新能源发电技术在电力系统中的应用

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 俞年昌 赵大威 王 伟

1 引言

随着市场经济的迅速发展和工业化的加速，人们对用电的要求也在不断提高。如果单纯依赖常规的水力发电工艺，很难满足电力的应用需要，甚至可能引发更多的能耗和环保问题。目前，新能源发电技术作为重要的绿色节能发电形式，已普遍运用于电力系统，相比常规的发电方式，新能源发电技术能够极大地减少能源消耗与污染，促进电力行业的可持续开发。所以，有必要针对清洁能源发电技术及其在工业动力系统领域中的应用进行深入研究探索，使得清洁能源发电技术可以在现代电力系统中发挥出重要作用。

2 新能源发电技术概述

2.1 含义

新能源主要是指在原有发电技术上加以开发利用的可开发的绿色循环能源，其中包括风能、太阳能、潮汐等，新能源发电就是新能源概念的延伸。

2.2 发展现状

在我国能源结构调整的背景下，构建以新能源为主的新型电力系统已成为我国电网发展的一大趋势。新能源电力系统如图1所示。

图1 新能源电力系统

对于新一代电网而言，组成的复杂性决定了各要素之间的相互作用。特别是在太阳能和风能等领域，新的技术也在不断涌现，新能源作为中国发展可再生能源的有效形式，已成为国家“十四五”规划大力发展的重要战略之一[1]。

3 新能源发电技术的重要作用分析

3.1 能够增强电网可靠性

随着电网用电量的不断增加，输电线路负荷不断增大，且在电网和负荷之间的不平衡，迫切要求满足远距离特高压输电的需求。这就导致了电压波动，“功率倒流”“功率绕送”等一系列的问题，严重威胁着电力系统的安全和稳定。因此，为了保障大型电网的安全、平稳、可靠地运行，并对与之相关联的电气设备进行了深入的研究。因此，本文提出了电力系统可靠性评估，如图2所示。

图2 电力系统可靠性评估

3.2 能够进一步扩大电网覆盖范围

在新能源发电技术未普及以前，我国以煤炭、石油、天然气等一类的常规能源为主，网络的真正覆盖面积受地理条件等多种原因的限制。随着国家基本建设的不断深入，电力事业也随之蓬勃发展。利用新能源发电技术，在电网形式上，电网形式也有了很大的变化，现代电力系统主要采用微网拓扑结构，能够与区域内的自然环境进行“软耦合”，使得区域内的电源能够在较大的区域内进行合理的配置，增强了应对突发事件的实力。电力系统微网拓扑结构如图3所示。

图3 电力系统微网拓扑结构

3.3 能够节约供电成本

针对常规的光伏发电技术，由于其电源往往要经过长时间的高电压传输，为了保证其稳定、可靠的供电，需要对其进行功率调整，采用新能源技术，使此类设备用量进一步减少，同时也可降低电力供应费用。电力供应费用的主要减少方式如下。

一是要构建健全的电力市场交易机制，以价格为导向，以各种类型的电源为主体，构建电力实时交易系统，利用节点电价、阻塞电价等信息，优化不同类型的电源及网架，使其与新能源发展相协调。

二是要建立以市场为导向的新能源消纳制度。不同区域间的资源禀赋不同，保证清洁能源的合理输送是实现新能源消纳和降低其消纳费用的重要途径。要保证清洁能源的跨区域传输，必须突破区域之间的屏障，扩大区域的可接受性。

三是建立健全电力市场交易价格体系。此时可以利用 DSM 及时调整新能源的波动，降低负荷，提高系统的灵活性。例如，尝试实施两种类型的能源交易，一种是根据每一单位 GDP 的能源消耗来确定能源价格，并以此来确定能源价格。另一种是在推动地区碳减排过程中，对现行的绩效评价体系进行变革，以激励其主动参与到碳减排中来。

4 新能源发电技术在电力系统中的应用研究

4.1 风能发电技术在电力系统中的应用

风力发电是通过风力驱动风车叶片转动，通过增速机提高转速，从而驱动发电机发电。风力发电机是风电系统中的主要设备，主要由风轮装置、发电机和塔架组成。

4.1.1 风轮装置

风能装置是将风能转化为机械能的装置。利用水轮机、蒸汽轮机、柴油机等多种能源，将水轮机、汽轮机、燃料燃烧、核聚变等能源转变为机械能，然后通过发电装置将电力转变为电能。风力带动叶片旋转，产生机械能。

