新能源发电特性与经济性分析研究

李彦荣,王康民

(1.山西能源学院，晋中 030600;2.山西省高效太阳能光电转换工程技术研究中心，太原 030000)

0 引 言

近几年，光伏产业的发展趋势十分迅速。从2007年开始，我国便已经成为世界上太阳电池生产的第一大国，当前市场中可以生产太阳电池片的光伏企业数量已经多达数百家。经过近一段时间发展，我国在生产光伏产品方面已经形成了产业链。随着规模化的生产及金刚线的应用，光伏组件生产成木不断下降。此外，随着晶体硅技术不断进步，光伏转化效率不断提高，也使光伏电站单位千瓦投资不断下降。根据国家太阳能光伏产品质量监督检验中心(CPVT)的测试认证，隆基乐叶单晶PERC转换效率最高水平已达到23.26%。近年来，我国在利用新能源方面取得了较大的进步。

1 能源发电特性

为了减少环境污染、提高能源综合利用效率，未来新能源和可再生能源将进入一个快速发展的时期。因为风力发电和太阳能光伏发电受到季节、天气等因素的影响较大，而且目前这两种新能源在实际中开发利用的较多。

1.1 风力发电模型及其动态特性分析

风力发电机组原动机的能量来源为自然界中风的动能。由于风速的易变性和不可控性，风力发电机组几乎每时每刻都遭受到较大程度的扰动，这种扰动无论对机组本身还是对与之相连的电力系统，都将产生一定程度的影响。因此，风力发电系统动态仿真分析就需要建立与之相适应的数学模型。在风的移动过程中，既有动能的变化，又有势能的变化。在一定时间和空间范围内，风速的变化具有随机性。为了能够在模拟风速变化时准确地反映出风能的随机性和间歇性的特点，通常用基本风、阵风、渐变风和噪声风这4种典型模型来模拟风速变化的时空模型。

1.2 太阳能光伏发电模型与动态特性分析

地球绕地轴自西向东自转形成昼夜交替，地球自转的同时绕太阳公转。地球的自转轴与公转运行轨道面(黄道面)的法线倾斜成23.45度夹角，而且在地球公转时自转轴的方向始终指向地球的北极，这就使得太阳光线直射赤道的位置有时偏南，有时偏北，形成地球上季节的变化。由于地球的自转和公转，相对地平面来说，太阳的位置不停地在变化。在赤道坐标系中，太阳位置由时角和赤纬角两个变量决定。

2 新能源发电并网技术

2.1 风力发电并网技术

目前风力发电具有两种运行方式：独立运行的离网运行电和接入电力系统并网运行。离网型风力发电与并网型风力发电相比其风力发电规模较小，其通过电能存储装置或者与其他发电技术相结合可以为没有电网的偏远地区供电。并网型风力发电是世界风力发电发展的主要方向，其发电容量较大，通常为几兆瓦到几百兆瓦，由于其与大电网相连，从而可以得到大电网的补偿和支撑，可以使风资源更加充分的开发和利用。随着风力发电技术的不断进步，风力发电的成本也在不断降低，在考虑环境效益等因素的情况下，风力发电在经济上具有很大的吸引力。

2.2 太阳能发电并网技术

太阳能发电可分为太阳能热发电和太阳能光发电两大类。太阳能热发电系统主要由集热部分、传输部分、储热部分构成。根据聚光式系统的不同可以分为塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统以及碟式太阳能热发电系统。太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电形式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电，目前最常用的为光伏发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并将其转变成为电能的一种直接发电方式。目前世界上应用最广泛的太阳能电池为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

2.3 分布式能源系统并网技术

分布式能源(Distributed Generation，DG)是指电源靠近用户侧，发出的电能可以被附近用户就地利用，其接入电网的电压等级在10 kV及以下，并且单台装机容量不超过6 MW的发电项目。分布式能源的能量来源主要以太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能等为主。分布式能源和电力系统之间存在着四种关系：一为分布式能源独立运行向周围的用户供电；二为分布式能源和本地的电网之间接入了自动转换装置；三为分布式能源和系统直接并联运行，分布式能源对本地电网无电能输出；四为分布式能源和系统直接并联运行，并且能够向本地电网输送电能。目前，分布式能源接入配电网的方式主要有三种方式：低压分散接入模式；中压分散接入模式；专线接入模式。

3 高风力发电经济性的技术研究

3.1 风电供暖技术

所谓风电供暖，就是利用过剩风电即弃风电力进行供暖。当系统中风电过剩时，要降低热电机组强迫出力来增加风电上网空间以接纳一部分过剩的风电，对于热电机组由于电热约束减少的发电量所导致的供热不足部分，则由安装在热电厂中的电锅炉消耗另一部分过剩的风电进行补偿供给，这样就能够在保证供热的情况下实现对过剩风电的消纳。从宏观上讲，弃风供暖方案的本质就是在风电弃风时段，使用弃风电力替代热电机组进行供电和供热。因此，从短期来看，可降低整个系统的煤耗量，具有明显的节煤效益。同时，电锅炉设备结构简单、价格低廉、能源转换效率高；而且，电锅炉运行灵活，可通过调整电流大小或者加热棒的投切来调整其消耗电功率的大小。

3.2 风电场经济性分析

利用过剩风电(弃风电力)进行供暖的原理为：当系统中风电过剩时，要降低热电机组强迫出力来增加风电上网空间以接纳一部分过剩风电；而对于热电机组由于电热约束减少发电量所导致的供热不足部分，则利用安装在热电厂中的电锅炉消耗另一部分过剩风电进行补偿供给，这样就能够在保证供热的情况下实现对过剩风电的消纳。

3.3 风电储能技术

目前，主要的储能技术包括压缩空气储能技术、抽水蓄能技术、电池储能技术、飞轮储能技术、超导储能技术等。一般来说，燃料电池消耗的能量较少，但是与飞轮储能相比其消耗的电能相对较高。为了满足短期充放电的需求，目前的电容储能装置容量建造的都非常小，大型电容储能技术还没有发展到可以实际应用的阶段。电能存储装置在电网低谷时期存储风力发出的多余电量，这部分电量在电网用电量高峰时释放出来。电能存储装置不仅提高了风电场的发电量，也提高了风电的电网穿透率。同时，电能存储装置在输电和配电过程中还能起到保证电能质量的作用，同时也可以起到削减风电波动性的作用。

3.4 风电储能技术经济性分析

成本是选择储能技术的主要指标之一。对于一种新兴技术，阻碍其广泛应用的因素之一就是成本。合理有效的储能成本，不仅能促进储能技术的发展和应用，也可以提高可再生能源的电网渗透率。储能成本与储能容量成正比。能量转换系统作为一个连接组件，连接能量用户和储能设备，主要由控制开关、控制器、转换器等设备组成。能量转换成本也正比于储能系统的容量。其他成本还包括厂房设施成本、控制系统成本、连接成本等等。这个成本也与储能系统的容量成正比。这三个关键成本也都是储能系统的初始投资成本。