可再生能源發(fā)電系統的發(fā)展與并網(wǎng)技術(shù)應用

1　引言
　　我國的電力工業(yè)主要是火力發(fā)電，煤炭需求量巨大，能源的過(guò)度開(kāi)采利用破壞了生態(tài)環(huán)境，并造成一系列環(huán)境污染問(wèn)題?？梢?jiàn)非可再生能源的長(cháng)期發(fā)展和利用并不適用于國家當前政策。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展與能源匱乏問(wèn)題的凸顯，可再生能源逐漸成為理想的資源。能源充足是一個(gè)國家社會(huì )經(jīng)濟穩定發(fā)展的前提與保障，而在世界范圍內，為確保經(jīng)濟發(fā)展導致能源過(guò)度開(kāi)采的國家不在少數。能源短缺造成能源需求的不斷增大，這樣的惡性循環(huán)使開(kāi)發(fā)利用可再生能源成為各國解決能源問(wèn)題的必要措施。在當今的能源背景下，可再生能源是我國優(yōu)先發(fā)展的重中之重，可再生能源可循環(huán)再生，具有取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，且資源分布廣泛，對環(huán)境危害小，適合就地開(kāi)采。太陽(yáng)能與風(fēng)能是我國使用規模較大、開(kāi)發(fā)技術(shù)更成熟的可再生能源。在電力行業(yè)，新能源發(fā)電系統已成為電力系統內的主要成員。
2　幾種可再生能源發(fā)電系統
2.1　風(fēng)力發(fā)電系統
　　我國風(fēng)能資源豐富，約10 億千瓦的風(fēng)能可以發(fā)掘，這也是風(fēng)力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域迅速發(fā)展的原因之一，根據，我國風(fēng)電裝機總量在2050 年可達到4 億千瓦。將風(fēng)能轉換為機械能再通過(guò)發(fā)電機將機械能轉換為電能就是風(fēng)力發(fā)電的大體過(guò)程。按照運行控制方式，將風(fēng)力發(fā)電系統分為恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統進(jìn)行闡述。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統主要應用于早期風(fēng)力發(fā)電，在現在的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中仍然得到廣泛應用，并網(wǎng)運行時(shí)恒速恒頻發(fā)電系統中的風(fēng)機轉速由電網(wǎng)頻率決定不隨風(fēng)速改變。該系統主要應用異步電機，當采用籠型異步發(fā)電機時(shí)，發(fā)電機定子繞組和電網(wǎng)前的變頻器作用使發(fā)電機輸出的電壓頻率與電網(wǎng)頻率相同，由于變頻器與發(fā)電機相連且容量相同，導致所需變頻器容量大，需要安裝無(wú)功補償裝置。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統結構簡(jiǎn)單，易于控制，但由于風(fēng)機的速度不隨風(fēng)速變化，錯失了轉速，從而降低了風(fēng)能利用率。變速恒頻發(fā)電系統是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是我國風(fēng)力發(fā)電的主要研究領(lǐng)域。在變速恒頻發(fā)電系統中風(fēng)機轉速可根據風(fēng)速變化而調節，增加了風(fēng)能利用率，進(jìn)而提高了發(fā)電效率。發(fā)電機定子和轉子均可向電網(wǎng)輸出功率，轉子側功率可實(shí)現雙向輸出，能量損失小，可根據發(fā)電機運行狀態(tài)靈活調節。
2.2　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統
　　光伏發(fā)電系統的高利用率和無(wú)污染等特性保證了光伏發(fā)電的研究?jì)?yōu)勢。近年來(lái)，中國在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域一直處于的位置，在相關(guān)政策支持下光伏安裝量逐年增長(cháng)，我國太陽(yáng)能光伏發(fā)電總量在2015 年達到了20GW，位居一的位置。光伏發(fā)電系統主要由光伏模塊和光伏逆變器組成。光伏發(fā)電選用光電直接轉換方法，利用半導體的光生伏應將太陽(yáng)能轉化為電能，然后通過(guò)逆變器將轉換來(lái)的直流電逆變成符合電網(wǎng)要求的交流電再并網(wǎng)，以完成整個(gè)發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程。此外，由于并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統既連接電網(wǎng)又連接負載，所以系統的不穩定為電網(wǎng)和負載都帶了影響，那么就需要一個(gè)電能調節部分-- 儲能元件，例如控制器可以調節蓄電池組根據系統可輸送電能的多少進(jìn)行充放電以滿(mǎn)足負載要求。光伏電池多種多樣，根據材料分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池和多元化合物光伏電池。在系統中單個(gè)光伏電池通常按一定的方式連接成組件使用以提升效率。光伏逆變器的作用是對輸出電能進(jìn)行控制調節，為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的核心元件。在系統中主要應用的是電流控制型逆變器，它的作用是調節電流的相位和幅值使得電壓和頻率滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。
2.3　風(fēng)光互補發(fā)電系統
