新能源行业及其自动化技术的发展现状与趋势

河海大学能源电气学院 刘德有，郭苏，许昌

新能源行业及其自动化技术的发展现状与趋势

河海大学能源电气学院 刘德有，郭苏，许昌

近几年我国新能源行业取得了举世瞩目的发展成就，但为应对环保和减排的巨大压力，在未来很长一个时期内，我国新能源方面的建设发展还任重道远，继续维持高速发展将是今后的必然趋势。自动化技术及设备已经在新能源行业得到广泛应用，并推动了新能源行业技术进步。本文在简要介绍我国新能源行业发展现状与趋势的基础上，主要以风电、太阳能发电为例，综述自动化技术及设备在新能源行业的应用现状与发展趋势。

新能源；自动化；风电；太阳能；发展趋势

1 引言

能源是现代化的基础和动力。能源供应和安全事关我国现代化建设全局。我国能源资源约束日益加剧，生态环境问题突出，调整结构、提高能效和保障能源安全的压力进一步加大，能源发展面临一系列新问题新挑战。为此，国务院在“能源发展战略行动计划（2014年～2020年）”中明确指出：坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，重点实施“节约优先、立足国内、绿色低碳、创新驱动”的四大战略。其中，把“按照输出与就地消纳利用并重、集中式与分布式发展并举的原则，加快发展可再生能源”作为主要任务之一进行部署，包括：大力发展风电、加快发展太阳能发电、积极发展地热能、生物质能和海洋能、提高可再生能源利用水平等具体部署。此外，根据国务院2012年7月印发的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，新能源产业是我国重点培育的七个战略新兴产业之一。因此，可以预见，今后一个较长的时期将是我国新能源行业的快速发展时期，也将是相关行业技术和产业发展的重要机遇期。

自动化技术及设备已经在新能源发电系统构成、功能实现、安全运行、优化调度、电能质量保障等方面得到广泛应用，并已发挥了推动新能源行业技术进步的重要作用。本文在简要介绍我国新能源行业发展现状与趋势的基础上，主要以风电、太阳能发电为例，综述自动化技术及设备在新能源行业的应用现状与发展趋势。

2 我国新能源行业的发展现状与趋势

新能源包括：水能、风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能（潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、洋流能）和核能，以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。简单地说，新能源包括各种可再生能源和核能。

新能源的主要利用形式是发电，其中水电、风电、核电和太阳能发电等非化石能源发电装机容量在2014年底已达到4.5亿千瓦，占全国发电装机总容量13.6亿千瓦的33.3%，占比达到1/3。

水力发电是一种技术最成熟、成本最低、规模最大的新能源发电形式，我国已有100多年的发展历史。截止2014年底，我国水电总装机容量已超过3亿千瓦，年发电量超过1万亿千瓦时，是我国的第二大电源。但目前国内外一般把水电（特别是大中型水电）归类为传统可再生能源，因此，通常所说的新能源发电一般主要是指风电、太阳能发电，以及生物质能、地热能、海洋能发电等。

风电是我国近几年发展最快的电源。至2013年，风电新增装机容量16.09GW，新增风电并网容量14.49GW，累计风电装机容量91.41GW，累计风电并网容量77.16GW。2013年，风电总发电量134.9TWh，约占全国总发电量的2.5%，是我国的第三大电源。2014年，陆上风电新增装机容量20.7GW，累计并网风电装机容量95.8GW。2014年我国风电新增装机容量占全球新增风电装机的40%，已连续六年超越美国成为全球最大的风电市场。

太阳能光伏发电近几年取得了快速发展，其年装机容量以连续翻倍的速度迅猛增长，累计装机容量由2010年0.89GW发展到2013年19.42G、2014年28.05GW。2013年，新增光伏发电装机容量12.92GW，累计并网光伏发电量90TWh。2014年，累计并网光伏发电量250TWh，增长超过150%。2014年，我国启动了一系列具有战略意义的探索性光伏并网发电项目，如：（1）青海龙羊峡水光互补项目，实现累计并网600MW，探索了水电和光伏电站联合协调运行、联合调度的创新模式；（2）与农业结合的光伏农业大棚、渔光互补电站项目，已渐成市场热点；（3）结合荒山荒坡治理、煤矿采空区治理和沙漠化治理的生态恢复与光伏电站建设相结合的项目；（4）与国家扶贫相结合的光伏扶贫项目，在山西已启动了50个村的试点。这些项目的实施，将为我国光伏并网发电项目建设开辟全新的思路和广阔的前景。

太阳能光热发电，生物质能、地热能和海洋能发电，近几年也得到了高度关注，但总体上尚处于探索和起步的发展阶段。其中，至2014年底，太阳能光热发电已备案（核准）在建的电站12座，装机规模493MW，正在开展前期工作的电站18座，装机规模约901MW。

