新能源发电技术在电力系统中的应用探究

浙江浙能长兴新能源有限公司 杨依娜

引言

在国家政策的引导和扶持下，近年来我国的新能源产业发展速度很快。随着新能源发电技术的研究应用，新能源项目的装机规模日益增大。2021年我国新能源装置总量增加1.34亿千瓦，在发电装机总量中的占比高达76.1%，投产运行的新能源发电项目在2021年达到2.48万亿千瓦发电量，占社会用电总量的29.8%。数据表明我国新能源发电量明显提升，足以见得我国的新能源发电产业正在快速发展。

新能源属于能源资源的类别，传统能源资源包括煤炭、石油、天然气、水能等，新能源包括太阳能、海洋能、风能、生物质能、地热能、潮汐能等，与传统能源相比是在新技术的基础上对可再生能源进行的开发利用。由于新能源是可再生能源，因此对人类的生存繁衍和国家的经济发展都有非常重要的意义。通过开发和利用新能源，解决资源短缺的问题，满足人类社会可持续发展的需求。电能是由一次能源转化后得到的二次能源，使用和管理起来都更加方便，因此新能源发电技术发展和应用是人类生产生活无法避免的事实。

1 新能源发电技术在电力系统中的应用分析

我国的新能源发电技术主要包括风能发电、太阳能光伏发电、水能发电、地热发电等。风能发电是利用地球表面大量空气流动产生的动能进行发电。太阳能光伏发电是利用太阳的热辐射能进行发电，水能发电是利用水的动能、势能、压力能等能量资源进行发电，地热发电是利用地球内部的热量进行发电。在新能源发电技术中，由于太阳能的资源最为丰富，且太阳能光伏发系统工艺简单，在光伏发电工艺中不需要机械运动，因此能耗少，在目前的新能源中具有无与伦比的优势[1]。

1.1 光伏发电技术

并网逆变器技术：逆变器在分类上可根据直流电源的不同分为电流型逆变器和电压型逆变器。电压型逆变器的结构和控制技术比电流型逆变器更加成熟，因此在实际的应用中前者效率更高，应用也更普遍。

电压型逆变器具体分为绝缘型和非绝缘型两种。根据并网逆变器的输入和输出两侧间是否存在电气绝缘，以及并网逆变器的工作频率，可将其分为工频绝缘型和高频绝缘型。在并网逆变器的应用中，通常在用户端和网络端使用的是非线性负载，如常见的整流桥电路、半波负载。整流桥电路是电子器件的输入电路非线性负载形式。在非线性负载形式中常见的故障是系统电压和电流波形发生畸变，从而导致系统输出波形质量下降。

目前我国对并网逆变器的输出波形质量制定了明确的技术指标，作为业内人士的参考。并网逆变器技术的应用效果取决于很多因素，其中谐波是影响输出波形质量的关键因素。并网电流中存在直流分量的问题对电网造成严重危害，易导致变电站变压器的直流偏磁现象，一旦磁芯饱和、输出波形畸变会导致损耗增大、设备使用寿命缩短，增加了光伏发电运维成本，且直流分量对变压器本身也有损害。目前一般使用隔离变压器抑制并网逆变器的输出直流分量，但这种方式只能缓解、无法彻底消除影响，因此对并网逆变器技术应用中的直流注入进行深入研究具有现实的意义。

高低电压穿越技术：电力系统的安全性是电力供应的根本保障，一旦电网出现故障会直接影响到电力供应质量及稳定性。

针对光伏电站并网的情况，高穿透率是影响电网系统运行安全稳定的重要问题。当电网出现异常时，小型光伏电站应尽快切断电网，大中型光伏电站由于具有一定的低压过流能力，可为系统提供无功功率维持电网稳定。大型光伏电站在电网电压下降时，并网逆变器由于电流容量限制影响到电网注入功率，一旦输入和输出功率不平衡将导致直流侧过压的情况出现，并网逆变器的输出电流过大影响到电力设备运行安全。光伏阵列的输出功率随着输出电压的增加而减小，直到输出功率为零。因此，对并网电源低压过流、一级与低压开关相对应的高压开关技术进行研究十分必要。

并联互联线技术：随着逆变器的供电方式从单台转为多台，对逆变器的并联技术提出了更高的要求。逆变器并联技术是电力系统从小功率向大功率转变的重要技术手段，也是从集中式向分布式发展的关键技术。逆变器并联技术中常用的是并联互联线技术，通过并联互联线技术实现逆变器模块之间的信息共享。并联互联技术与平行联络线相比具有更好的冗余度，运行可靠性更高，不仅容量给力而且维护管理也方便，具有很好的应用前景。

1.2 光伏发电储能技术

在十四五发展方案中明确提出了大力加强储能体系建设的要求。新能源项目的发展应配置储能设施的建设，逐步提高储能技术标准，推动储能技术健康发展，为增强电源测、电网侧的调节能力提供良好条件。在光伏发电系统中，储能系统可更好地保证电力系统正常运行，解决电力系统中供电不平衡的问题，解决电压脉冲、涌流、跌落、供电中断等供电质量问题[2]。

蓄电池储能技术：这种技术是目前较常用也发展前景很好的一种，在供电质量要求较高的负荷区域电网中应用较多，不仅可采用模块化，具有很好的适用性且可靠性高，满足电网系统调节需求。该技术是利用电池正负极的氧化还原反应来进行储能，充电放电的过程实现能量的储存和释放。在电网系统的高负荷时能及时供电，还可通过蓄电池储能来进行无功补偿，有利于抑制电压波动和闪变情况发生。蓄电池储能技术常见的电池类型已有很多种，如铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池等。

