可再生资源发电及其并网问题研究

2016-11-17 10:26 [新能源论文] 来源于：互联网作者：互联网

导读：摘要：面对能源危机和环境污染新型可再生能源成为人类发展的潜在出路，而可再生资源资源量大、分布普遍的，将可再生能源转换为电能的发电技术已成为世界发展最快高新技术产业之一，特别是可再生能源发电并网发电成为人们关注的焦点。关键词：可再生能源储

　　摘要：面对能源危机和环境污染新型可再生能源成为人类发展的潜在出路，而可再生资源资源量大、分布普遍的，将可再生能源转换为电能的发电技术已成为世界发展最快高新技术产业之一，特别是可再生能源发电并网发电成为人们关注的焦点。

　　关键词：可再生能源储能技术并网系统

　　0 序言

　　随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益显现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全及可靠性的要求以及多样化的供电需求。暨世界范围内接连发生的几次大面积停电事故后，传统大规模电网暴露出了其脆弱性。 2007年我国南方雪灾给南方电网造成巨大影响，使人们深刻反思，除了单一扩大电网规模，建设超高压输电网外，利用新能源以及可再生能源在负荷处就近供电，降低负荷对大电网的依赖无疑对提高供电安全性和可靠性起到至关重要的作用。

　　1可再生资源发电技术[1]

　　（1）微型燃气轮机技术。微型燃气轮机是指以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。其特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单，但发电效率可达30 % ，如实行热电联产，效率可提高到75 %。

　　（2）燃料电池技术。燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。工作时，直接将燃料中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。

　　（3）太阳能光伏发电技术。太阳能的转换和利用方式有光热转换、光电转换和光化学转换。目前，技术比较成熟且应用广泛的是光电转换，也就是太阳能光伏发电技术。该技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能，具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。

　　（4）风力发电技术。风力发电技术是将风能转化为电能的技术。近年来，风力发电技术进步很快，风力发电与光伏发电联合运行也是近年来的主要技术应用之一。

　　（5）生物质能发电技术。生物质能发电是首先将生物质能资源转化为可驱动发电机的能量形式（如燃气、燃油、酒精等），再按照通常的发电技术发电。我国生物质能资源主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物（植物）、工业有机废水、城市生活污水和垃圾等。

　　（6）海洋能发电技术。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同形态的能源。目前，海洋能发电多数处在试验阶段，比较成熟的只有潮汐能发电技术。潮汐能发电和水力发电厂相似，是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电。

　　（7）地热发电技术。地热能是来自地球深处的可再生热能，地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要具有庞大的锅炉，也无需消耗燃料。

　　2新能源发电的并网问题

　　2.1 什么是可再生能源并网发电系统

　　可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。

　　因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统本钱。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为外地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。

　　可再生能源有独立供电和并网供电两种形式。目前，可再生能源的独立供电主要是针对边远无电地区，而要解决我国南方雪灾情况下的就近供电，就必须采用并网供电。所以为了提高其利用率，可再生能源必须由独立供电向并网供电方向发展。

　　在整个并网系统中，逆变器是最主要也是最重要的部分。以太阳能发电系统和风力发电并网系统为例。并网太阳能发电系统由光伏组件、光伏并网逆变电源量装置组成。光伏组件将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。并网逆变电源是光伏并网发电系统的核心设备。风机并网发电系统由风力机、风机控制器、风机并网逆变电源及计量装置等组成。风机将风能转化为交流电能，通过风机控制器再转换为直流电能，经风机并网逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。风机并网逆变电源是风力并网发电系统的核心控制设备，它将风机发出的交流电整流成直流电力，然后逆变成交流电最大限度的馈入电网。

　　2.2 并网系统的系统原理

　　如图1所示为一个典型的可再生能源发电系统。系统中发电装置包括常见的风力发电、光伏发电以及燃料发电等，同时还包括了各种储能技术，各个发电装置通过各自的变流器连接在一起形成直流总线。同时，直流总线上通过变流器连接有储能环节。直流总线通过并网逆变装置得到交流电，经过电能监控与管理装置既可以挂接到公共电网实现并网发电，也可以接交流负载。在此系统中除了单纯的可再生资源发电以外，还加入储能环节，可以利用各种储能技术储存多余能量。此外电能监控与管理系统具有电能自动化系统的功能。

