新能源发电及并网技术综述

新能源发电及并网技术
新能源发电及并网技术综述
摘要：随着化石燃料等传统能源的日益枯竭，开发和利用新能源成为当前人类社会迫切需要解决的问题。

新能源的开发利用主要是将其转化为电能，并将电能传输给用户。

因此，新能源发电和并网技术是开发利用新能源的两个最为关键技术。

本文首先介绍新能源发电的概念、分类以及新能源发电系统的运行与控制技术；其次，介绍了新能源并网的运行与控制；然后重点深入介绍了波浪能发电技术以及波浪能发电场的运行与控制。

文章最后对新能源发电及并网技术的研究进行了展望。

关键词：新能源；发电；并网；波浪能
0 引言
能源是能够向人类提供某种形式能量的自然资源，包括所有的燃料、流水、阳光、地热、风等。

新能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等能源。

人类世界利用能源的最初方式是获取能源的热能，该阶段主要利用的是传统的化石能源。

直到1881年，美国建成世界上第一个发电站，人类才开始大规模地以电能的形式利用能源。

自此，人类社会进入了快速发展阶段。

随着可再生能源发电的发展，电力系统要从目前的以集中电源为主转向集中电源和分散电源相结合的状态，如每个电力用户都可以安装光伏电站，电力系统会像目前的互联网络，每个用户都同时是发电站，既可以从电网内得到电力，也可以向电网输送电力。

根据可再生能源的特点，应加快构建适应可再生能源发电特点的电力系统，至少做好三个方面的技术准备工作。

一是适应可再生能源特点的电力系统调度运行技术；二是小型分布式发电系统并网技术；三是大容量高效率的电力储存技术。

本文综述了新能源发电及并网技术的研究进展。

第一部分介绍了新能源发电技术，包含新能源发电的概念、分类，同时介绍了新能源发电系统的
《新能源发电及并网技术》（2014.3~6）
任课教师：戴朝华
特性及系统的运行与控制。

第二部分介绍了新能源并网的关键技术，包含新能源并网的接口以及并网后的运行与控制。

第三部分重点介绍了波浪能发电技术以及波浪能发电场的运行与控制；同时也介绍了波浪能发电技术的研究进展。

最后指出了能源发电及并网中存在的问题，同时对该领域的研究进行了展望。

1 新能源发电技术
1.1 新能源发电的分类
根据新能源的不同，系能源发电的分类包含生物质能发电、太阳能发电、风力发电、小发电、地热发电、潮汐能发电和燃料电池发电。

下面主要对技术较为成熟的太阳能发电和风能发电作简要介绍。

1.1.1 太阳能发电
太阳能发电有两种方式，即太阳能热发电和太阳能光伏发电。

太阳能热发电在美国、以色列等发达国家目前已进入商业化试验阶段，而我国还未真正进入该领域。

太阳能光伏发电技术巳日趋成熟。

世界太阳能电池产量每年以20%-30%甚至更高的递增速度发展。

截止到2004年底，世界太阳能光伏发电系统的总装机容量已超过1000GW，应用于工业、农业科技、文教、国防和人民生活的各个领域。

预计21世纪中叶，太阳能光伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续发展的能源结构中占有一定的比例[1]。

1.1.2 风能发电
风能是一种不产生任何污染物排放的可再生
的自然能源。

风力发电技术相对较为成熟，使风能在众多可再生能源中最具大规模发电前景，是近期内最有开发利用价值的可再生能源，是21世纪人类社会经济可持续发展的主要新动力源。

世界风电总装机容量2001年达2493万kW，2002年达3204万kW，2003年达到了4030万kW，平均年增长率在30%以上。

我国的风力发电产业从新疆、内蒙古和东南沿海部分地区起步，到1996年底，已初具规模，到2003年底，中国共拥有40座风电场，装机1017台，总容量为561445万kW。

并且已经出现了十几个超过万千瓦级的大型风电场。

目前风电场已遍及14个省、市和自治区。

1.2 新能源发电系统的运行与控制
1.2.1 太阳能发电系统的运行与控制
该部分主要介绍天阳能光伏发电系统的运行与控制。

光伏发电系统一般包括：光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制器、蓄电池充放电控制器、直流升压或降压型变换器和逆变器[2]。