根据国务院部署，到2020年，我国非化石能源占一次能源消费比重将达到15%。其中，常规水电装机达到3.5亿千瓦；风电装机达到2亿千瓦，风电与煤电上网电价相当；光伏发电装机达到1亿千瓦，光伏发电与电网销售电价相当。此外，地热能利用规模达到5000万吨标准煤。将重点规划建设酒泉、内蒙古西部、内蒙古东部、冀北、吉林、黑龙江、山东、哈密、江苏等9个大型现代风电基地以及配套送出工程，并大力发展分散式风电，稳步发展海上风电。将有序推进光伏基地建设，同步做好就地消纳利用和集中送出通道建设；鼓励大型公共建筑及公用设施、工业园区等建设屋顶分布式光伏发电。积极推动地热能、生物质和海洋能清洁高效利用，推广生物质能和地热供热，开展地热发电和海洋能发电示范工程。加强电源与电网统筹规划，科学安排调峰、调频、储能配套能力，切实解决弃风、弃水、弃光问题。

刘德有 河海大学能源电气学院 博士，教授，博导

3 新能源行业自动化技术的应用现状与发展趋势

随着电子和信息技术的发展，特别是计算机的广泛应用，自动化技术不仅可把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。自动化技术及设备已经在新能源发电的系统构成、功能实现、安全运行、优化调度、电能质量保障等方面得到广泛应用，并已发挥了推动新能源行业技术进步的重要作用。下面主要以风电、太阳能发电为例，综述自动化技术及设备在新能源行业的应用现状与发展趋势。

3.1 风力发电方面

风力发电机组主要由空气动力子系统、发电机子系统、变流子系统、自控子系统等组成。其中，自控子系统由变桨控制系统、偏航控制系统、变流控制系统等组成。变桨控制系统负责空气动力子系统的桨距控制，其成本一般不超过整个机组价格的5%，但对最大化风能转换、功率稳定输出及机组安全保护等至关重要[1]。偏航控制系统负责风轮自动对风及机舱自动解缆。变流控制系统通常与变桨距系统配合运行，通过双向变流器对发电机进行矢量或直接转矩控制，独立调节有功功率和无功功率，实现变速恒频运行和最大功率控制。由于风资源具有间歇性和不可控性[2]，机组运行工况不确定甚至可能频繁切换，使得风电机组控制系统的动态特性及鲁棒性难以保证，故其控制系统比较复杂。

并网风电是我国风力发电的主要形式，但风电并网比重的上升会导致电网调峰、调频压力增大、供电质量下降等问题。为了保证电网的安全稳定运行[3,4]，尽量多地消纳风电，应实现风电场内部风电机组之间、风电场与电网之间的协调控制。目前，我国已经开发了拥有风电短期及超短期功率预测、风电运行监视、风电功率自动控制、风电接纳能力评估、风电辅助服务统计及风电运行数据分析等功能的风电调度自动化系统[5,6]。但在提高并网可控性，网源协调控制等方面还处于探索阶段，还需进一步的深入研究。

目前，风电大规模并网引起的电网稳定性问题、风电机组大规模协调控制管理等问题仍是制约风电发展的关键技术问题。对于大型风电场，因风电送出通道不足、局部消纳能力不足、区域电网调峰调频能力不足，导致弃风现象比较严重。自2011年来，我国风电场每年弃风电量达10 TWh以上，弃风率达10%以上。

除风电机组本体的运行控制外，随着大量风电场的建成，在风电机组的检测和维护方面，将给自动化技术及设备提出大量新的需求，如：风机及其主要部件结构的振动、应力和变形等的状态监测与控制；海上风电机组的锈蚀检测与防护；北方地区风机叶片的防冻与除冰等方面的自动化技术和设备。

为了解决风电大规模并网和消纳问题，大型风电场与抽水蓄能电站或带储热太阳能热发电站的联合调度运行，甚至与常规水电站或燃气发电站的远程协调运行等，将可能成为未来大型风电场的一种重要运行模式，其相关的控制技术和自动化设备需要开展大量的开发研究。此外，在分布式电网中的小型风电场与小型蓄电、蓄热装置的联合运行系统也可能得到快速发展，其相关的控制技术和自动化设备将具有广阔的研发前景。

3.2 太阳能光伏发电方面

太阳能光伏发电系统是利用光生伏特效应直接将太阳光能转换为电能的装置系统，根据光伏系统与电网的关系，可分为孤网系统和并网系统，一般包括光伏电池组件、电力电子变换装置（如逆变器）、控制器和蓄电池组等。目前，并网光伏发电系统已经成为我国光伏发电发展的主流。并网逆变器是影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键部件，除其自身的基本功能外，还具有最大功率跟踪控制，防孤岛运行以及低电压穿越等功能[7]。因此，为保证电站及电网的安全稳定运行，并网逆变器高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化将是未来发展方向[8]。并网保护装置一般内置在逆变器中，在电网侧和逆变器侧发生异常时，能迅速停止逆变器，确保电网安全。通常情况下，由于并网光伏发电系统只向电网输送有功电能，因此需要在系统内安装无功补偿装置，以保证电力系统的稳定性。光伏发电系统需在并网点安装电能质量监测分析装置，以监测光伏电站的电能质量。并网光伏系统还应配有有功功率控制系统和功率预测系统，从而提高电网运行的安全性和稳定性，并充分利用太阳能资源，获得更大的经济效益和社会效益。