　　单纯的可再生资源发电系统，储能环节是可以省略的，但如果针对固定负载供电的并网发电系统，带一定数量的储能蓄电池是必须的，还有就是多功能并网系统也需要带有储能系统。

　　如图1所示的并网发电系统，在能源充足的情况下，发电系统首先满足负载用电，如果还有富余的电能可以通过电能管理系统结合当时的电价以及当时负载用电量的需求情况决定是优先通过向电网卖电还是进行储能，等负载用电需求量达到高峰期再向电网卖电。这样灵活应用储能系统的充放电来追求可再生资源并网发电系统的经济运行机制，这样的储能环节完全不同于独立可再生资源并网发电系统的储能系统，这样的并网机制也不同于一般不带储能环节的并网发电系统。　　2.3 并网系统的拓扑结构

　　如图2所示并网拓扑结构有很多形式，最普遍的有采用单级变换和两级变换拓扑结构，两级变换拓扑结构一般由形式多样的DC/DC变换器和DC/AC并网逆变器组成。

　　前端的DC/DC变换器一般是比较常见的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK或者是推挽电路等等，用来实现电池输出功率的最大功率跟踪，前端DC/DC环节还需要实现蓄电池储能功能；而DC/AC一般是单相或三相的并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能，如果是单级变换拓扑结构就只有后端的DC/AC部分[4][5]。

　　3 储能技术

　　（1）超级电容器储能[1]。超级电容器通过使用一种多孔电解质加大两极板的面积，从而使储能能力得以提高，有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电，且使用寿命长，不易老化，还具有一些自身的优势，它没有可动部分，既不需要冷却装置也不需要加热装置，在正常工作时，内部没有发生任何化学变化。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，可适应各种不同的环境。

　　（2）蓄电池储能。蓄电池储能目前在市场上占主要地位，是电力系统中广泛应用的储能技术之一。根据所使用的不同化学物质，蓄电池分为多种类型，如铅酸电池、MH-Ni电池等。它可与超级电容器联合使用，既发挥了超级电容器功率密度大，又发挥了蓄电池能量密度大的优势。

　　（3）超导储能。超导储能装置将能量储存在由电流超导线圈产生的磁场中，将超导线圈浸泡在温度极低的液体（液态氢等）中，然后放在密闭容器中。然而超导线圈放置在温度极低的环境中是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成功，超导储能的前景难以估量。

　　（4）飞轮储能[2]。飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮装置中。目前使用的飞轮技术主要有高速飞轮系统（飞轮较小，转速极快）、低速飞轮系统（飞轮较大，转速相对较慢）。飞轮储能系统的能量密度较大，占据空间相对较小，但是其功率密度相当低，不能像超级电容器那样快速地释放其储存的能量。然而只要设计合理，加上飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长等优点，将飞轮储能系统应用发电系统中是很有竞争力的。

　　4 结束语

　　可再生资源发电并网技术相对可再生资源能应用来说，目前的发展还处在初期。2030年之后会有稳定且很高的增长率。到2030年可再生资源发电并网发电将成为可行的电力供应者，此后市场将继续全速增长。商业技术会进一步快速成熟，发电成本会继续降低。所以可再生资源发电将成为一个标准和公认的选择，它与其它可再生能源一起，将成为安全有力的能源供应者，在需要的时间和地点支撑电网或单机模式的电力供应。

　　参考文献

　　[1] 李鹏，张玲，盛银波. 新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径——微网技术[J].华北电力大学学报，2009，36（1）：10-14

　　[2]程华，徐政.分布式发电中的储能技术[J].高压电器，2003，39（3）：53-56.

　　[3] 张金波，康龙云. 可再生能源并网发电仿真[J].电工技术杂志，2004（11）：58-60

　　[4]Frede Blaabjerg，Zhe Chen，and Soeren BaekhoejKjaer.“Power Electronics as Efficient Interface in Dispersed Power GenerationSystems”.IEEE TransPowerElectron，VOL19，pp.1184-1192，NO.5，SEPTEMBER 2004

　　[5]Nobuyuki Kasa，Member，Takahiko Iida，and Liang Chen.“Flyback Inverter Controlled by Sensorless Current MPPT for Photovoltaic PowerSystem”，IEEE Trans.PowerElectron，VOL.52，NO4，AUGUST 2005

（编辑：东北亚）

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