图1所示为广发电池等效电路图。

其中，电流I为太阳能电池输出电流，I d为二极管工作电流，I Rsh为漏电流，I LG为光电池电流源，R sh为光伏电池的并联等效电阻；R s：光伏电池的串联等效电阻。

I
I
图1 光伏电池等效电路图
在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功
率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率
点，从而提高光伏电池的转换效率[3,4]。

MPPT就
是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它
不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行
过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作
点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值
功率点附近。

1.2.2 风能发电系统的运行与控制
与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控
制系统是一个综合性复杂控制系统。

尤其是对于并
网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电
网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网
控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要
根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以
提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发
电机组控制中的关键技术[5]。

现代风力发电机组一
般都采用微机控制，如图2所示。

图2风力发电机组的微机自控原理框图
图2中：2－A/D转换模块；3－风向标；4－
风速计；5－频率计；6－电压表；7－电流表；8
－控制机构；9－执行机构；10－液压调速油缸；
11－调向电机；12－其他传感器。

风力发电系统控制的目标主要有4个：保证
系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、
机组寿命延长。

风力发电系统常规的控制功能有7个：①运
行的风速范围内，确保系统的稳定运行；②低风
速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；③高
风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输
出功率为额定值；④减小阵风引起的转矩波动峰
值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免
共振；⑤减小功率传动链的暂态响应；⑥控制器
简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；⑦
调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳
定。

为实现上述所要求的部分或全部控制功能[6]，
风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶
段：定桨距失速恒频控制、变桨距恒速恒频控制以
及目前主要发展的变桨距或定桨距变速恒频控制。

新能源发电及并网技术
2新能源并网技术
2.1 太阳能并网的运行与控制
并网波形的跟踪与控制策略、光伏阵列的最大功率点控制、并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题是光伏发电并网控制的关键技术。

电压源型光伏阵列的逆变并网和电流源型光伏阵列的逆变并网等效电路如图3和图4所示[7]。

图3光伏阵列并网的电压源型电路结构
图4光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑
2.2 风能并网的运行与控制
风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种[8,9,10]。

1）定桨距失速调节
定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。

在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。

定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。

其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。

2）变桨距风力发电机组的调节与控制
变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。

根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。

①起动时的转速控制
变距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动
②额定转速以下的控制
为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。

③额定转速以上的恒功率控制
当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小。

从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。

3）变桨距风力发电机组的控制系统
传统的变桨距风力发电机组在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。

当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。

3 波浪能发电及并网技术
3.1 波浪能
波浪的能量来自于风和海面的相互作用，传递的能量取决于风速、风与海水作用时间及作用路程。

《中国新能源与可再生能源1999 白皮
书》公布的结果称：进入岸边的波浪能理论平均功率为12850000 千瓦。

波浪能是海洋能的一种。

在海洋能中，波浪能除可循环再生以外，还有以下优点：
1）以机械能形式存在，波浪前进产生动能，波浪起伏产生势能，在各种海洋能中品位最高；
2）在海洋能中能流密度最大； 3）在海洋中分布最广；
4）可通过较小的装置实现其利用； 5）可提供可观的廉价能量；
波浪能的开发利用可以追溯到18世纪。

1799 年，世界上有了第一个关于波浪能发电的专；20 世纪中叶以来，波浪能利用得到了越来越多的关注和重视，波浪能发电的设想在世界各地不断涌现；1964 年，世界上第一个海浪发电装置（航标灯）问世；到20世纪70年代，日本、美、英等国合作研制了“海明号”发电船，还有远离海岸的电力传输装置，并进行了海上试验。

同时，中国也是波浪能研发的主要国家之一。

1989年，中国第一座波浪电站建成并试发电成功，1996年改建为20千瓦；1999年，100千瓦摆式波浪能电站试运行成功；2000年，100千瓦岸式振荡水柱式电站建成发电，目前至少已累计生产600多台在中国沿海使用，并出口到日本等国家[11]。

