可再生能源发电系统的发展与并网技术应用

赵星竹　尹常永

摘 要：在中国可再生能源开发利用背景下，介绍了风能、太阳能可再生能源发电系统和风光互补发电系统的能源利用状况，以及相关技术的研发和应用。并从电网连接方式、最大功率点跟踪、谐波抑制和无功补偿三个方面，着重阐述了可再生能源發电系统并网技术的应用和发展。

关键词：可再生能源发电；风力发电；光伏发电；并网技术

关键词：电网运行方式；管理方式；经济运行；策略分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.162

1 引言

我国的电力工业主要是火力发电，煤炭需求量巨大，能源的过度开采利用破坏了生态环境，并造成一系列环境污染问题。可见非可再生能源的长期发展和利用并不适用于国家当前政策。随着社会经济发展与能源匮乏问题的凸显，可再生能源逐渐成为最理想的资源。能源充足是一个国家社会经济稳定发展的前提与保障，而在世界范围内，为确保经济发展导致能源过度开采的国家不在少数。能源短缺造成能源需求的不断增大，这样的恶性循环使开发利用可再生能源成为各国解决能源问题的必要措施。在当今的能源背景下，可再生能源是我国优先发展的重中之重，可再生能源可循环再生，具有取之不尽用之不竭的特点，且资源分布广泛，对环境危害小，适合就地开采。太阳能与风能是我国使用规模较大、开发技术更成熟的可再生能源。在电力行业，新能源发电系统已成为电力系统内的主要成员。

2 几种可再生能源发电系统

2.1 风力发电系统

我国风能资源丰富，约10亿千瓦的风能可以发掘，这也是风力发电在可再生能源领域迅速发展的原因之一，根据专家预测，我国风电装机总量在2050年可达到4亿千瓦。将风能转换为机械能再通过发电机将机械能转换为电能就是风力发电的大体过程。按照运行控制方式，将风力发电系统分为恒速恒频和变速恒频发电系统进行阐述。恒速恒频风力发电系统主要应用于早期风力发电，在现在的风力发电场中仍然得到广泛应用，并网运行时恒速恒频发电系统中的风机转速由电网频率决定不随风速改变。该系统主要应用异步电机，当采用笼型异步发电机时，发电机定子绕组和电网前的变频器作用使发电机输出的电压频率与电网频率相同，由于变频器与发电机相连且容量相同，导致所需变频器容量大，需要安装无功补偿装置。恒速恒频风力发电系统结构简单，易于控制，但由于风机的速度不随风速变化，错失了最优转速，从而降低了风能利用率。变速恒频发电系统是风力发电技术发展的产物，是我国风力发电的主要研究领域。在变速恒频发电系统中风机转速可根据风速变化而调节，增加了风能利用率，进而提高了发电效率。发电机定子和转子均可向电网输出功率，转子侧功率可实现双向输出，能量损失小，可根据发电机运行状态灵活调节。

2.2 太阳能光伏发电系统

光伏发电系统的高利用率和无污染等特性保证了光伏发电的研究优势。近年来，中国在全球太阳能光伏发电领域一直处于领先的位置，在相关政策支持下光伏安装量逐年增长，我国太阳能光伏发电总量在2015年达到了20GW，位居世界第一的位置。光伏发电系统主要由光伏模块和光伏逆变器组成。光伏发电选用光电直接转换方法，利用半导体的光生伏特效应将太阳能转化为电能，然后通过逆变器将转换来的直流电逆变成符合电网要求的交流电再并网，以完成整个发电并网过程。此外，由于并网型光伏发电系统既连接电网又连接负载，所以系统的不稳定为电网和负载都带了影响，那么就需要一个电能调节部分--储能元件，例如控制器可以调节蓄电池组根据系统可输送电能的多少进行充放电以满足负载要求。光伏电池多种多样，根据材料分为单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池和多元化合物光伏电池。在系统中单个光伏电池通常按一定的方式连接成组件使用以提升效率。光伏逆变器的作用是对输出电能进行控制调节，为光伏并网发电系统的核心元件。在系统中主要应用的是电流控制型逆变器，它的作用是调节电流的相位和幅值使得电压和频率满足并网要求。

