风电与光伏发电中关键技术研究

国核电力规划设计研究院有限公司 苗 青 王 霞 北京振中电子技术有限公司 纪 苹

风能和光能属于清洁型能源，在实际运行中拥有低成本、无污染等优势，符合新时期的绿色发展要求。因此，风力发电、光伏发电等新能源技术在当前的电力生产中得到广泛利用，相应技术也是现阶段较为常用的集中新能源发电重要技术，为促进现有电力生产能源结构不断优化创新，需要针对相关技术进行深入研究，促进我国电力生产系统不断创新。

1 研究背景

随着科学技术的发展，进一步促进风电以及太阳能发电技术发展，并受到人们广泛关注，特别是在相关技术体系实施中具有独特优势。立足于主观层面进行分析，风力发电以及光伏发电技术能够满足城市居民基础用电需求，同时具备重复再生特征，满足我国当前可持续发展诉求。笔者认为，风力发电以及光伏发电技术想要实现进一步发展和持续性应用，需要不断深化技术创新研究，突破现有技术指标，提升电能综合质量，扩大电能综合生产效率[1]。

2 风电与光伏发电技术应用现状

2.1 风电应用现状

当前，风力发电已经成为一种主流发电技术，结合相关调查数据分析，全球风能总量达到2.74×109MW，对应可利用风能达到2×77MW。风能属于可再生、清洁能源，广泛应用于发电生产当中，具有较高的经济效益和社会效益，发展潜力较大。我国2020年年底新增装机容量达到19087万kW，风电并网装机达到7167万kW，所占比例达到37.5%，风电装机总计突破2.8亿kW。

2020年风电总发电量达到4665亿kWh，在社会总用电75110亿kWh 中所占比例达到6.2%，同比增长达到15%。风力发电从技术体系以及技术原理层面分析较为简单，从发电领域主要表现如下：基于风力发电这一基础载体能够进一步提升国内综合发电量，实现对人们日常生活、工作与生产等多方面用电需求的切实满足。持续改进相关技术方法和技术体系，推动风力发电技术进一步升级，结合其他先进技术的融合利用，促使风能的综合利用率持续提高，实现可持续发展。

图1 风力发电工作原理

风力发电技术实际运行中，想要进一步提升发电机组单机容量，需要进一步增加塔架高度、延长叶片长度。但该种措施并不适合所有发电机组，为此需要不断深化研究，促进技术优化创新，这也是未来电力产业主流发展趋势。此外，风力资源拥有可持续利用特征，在电力生产中能够发挥出节约能源、控制环境污染等成效。尤其是在可再生能源总量持续下降中，风力发电技术应用前景扩大。比如，创建风电场能够对农网、电网相关电力进行有效补充，进而满足山区以及边远区域日常用电要求[2]。

风力发电技术全面推行背景下，我国电力供应迈入全新局面，电能生产效率明显提升。但是，受到社会高速发展、人口增加等多种因素的影响，传统的发电技术无法切实满足现实的电能需求，因此必须落实对发电新技术的研发与应用，如风力发电技术。针对具体发电量以及发电生产稳定性开展深入剖析，促进电价逐步降低，具体见表1。一些地区尽管拥有足够电能，但却未能得到充分利用，为此需要提高重视。综合考虑成本、效益合理建设风力电站，确保满足国家行业标准。不断完善技术体系、简化相关技术措施，改善烦琐复杂的技术程序，优化发电质量，提升发电生产效率。

表1 2020-2022年风力发电电价表

2.2 光伏发电应用现状

光伏发电技术主要是利用半导体材料，发挥出某种光伏效应，从而进一步使太阳能向着固态电能的方向转变，以此实现对太阳能的高效利用。结合现有研究能够明确的是，全球光伏发电总量约为67.4GW，而我国则仅仅达到3GW。2019年，我国相关补贴政策推出，2020年各种竞价项目、平价项目落实，我国新增光伏装机达到4820万kW。立足于相关政策措施、电源成本以及光伏发电技术分析，预估2050年的光伏发电技术现状预估结果见表2。

表2 2050年光伏发电应用状况（商业用电为例）

应用20MWP 并网发电技术完成某光伏发电站的搭建，当该光伏发电站稳定投产运行后，整年发电量可以提升至2714.25万kWh。同时，在该光伏发电站实际运行期间，发生故障弃光以及电网弃光等问题的概率更低，使月利用率以及发电单元利用率可以长期保持在100%的水平。可以明确的是，光伏发电技术本身所拥有的优势性明显，可以更好抵抗多种外部因素的影响，提升无电区日常生活的便利程度，经济效益、社会效益均保持在相对较高的水平。

相比于传统发电技术来说，光伏发电技术的应用优势更为明显，不会受到地域条件的限制，能够为不同地形条件下的所有地区提供电力支持。光伏发电不会产生污染，但各种光伏组件的加工生产中容易影响环境。为此，需要重点关注光伏发电站的建设过程，在有效减少成本投入、控制设备内耗基础上，优化控制相关资源。相关电力企业应该结合对本行业的制约因素，通过合理制定相关政策措施，优化调整电价、完善行业发展规划，采取并网措施，确保其在创新电网综合运行体系基础上，改善风电并网问题[3]。

