。美國電力研究院針對含有微網(wǎng)的智能化配電網(wǎng)進(jìn)行研究，并建立了專門的科研管理機(jī)構(gòu)及智能電網(wǎng)研究網(wǎng)絡(luò)化平臺，在世界范圍內(nèi)的智能配電網(wǎng)的研究上處于領(lǐng)先地位。智能微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)在未來發(fā)展階段的主要組織形式，涉及到高級電力電子技術(shù)、高級能量管理與分析技術(shù)、量測與通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。同時，智能配電網(wǎng)在未來發(fā)展過程中，需要完善配電運行的框架，依據(jù)分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本特點，對智能微網(wǎng)以及分布式電源進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制，從而促進(jìn)微網(wǎng)向著智能化、自動化與信息化方向發(fā)展。

結(jié)語：我國在近年來始終致力于新能源發(fā)電技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并取得了一定的成績。但由于諸多因素的影響，制約了新能源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，在未來發(fā)展階段，相關(guān)部門需要提高對新能源發(fā)電技術(shù)研究的重視程度，并將研究的重點放在新能源并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用上，結(jié)合時代發(fā)展的趨勢和要求，有效提高新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行的效率和質(zhì)量，從而推動新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的運用，促進(jìn)我國電力事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。