3.2 波浪能发电
波浪发电，一般是通过波浪能转换装置，先把
波浪能转换为机械能，再最终转换成电能。

图5是波浪能发电系统的主要构造。

图5 波浪能发电系统的主要构造
波浪能利用的关键是波浪能转换装置，通常经三级转换：
1）波浪能采集系统，捕获波浪的能量； 2）机械能转换系统，把捕获的波浪能转换为某种特定形式的机械能；
3）发电系统，与常规发电装置类似，用空气涡轮机或水轮机等设备将机械能传递给发电机转换为电能。

3.2.1 波浪能发电装置
波浪能发电最基本的原理是通过波浪的运动使装置工作并带动发电机发电，将水以动能和势能形式存在的机械能转化为电能。

其中，波浪能发电装置是实现能量转换的重要部件[12]。

根据波浪能发电装置的内在联系、外部特征、结构和用途等方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行分类，如表1所示。

表1 波浪能发电装置的分类
分类方式 种类 固定形式分类 固定式、漂浮式 能量传递形式分类 气动式、液压式、机械式 能量转换方式分类 直接转换式、间接转换式 结构形式分类
振荡水柱式、摆式、“点头鸭“式等
上述6种结构形式的波浪能发电装置各有其自身的优缺点及适用场合，总结见表2。

3.2.2 波浪能发电场的运行与控制
波浪能发电场是指通过离岸电气设备及合适的并网点连接到陆上大电网。

如同现有的大规模风电场，这就要求波浪能发电场能像传统发电厂一样并网运行，并应具备无功、有功调节的能力[13]。

电力系统正常运行要求所有发电机组保持同步运行，电力系统暂态稳定性分析就是在遭受大干扰后系统中各发电机组维持同步运行的能力。

对于经过双馈感应发电机并网的波浪能发电场，可以为系统提供一定的旋转惯量，大量的小惯量的波浪能发电机组代替了常规机组会使系统的暂态稳定性发生变化，目前在运行的风电机组多为双馈感应发电机，对这方面的研究比较多，主要是提高其电压穿越能力，波浪能发电可以直接借鉴参考；而对于经过全功率变频的波浪能发电场，其不能为系统提供旋转惯量，但其占到系统一定比例后也要求其具
新能源发电及并网技术
表2 波浪能发电的优缺点及适用场合
装置名称优点缺点适用场合
振荡水柱式采用空气传递能量，可靠性好费用昂贵，转换效率低大风浪区域摆式成本低可靠性差，易损坏防波堤上的大型发电装置“点头鸭”式理想运行下的效率很高（约90%）结构复杂，易损坏波浪规律变化的理想海况聚波蓄能式可靠性高，不受波高和周期影响对地形和波道要求严格地形狭窄区域
振荡浮子式简单易建造浮子易损坏适用于为灯塔，浮标提供电
源阀式理想状态下的转换效率高系泊困难波能密度交大区域
备一定的低电压穿越能力，因为电网故障期间如果大量的波浪能发电机组跳掉会影响系统的有功平衡，但是全功率变频对电力系统的暂态稳定性影响研究也较少，需要进一步的研究。

电压控制需要调节无功来完成，大部分波浪能发电系统利用变速发电系统，并通过电力电子元件连接到电网。

部分变流器可以控制无功流向，如电压型逆变器。

部分变流器既不能控制无功也不能输送变化的无功，如电流型逆变器。

如果选择可以控制无功的变流器，只要其额定容量足够大，它们就可以实现对电网的电压控制，但变流器容量的增加，其成本也会增加。

频率控制需要调节有功来完成，在没有能量缓冲的系统中，输入功率仅依赖于波浪能，难以实现有功调节所以对于含有大规模波浪能发电场的电网中，为了实现其出力发生较大不可控变化的情况下实现电网频率调节，需要配备大量的诸如火电水电的传统能源做备用，这些备用也可在大风暴来临时为达到系统损失最小起到积极作用。

3.3 波浪能发电装置的研究现状
世界上波浪能转换设备开发最早的国家是法国。

后来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继开发，各国都在积极开发研究各种各样的波浪能发电的高新技术，其中以日本和英国两国技术居于世界的领先水平。