3 风电与光伏发电关键技术分析

3.1 风电技术

笔者在工作中致力于对风电技术的研究，特别是定速风力发电技术，这也是一种借助双速感应发电机进行电力生产的风电技术措施，将小功率低感应电机加设在低风速区域；将大功率高速感应电机加设在高风速区域，以此展开电力生产。期间，如果在实际的发电系统设置区域内，存在着现实风速高于标准限度的情况，可以在叶片失速原理的指导下实现对风能的有效控制，对风能利用系数进行优化调整，更为灵活地控制风能的具体消耗。需要注意的是，在定速风力发电系统的实际生产运行期间，该系统所对应的风能利用系数最大值势必会发生一定程度的偏差，使得风能的现实利用率有所下降。基于这样的情况，需要企业风机长期维持在低效运行的状态下。

以某风电项目为例进行说明。在该项目中，装机总容量达到19.2万kW，拟在项目中完成60台风电机组的搭建，分别布设在山脊北段、中段区域。2022年10月，该项目进行了首台机组的吊装施工作业，预计到2023年9月完成全部机组建设并投入实际的发电生产。项目中采用B900B 型叶片，将其配套在东方风电5MW 等级陆上风电机组中，其中机组的叶轮直径为183m，这种规格参数的叶片适合用在多个风区，主梁位置使用了玻纤拉挤板材料，有效保障风电机组的设备质量。

在区域内的风光互补绿色清洁可再生能源示范基地完成建设并投入实际应用后，每年度可以提供的清洁电能保持在高于2200亿kWh 的水平。在本项目中，风电等效年利用小时数达到2612h，在建成后，可以面向全省每天提供共5亿kWh 清洁电能，为21万户家庭的全年用电提供充足的电能支持。同时，发电生产期间，每年能够节约16万t 的标准煤，减少40万t 的二氧化碳排放，实际所表现出的节能减排效果理想。

在该风电项目中，笔者参与了变速风力发电技术的应用，具体实践中，主要在风力发电系统内全面融合增速齿轮箱、全功率变流装置、变流器、双馈感应系统以及并网控制器等装置。针对双馈感应器搭配系统变流器展开整体性设计，以此确保其在后续使用阶段可以保持在正常的发电状态下。如果变流器的相关容量明显低于额定功率，即保持在20%～30%额定功率的范围内，则相应发电器件实际所能够显现出的经济优势更为理想。在电网故障条件下，能够落实对低压快速穿越的利用，并在系统电流峰值有所提升后，促使电力系统保持在安全运行状态下，体现出对风力发电系统的有效保护[4]。

3.2 光伏发电技术

在光伏电池的支持下，结合光电效应的利用，促使太阳能向着电能方向转化，以此实现光伏发电。对于光伏电池而言，其主要运行原理为：半导体P-N 结形成光生伏特效应。光伏发电关键技术如下，独立光伏发电技术也被称作是离网光伏发电技术。和并网发电系统相比，独立光伏发电系统拥有一套相对独立的发电系统，隔离系统通常用在偏远地区，旨在解决当地的无电问题，保障供电可靠性，防止光伏发电受到气候或负荷等因素的影响。

笔者参与的光伏发电项目中，致力于对独立光伏发电系统的应用与研究，其中独立光伏发电系统主要包括蓄电池、控制器以及太阳能电池组件等部件组成。项目内建设了孤立光伏电站，独立光伏发电系统就被用在照明条件良好且对电力负荷需求比较大的区域，电站的容量可以达到几十千瓦，整个电站包含了光伏电池板阵列、蓄电池与变流器等部分，白天系统会为蓄电池充电，完成光伏水泵与设备供电，夜晚系统将会控制蓄电池进行逆变放电。

对电站进行科学规划建设时，蓄电池的合理应用至关重要，特别是对于夜里用电或用电率比较高的电动机，需采取动态负荷的用电模式。如果系统是以交流负载供电为主，则电力系统内会设置交流逆变器，可以进一步划分为两种子系统，即交流、直流两种形式的光伏发电系统。该种电力系统实际运行中，对于光照条件较好情况下，光伏发电列阵可以实现向着电力负荷展开功率传输，并为太阳能电池充电。

如果光伏发电系统内部设置了逆变器，则系统在实际运行期间可以直接完成对电池直流功率、列阵功率的转化，促使功率降低、保持在50～60Hz的范围内，并对额定功率整体控制效率进行持续提高，达到85%～95%的范围内。在阳光充足且负载需求偏高的海岛、无电村落等环境中，更加适合搭建并使用独立光伏发电系统。在相应系统的覆盖范围内，用电用户相对集中，构建容量规模在10～100kW 范围内的立式光伏系统即可。在日照条件下，光伏发电系统能够向着蓄电池充电；充满电后，向光伏水泵、加工设备等提供电能，结束供电后展开抽蓄水等多种生产活动。在夜间没有光照的条件下，蓄电池转入逆变放电状态，以此确保能够为电力用户，以及相关电力设备提供正常的供电服务。

4 结语

综上所述，在新时期发展中，资源不足以及生态环境污染不断加剧，人们对于绿色生产重视程度持续提升，以太阳能和风力资源为基础的光伏发电技术，以及风电技术能够在满足社会电力生产基础需求同时，提高电力生产清洁性，进一步降低电力生产中的污染问题和能源损耗。为此，需要电力产业积极迎合新时期发展潮流，深化电力生产技术研究，扩大电力系统各种清洁、可再生能源利用比例。