　　由于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統單獨運行時(shí)多受天氣因素的影響，無(wú)法做到全天候規律發(fā)電，會(huì )在一定程度上影響系統供電的穩定性，因此促成了風(fēng)光互補發(fā)電系統的發(fā)展。在風(fēng)光互補發(fā)電系統中，兩種自然互補能源合理配置發(fā)電，彌補了兩種資源的不足，具有良好的發(fā)展前景。在風(fēng)光互補發(fā)電系統中由風(fēng)光互補控制器調控風(fēng)電與光電共同向蓄電池組充電，再以蓄電池組為中樞逆變成交流電向電網(wǎng)和負載輸送。在系統中風(fēng)光互補控制器和蓄電池可以調節能量傳輸過(guò)程?？刂破骺梢愿鶕獠凯h(huán)境變化情況，在日光照射強度、風(fēng)向、風(fēng)力等因素的影響下調節蓄電池組儲存或輸送電能，確保負載用電并使整個(gè)系統在恒壓條件的安全穩定，在風(fēng)光互補發(fā)電系統中，發(fā)電功率是風(fēng)機額定功率和光伏電池大功率的總和。近年來(lái)風(fēng)光互補發(fā)電應用廣泛，在通信、電站和照明等場(chǎng)所發(fā)揮作用。根據相關(guān)資料報道，目前在西藏、內蒙地區已有風(fēng)光互補發(fā)電系統投入運行使用。
3　可再生能源發(fā)電系統并網(wǎng)技術(shù)應用
　　可再生能源發(fā)電系統在為我們節約資源、降低污染、提升效益的同時(shí)，也影響了電網(wǎng)穩定供電。由于我國以火力發(fā)電為主，再加上可再生能源本身并不穩定的特性，使可再生能源發(fā)電系統在并網(wǎng)時(shí)會(huì )影響電力系統的穩定運行，往往需要相應的技術(shù)來(lái)調整可再生能源發(fā)電系統的適配性，使可再生能源發(fā)電系統安全并網(wǎng)的同時(shí)保證電能質(zhì)量與發(fā)電效率，下面主要從以下三個(gè)方面闡述可再生能源發(fā)電系統并網(wǎng)技術(shù)應用。
3.1　并網(wǎng)方式
　　在并網(wǎng)方式上，由于可再生能源發(fā)電系統輸出電能要保證與電網(wǎng)對應端電壓幅值、頻率和相位*相同，因此需要電力電子設備進(jìn)行電能調節。如光伏發(fā)電系統中應用的并網(wǎng)逆變器，電流控制性型光伏并網(wǎng)逆變器可以使并網(wǎng)的功率因數接近于1，并且控制并網(wǎng)電流波形接近正弦，從而提升發(fā)電效率和電能質(zhì)量。此外，光伏并網(wǎng)逆變器多裝配隔離變換器，采取隔離方式防止直流電流進(jìn)入電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統可直接并網(wǎng)也可通過(guò)變頻器并網(wǎng)，受風(fēng)速變化的影響，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電頻率并不穩定，而變頻器可以將風(fēng)力發(fā)電頻率同化為電網(wǎng)頻率，使風(fēng)力發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)頻率相隔離，并網(wǎng)時(shí)在很大程度上減少了沖擊電流與沖擊轉矩的生成，進(jìn)一步提升了電能質(zhì)量。此外，在風(fēng)力發(fā)電系統中同步風(fēng)力機運行時(shí)經(jīng)勵磁調節可實(shí)現無(wú)功功率補償，在并網(wǎng)方式上可以選擇自動(dòng)準同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)，而異步風(fēng)力機可選擇直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和晶閘管軟并網(wǎng)（通過(guò)晶閘管軟并網(wǎng)來(lái)限制沖擊電流）。
3.2　大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)
　　可再生能源發(fā)電與大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)相結合，可以有效地提高資源利用率，同時(shí)確保發(fā)電。光伏發(fā)電系統采用大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)來(lái)控制系統的功率，因為光伏發(fā)電系統受光強、溫度變化等不受控制因素的影響，系統輸出功率難以根據一定規律跟蹤大值，光伏發(fā)電系統的大功率點(diǎn)跟蹤控制是調整光伏電池阻抗和位置，在大功率點(diǎn)上運行系統。在風(fēng)力發(fā)電系統中大功率點(diǎn)跟蹤控制方法主要有葉尖速比法和功率信號反饋法，前者通過(guò)調節風(fēng)機轉速控制風(fēng)機葉尖速比為值，保證捕捉大風(fēng)能，操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現，但依賴(lài)于風(fēng)速測量難免有誤差較大的問(wèn)題。后者不需要測量風(fēng)速，根據繪制的輸出功率曲線(xiàn)和實(shí)際風(fēng)機轉速預測相應的大輸出功率，在調節器中控制鼓風(fēng)機捕捉大功率點(diǎn)。
3.3　諧波抑制和無(wú)功功率補償
　　在可再生能源發(fā)電系統中，有大量電力電子設備，這些不穩定的非線(xiàn)性器件在電網(wǎng)連接時(shí)會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)大量的諧波和無(wú)功功率，嚴重影響電能質(zhì)量。傳統的諧波抑制和無(wú)功補償方法是無(wú)源濾波技術(shù)，根據電容和電感的諧振特性，用并聯(lián)方式補償無(wú)功功率，并共享部分諧波分量。雖然無(wú)源濾波技術(shù)成熟且易于操作，但只能抑制固定頻率的諧波，容易產(chǎn)生諧波，只能補償靜態(tài)無(wú)功功率，而自身適應性差只能在穩定的運行條件下使用。因此，提出采用PWM 逆變器構成有源電力濾波器接入的有源電力濾波技術(shù)。有源濾波技術(shù)具有良好的補償特性，可以抑制諧波，并在一定程度上彌補無(wú)源濾波技術(shù)的不足。有源電力濾波器可以與LC 無(wú)源濾波器相結合，目的是結合二者的優(yōu)點(diǎn)得到更好的性能。
4　結束語(yǔ)
　　可再生能源的開(kāi)發(fā)利用已然成為今后發(fā)展的必然趨勢，而隨著(zhù)資源利用的不斷深入以及相關(guān)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，也逐漸出現模式上的缺陷和技術(shù)水平的不足?？稍偕茉吹拈_(kāi)發(fā)需要科學(xué)工作者在思維和技術(shù)上不斷創(chuàng )新，推動(dòng)其更廣闊的發(fā)展領(lǐng)域。