对于大型太阳能光伏发电系统，除上述的保障系统常规安全运行外，为应对大量且复杂的局部故障，系统自动重构及其智能决策相关的自动化技术和设备可能成为未来的需求热点。光伏电池的老化检测与防护技术，以及除尘、扫雪等的自动化设备也将有巨大的市场潜力。此外，为解决光伏发电大规模并网和消纳问题，光伏发电系统与其他发电系统的联合协调运行也是其未来的一个重要发展方向，其相关的控制技术和自动化设备也将具有广阔的研发前景。

3.3 太阳能光热发电方面

太阳能光热发电系统主要由聚光、集热、储热、汽轮发电、辅助能源以及集中控制等子系统构成[9]，其运行监控系统的网络结构示意图如图1所示。目前，国内还没有商业化运行的大型太阳能光热发电系统案例，其自动控制系统也还处于试验阶段。

图1 监控系统网络结构示意图

在聚光子系统中，聚光器通过跟踪装置实现对太阳辐射的实时跟踪，并将太阳辐射准确投射到集热器上。从实现跟踪的方式上讲，目前主要有程序控制、传感器控制以及程序与传感器混合控制三种方式[10]。在现有的聚光器控制系统中，国外主要采用的是利用高精度位置传感器和驱动机构实现的开环控制。河海大学与南京玻纤院研发的我国首座塔式太阳能光热发电试验系统采用了开环方式使定日镜处于初始的准确位置，当系统启动后采用闭环控制，实现了定日镜跟踪偏差的实时校正[11]。跟踪装置的控制系统由终端机和上位机组成，终端控制器将采集到的各传感器数据通过串行总线发送至上位机，或执行上位机发来的动作指令，通过电机驱动定日镜器跟踪太阳[12]。

在集热和储热子系统中，由于太阳辐射具有波动性、间歇性和不可控性，因此在典型的一天里，集热子系统收集的热能首先给储热子系统充热，到上午某一时刻切换到储热子系统与集热子系统耦合运行的正常运行模式，在遇到长时间云遮或太阳落山前，集热子系统停止工作，此时汽轮机所需要的所有能量均来自于储热子系统，直至储热子系统停运，汽轮机也相应停止运行，整个热发系统停止运行。在这整个过程中，需要考虑集热子系统在预备、启动、运行调整、停机以及紧急关机等工况下的工质流量、温度等的控制问题；蒸汽发生器给水、汽温和汽压等关键量的控制问题；储热子系统与集热子系统的协调控制问题以及集热器防超温的保护控制等。而且集热、储热系统的热工过程具有强非线性、大惯性和大滞后性，但目前主要采用的还是基于常规整定的线性控制器，控制品质很难令人满意[13-21]。因此，其集热、储热的控制系统比较复杂且目前还不大成熟。

在汽轮发电子系统中，汽轮机的数字电液控制系统（Digital Electric Hydraulic control system，简称DEH）是其关键控制系统，对汽轮发电机组实行过程控制，作为电厂汽轮机运转的神经中枢，是整个电站控制的重要组成部分。汽轮机的DEH调速系统设计有转速回路、阀控回路、功控回路等功能，调速功能最为基本与重要。DEH系统可实现汽轮机转速大范围内的无差调节。在此基础上，增加阀位偏差反馈和机前压力偏差反馈，便可构成多种控制方式。目前，太阳能光热发电系统的汽轮发电子系统通常还是采用常规DEH系统进行调节，并且DEH控制系统与热力系统之间独立运行，缺乏对DEH控制系统的运行方式优化，同时缺少结合这两者的系统性运行方案[22]，还难以很好地满足系统高效发电需要。

大型太阳能光热发电系统的建设发展，在我国尚处于起步阶段，但经多年的试验研发已日臻成熟，预计即将跨入快速发展时期，其相关的控制技术和自动化设备也即将迎来难得的快速发展机遇期。

4 结语

虽然近几年我国在新能源发电方面取得了举世瞩目的发展成就，但从我国目前的能源消费结构看，在未来很长一段时期内，煤电仍将一直占据绝对优势的比重，为应对环保和减排的巨大压力，我国今后在新能源发电方面的建设发展依然任重道远，继续维持高速发展将是今后很长一个时期内的必然趋势。对于与新能源相关的自动化技术领域，既是重要的发展机遇也是严峻的技术挑战，因为新能源方面快速发展的新常态，对于自动化技术领域既会带来更多、更大的应用需求，也会提出更高、更新的技术要求，这就需要跨学科领域大量研发人员的广泛合作和协同攻关，共同面对挑战、迎接辉煌。

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刘德有（1962-），男，浙江江山人，博士，教授，博导，现任教于河海大学能源电气学院，主要从事可再生能源利用研究。

郭苏（1981-），女，辽宁抚顺人，博士，副教授，主要从事可再生能源利用研究。

许昌（1973-），男，安徽全椒人，博士，教授，主要从事可再生能源利用研究。