2.3 风光互补发电系统

由于风能、太阳能发电系统单独运行时多受天气因素的影响，无法做到全天候规律发电，会在一定程度上影响系统供电的稳定性，因此促成了风光互补发电系统的发展。在风光互补发电系统中，两种自然互补能源合理配置发电，弥补了两种资源的不足，具有良好的发展前景。在风光互补发电系统中由风光互补控制器调控风电与光电共同向蓄电池组充电，再以蓄电池组为中枢逆变成交流电向电网和负载输送。在系统中风光互补控制器和蓄电池可以调节能量传输过程。控制器可以根据外部环境变化情况，在日光照射强度、风向、风力等因素的影响下调节蓄电池组储存或输送电能，确保负载用电并使整个系统在恒压条件的安全稳定，在风光互补发电系统中，发电功率是风机额定功率和光伏电池最大功率的总和。近年来风光互补发电应用广泛，在通信、电站和照明等场所发挥作用。根据相关资料报道，目前在西藏、内蒙地区已有风光互补发电系统投入运行使用。

3 可再生能源发电系统并网技术应用

可再生能源发电系统在为我们节约资源、降低污染、提升效益的同时，也影响了电网稳定供电。由于我国以火力发电为主，再加上可再生能源本身并不稳定的特性，使可再生能源发电系统在并网时会影响电力系统的稳定运行，往往需要相应的技术来调整可再生能源发电系统的适配性，使可再生能源发电系统安全并网的同时保证电能质量与发电效率，下面主要从以下三个方面阐述可再生能源发电系统并网技术应用。

3.1 并网方式

在并网方式上，由于可再生能源发电系统输出电能要保证与电网对应端电压幅值、频率和相位完全相同，因此需要电力电子设备进行电能调节。如光伏发电系统中应用的并网逆变器，电流控制性型光伏并网逆变器可以使并网的功率因数接近于1，并且控制并网电流波形接近正弦，从而提升发电效率和电能质量。此外，光伏并网逆变器多装配隔离变换器，采取隔离方式防止直流电流进入电网。风力发电系统可直接并网也可通过变频器并网，受风速变化的影响，风力发电机发电频率并不稳定，而变频器可以将风力发电频率同化为电网频率，使风力发电机的频率与电网频率相隔离，并网时在很大程度上减少了冲击电流与冲击转矩的生成，进一步提升了电能质量。此外，在风力发电系统中同步风力机运行时经励磁调节可实现无功功率补偿，在并网方式上可以选择自动准同步并网和自同步并网，而异步风力机可选择直接并网、降压并网和晶闸管软并网（通过晶闸管软并网来限制冲击电流）。endprint

3.2 最大功率点跟踪控制技术

可再生能源发电与最大功率点跟踪控制技术相结合，可以有效地提高资源利用率，同时确保发电。光伏发电系统采用最大功率点跟踪技术来控制系统的功率，因为光伏发电系统受光强、温度变化等不受控制因素的影响，系统输出功率难以根据一定规律跟踪最大值，光伏发电系统的最大功率点跟踪控制是调整光伏电池阻抗和位置，在最大

功率点上运行系统。在风力发电系统中最大功率点跟踪控制方法主要有最佳叶尖速比法和功率信号反馈法，前者通过调节风机转速控制风机叶尖速比为最佳值，保证捕捉最大风能，操作简单易于实现，但依赖于风速测量难免有误差较大的问题。后者不需要测量风速，根据绘制的输出功率曲线和实际风机转速预测相应的最大输出功率，在调节器中控制鼓风机捕捉最大功率点。

3.3 谐波抑制和无功功率补偿

在可再生能源发电系统中，有大量电力电子设备，这些不稳定的非线性器件在电网连接时会给电网带来大量的谐波和无功功率，严重影响电能质量。传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，根据电容和电感的谐振特性，用并联方式补偿无功功率，并共享部分谐波分量。虽然无源滤波技术成熟且易于操作，但只能抑制固定频率的谐波，容易产生谐波，只能补偿静态无功功率，而自身适应性差只能在稳定的运行条件下使用。因此，提出采用PWM逆变器构成有源电力滤波器接入的有源电力滤波技术。有源滤波技术具有良好的补偿特性，可以抑制谐波，并在一定程度上弥补无源滤波技术的不足。有源电力滤波器可以与LC无源滤波器相结合，目的是结合二者的优点得到更好的性能。

4 结束语

可再生能源的開发利用已然成为今后发展的必然趋势，而随着资源利用的不断深入以及相关技术水平的不断发展，也逐渐出现模式上的缺陷和技术水平的不足。可再生能源的开发需要科学工作者在思维和技术上不断创新，推动其更广阔的发展领域。

参考文献：

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