日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走在世界的前列。

目前，日本已建造1500多座波浪能发电装置。

从20世纪80年代中期至今已建成4座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40~125kW。

其中20 世纪80年代初建造的“海明号”波浪能发电船最为著名，总装机容量可达1250kW。

英国具有世界上最好的波浪能资源。

从20世纪70年代开始，英国将波浪能发电研究放在新能源开发的重要位置。

20世纪80年代，英国已成为世界波浪能研究的中心。

20世纪90年代初，在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成75kW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波浪能发电站。

2000年11月，世界上第一个波浪能发电厂在苏格兰伊斯莱岛附近建成并开始商业化运行。

英国波浪能发电的开发目标是总容量为2GW的波浪能发电设备[14]。

我国近代的波浪能研究始于1968年[15]。

研究波浪能发电最早兴起于上海，为了开发海洋资源、促进经济发展，我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目。

目前从事波浪能发电研究与开发的单位共有十几家，因此波浪能发电技术获得了较快的发展。

其中以中国科学院广州能源研究所拥有的水平与成果最为先进。

1984年研制成功航标灯小型波浪能发电装置，在我国沿海海域大面积推广与运用。

1997年在珠海大万山岛建成国内首座3kW的岸式波浪能试验电站。

“九五”期间完成重点科技项目攻关——汕尾100kW岸式波浪能发电电站（该电站属于振荡水柱式类型）。

2002年在海洋波浪能发电关键技术上取得了重大突破，研制的装置可以将随机的波浪能转换成用户能够直接使用的稳定电源，从而为大规模地利用波浪能开辟了新的途径和思考方法。

2008年中国科学院研制成功了液态金属磁流体波浪能直接发电的原理性演示装置，提出了一种工作原理与常规波浪能发电系统完全不同的新型波浪能发电技术。

其实质是系统采用了磁流体发电机，提供了一个与波浪吻合很好的机械阻抗。

因此，系统转换效率高、功率密度大、
结构紧凑、成本低廉而且移动性好。

3.4 波浪能发电中的问题
虽然波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果但是相比较而言波浪能发电装置与太阳能风能等清洁能源利用装置相比并没有普及到人民生活中其中的问题总体而言主要体现为以下几点。

3.3.1 发电成本
据有关专家的计算，现阶段海洋波浪能的发电成本比常规的热发电高出10倍左右。

因此，成本问题已经成为普及和大规模利用波浪能发电的最大障碍。

只有改进波浪能发电的技术，减小发电成本，才能使波浪能发电真正达到实用化水平。

为人们所用。

3.3.2 总效率
我们研究波浪能装置时通常只是在规则的、平稳的造波池中做试验，得出的结论往往并不具有实际操作性和可行性，因为正常情况下海洋的波浪是时刻变化的，波浪能的能量分散不易集中。

因此，造成装置的发电总效率并不高。

此外，目前波浪能发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用，这也是造成发电总效率低的原因之一[16]。

3.3.3 工程性
波浪能装置大多是直接放置在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生。

台风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置，造成装置失效，并且海水具有腐蚀性装置容易被腐蚀。

所以从工程观点来看，理想的工程性较好的波浪能发电装置的方案应包括以下三个方面：①无水中活动部件；②总体结构上应有利于抗风浪；③尽量少的现场施工但目前似乎还难以找出一个各全其美的方案这也是波浪能研究中的一个难点[17]。

4 展望
目前我国的电力系统是以集中的大型电站为主要电源构成的，电源是完全可以调控的，可以根据电力负荷的需要来安排发电，电力的流动方向是固定的，主要是从发电厂输向电力用户，发电厂发电经升压后送往用电地区，再逐级降压至用户需要的电压等级，以满足用户的电力需要。

可再生能源的特点是：分散性、间歇性和随机性。

这些都给电力系统的管理提出了新的要求。

现阶段，新能源并网的主要方式是分布式发电并网和互补发电并网[18]。

分布式发电是指在一定的地域范围内，由多个甚至多种形式的发电设备共同发电，以就地满足较大规模的用电要求。

同时，将多种新能源联合发电并网运行，使各种发电方式在一个系统内互为补充，通过其协调配合来提供稳定可靠的、质量合格的电力的互补发电技术的开发利用，既提高可再生能源的可靠性，也可提高能源的综合利用率。

如何解决新能源的分散性、间歇性和随机性问题，实现新能源调度的可操作性，是未来新能源发电和并网关键技术的研究重点。

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