超级电容器储能技术：这种技术的电容器材料较为特殊，采用多孔的材质作为电容器的介质。超级电容器不仅具有传统电容器释放能量快的特点，且比普通的电容器具有更高的介电常数、耐压能力更好、存储容量更大，在储能市场中应用越来越多。

超级电容器储能技术的原理不同，可据此分为不同的类型，包括双电层电容器、电化学电容器等。虽然超级电容功率密度大、充放电速率快、能量储存寿命长，但也有不足之处，如能量密度低、端电压波动范围大、电容易发生串联均压的问题。因此在光伏发电站实际储能技术应用中，更多是将蓄电池和超级电容器结合起来，发挥出技术优势互补，通过二者结合使用更好地提高储能装置的整体性能。将蓄电池和超级电容器并联可提高储能装置的功率输出能力，能降低内部损害、延长放电时间，可缩减蓄电池的充放电循环次数、延长电池寿命，可缩小储能装置体积空间占用率，提升储能系统的综合性价比。

飞轮储能技术：一种机械储能技术，优势在于充电迅速、充放电次数无限、储能设施建设工期短、储能量高、使用寿命长、对环境没有污染，不足之处在于维护管理费用较高。

采用模拟仿真技术对光伏飞轮储能系统进行对比试验，对飞轮储能系统的飞轮转速、输出功率、平滑系数进行模拟分析，并将模拟分析结果和简单飞轮储能装置进行对比，对飞轮储能系统运行参数进行优化，实现对电网稳定功率的输出，得到理想的控制效果。为提高发电系统对电网输出可调度的稳定性，采用电流内环、电压外环的控制方式进行充电和放电，提高电力系统输功率稳定，避免外界干扰因素对光伏发电系统并网造成的波动[3]。

超导储能技术：该技术是利用超导线圈的电磁转化性能将电网供电以磁场的能量方式储存起来，在需要时再将储存的能量释放到电网中。超导储能系统中超导线圈是位于真空绝热冷却装置中，在深冷和真空孔泵系统作用下来创建可靠的储能环境，在电力电子装置作用下对能量储存和释放进行调控。在超导线圈中，电流因闭合电感而不会消失、持续循环，可实现长期无损耗的存储能量，且具有很高的能量返回效率，释放能量只需几秒就能实现。采用超导除能技术可使光伏电网电压、频率、有功和无功功率得到有效调节。利用超导储能系统后可使光伏发电机组的输出电压和频率更加稳定，体现出良好的性能。

2 新能源发电技术的应用要点

新能源发电技术应用必须进行系统规划，在决定制定新能源发电项目后结合发电生产的需求和目标合理选择和设计新能源发电技术。通过合理制定新能源发电技术应用要求规范发电技术操作，确保新能源发电技术应用的效果达到预期目标。

新能源发电技术应注重多种能源的综合利用，以平衡掉单一资源的不稳定性。新能源包括多种类型，太阳辐射能受到的空间地理位置的影响最小，因此是适应性最强的一种新能源类型。水能发电和风能发电对水能资源和风能资源的开发利用效率受到外界更多因素的干扰，提前预测的能力不足。在新能源发电技术的应用中，可考虑将太阳能光伏发电技术和水能发电技术、风能发电技术结合起来，提高新能源发电技术综合应用效率，提升资源利用率，保证电网供电稳定。

实际应用中，供电质量受到多种因素的影响，如设备故障、人为失误、外界环境影响等，因此在多种能源综合利用的过程中不仅要对单一新能源系统的不利因素进行分析和防控，还要对多种能源系统整合后的不利因素进行分析，从而降低多种能源综合利用带来的风险，提高能源利用的整体水平[4]。

新能源发电技术应注重提升电力系统的安全性。和传统的发电方式相比，新能源发电技术对设备、技术应用提出了不一样的要求，发电设备、设备的操作流程都不同。而新能源发电技术和传统发电技术相比发展晚，但优势在于有政策环境的支持，技术的发展和应用速度快。但在新能源发电技术的应用中仍有不成熟的地方，对发电生产安全、生产效率、供电质量带来影响。

在新能源发电技术应用中，必须将电力系统的安全性作为根本考量要素。随着信息化技术、数字化技术和人工智能技术的发展，新能源发电项目中的安全管理方式和手段也将不断升级革新。利用现代化新技术、新方法和新设备，对新能源发电技术应用中的风险隐患进行辨识、分析、诊断，准确及时地发现电力系统的缺陷异常，及时采取安全应对策略，提升电力系统的安全性。

新能源发电项目中，由于新设备新技术的应用，现场值守人员数量越来越少，最终实现无人值守的目标，远程监控和操作技术水平的要求也将越来越高，无疑给新能源发电场工作人员提出了新要求，必须加强工作人员的知识技能培训，尤其是安全意识和安全风险识别和故障处理技术的训练，提升电力系统运行安全，满足新能源发电场实际需求。而风能发电技术、水能发电技术等新能源发电技术受到环境因素的影响较大，为提高新能源发电项目电力系统的安全性，及时收集气象专业信息是十分重要的，根据气象信息的变化情况，及时调整生产、调度、设备维护等方案，做到有备无患[5]。

新能源发电技术应保持不断创新。理论联系实际是技术创新发展的根本支点。密切关注国内外新能源行业的新资讯，学习新理论、新技术、新策略，丰富和积累新能源发电技术应用的经验，促进新能源发电技术快速更迭，推动新能源发电技术的蓬勃发展。

3 结语

在十四五发展时期，我国提出了实现碳达峰、碳中和目标，加快构建以新能源为主体的新型电力系统是实现这一目标的重要途径。随着新能源发电技术的发展和应用，未来新能源发电成本将得到下降，最终实现平价上网，成为我国能源结构转型的重要力量，推动我国电力供应走上清洁可持续发展道路。