4.1.2 塔架

塔架是用于风轮、船尾，以及发电机的一种支撑结构。在设计过程中，要充分考虑地面障碍物对风场的影响，同时要保证风场与风叶之间的安全距离，使其能够满足风机装置的使用需要。

4.1.3 发电机

发电机是一种将由风能产生的不变机械能转变为电力的装置。要保证风力发电机的高效率、高效率的工作，就必须要有各部分的协调配合。通过发电机的转换功能将风力转换为电能，利用尾翼来调整风的方向，获得最优的机组效率。该方法利用电机定子绕组的电阻，将电机的磁场截断，实现了机械能向电能的转化。在冬天，为了减少机组的运转消耗，可以采取自然进气，机械排气的方法。

风能发电的公式为：

式中：pt为空气密度，kg/m3；υ为风速，m/s；t为时间，s；S 为截面面积，m2。

风能是一种常见的风能利用的计算公式，主要与风速、空气密度、风所流经的面积等三个要素有关，要确保风能发电技术可以有效应用到电力系统中，充分发挥设施的功能，有关的电力企业技术研究人员必须以此为依据，将这些特性与风能发电技术的应用相结合，为风能发电技术的应用创造出一个良好的、合适的使用环境。

4.2 太阳能发电技术在电力系统中的应用

太阳能发电主要指的是利用光电效应，将太阳能经过设备的变换，从而产生出可以利用的电能，再通过逆变器，将直流电直接转换成交流电。从实际情况来看，在阳光比较充足的情况下，太阳能发电技术可以直接将电能输入到电网中，如果光线不好，电力系统则会自动感应停止并网，直到太阳能发电恢复之后才进行并网工作。

4.2.1 电压稳定技术

恒定电压追踪技术的目的是在不同的光照条件下，确保太阳能发电设备的输出电压是稳定的，并且可以实现最大的输出功率。众所周知，太阳能发电对于光线的依赖程度很高，光线好的时候，就会有更多的电量，而在恶劣的时候，则会有更低的电量，这种电量波动很大，很难与外界的电网相连。

为解决这一问题，人们在太阳能发电并网中引进了电压稳定技术，即将光伏阵列在不同温度下的最大发电功率记录到芯片中，通过传感器实时监测光伏阵列的温度，选择一个适当的电压强度。还可以在太阳能并网中设置类似于光伏阵列的光伏组件，实现对开路电压的实时监测，并通过最大功率工况下的最大电压特性，提高光伏组件的电压稳定性[2]。

4.2.2 抗孤岛技术

孤岛效应是指电网出现故障问题或者停电检修时出现跳脱，光伏并网系统没有检测出停电问题，导致并网系统与外部电网相分离，导致并网系统与周围负载形成自给自足的局面。在光伏并网系统中，如果发生了“孤岛”现象，将会给在输电线上的检修人员带来安全隐患，同时也会给配电网的保护开关带来巨大的损害。

为有效地防止这种情况，必须选用抗孤岛的逆变电源，使得其既具备较强的过载能力，又具备较强的抗冲击性能，并提高其对电网的适应性。在光伏发电系统中，可以在发生“孤岛”现象时，迅速关闭逆变电源。目前，对太阳能发电并网发电的抗孤岛保护主要分为：一是防孤岛保护，也就是通过制止并网发电系统所执行的孤岛运行计划，从而达到良好的继电保护；二是无源抗孤岛保护，无源抗孤岛保护可以通过逆变器实时监测交流电源的电压和频率，及时发现电压和频率的异常情况，进而发现孤岛故障，并在第一时间将其关闭。

4.3 生物质发电技术在电力系统中的应用

生物质发电技术指的是一种将生物体能源转化为电能的技术，具体内容包括了农林废物发电、垃圾发电和沼气发电等。同时，生物质发电技术作为一种可再生能源，其工作原理主要是采用厌氧发酵技术，对废物进行发酵，产生沼气，再用沼气来驱动发电机的稳定运行，从而达到发电的目的[3]。但是这样的方式对于整个系统的运行速度有着极大的限制，一般都是在一些特殊的场合，比如一些需要更高安全性能的场合才会使用。

5 结语

随着我国经济社会的持续发展，我国社会各方面对用电的需求量越来越大。因此，各级相关部门都在采取不同的措施来应对这一问题。在电力系统中，将新能源发电技术的合理应用，能够有效地解决这些问题。能够为建立一种节约资源、保护环境的生产生活方式提供技术支持，且能够更好地治理污染，保护环境。为此，本文分别就多种新能源发电技术在电力系统中的应用进行了深入探讨，以助推我国电力行业的持续发展。