陳都平

（國華（呼倫貝爾）新能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾　021000）

關(guān)于風(fēng)電場與光伏電站的有機(jī)結(jié)合

陳都平

（國華（呼倫貝爾）新能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源的需求量劇增，能源供應(yīng)面臨著巨大的壓力。能源的過度開發(fā)使傳統(tǒng)能源緊缺的狀況日益嚴(yán)重，同時也使生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步的惡化，風(fēng)能、太陽能新能源的開發(fā)和利用使能源供應(yīng)緊張的狀況得到有效的緩解。本文對風(fēng)電和光伏發(fā)電的特點(diǎn)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上對風(fēng)電場與光伏電站在無功補(bǔ)償?shù)囊筮M(jìn)行分析，并對SVG在風(fēng)電場以及光伏電站的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討，旨在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場與光伏電站的有機(jī)結(jié)合，為我國能源供應(yīng)做出更大的貢獻(xiàn)。

風(fēng)電場光伏電站風(fēng)光互補(bǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，對能源的需求量越來越大，有限的能源儲藏量和無限增長的能源需求量造成了能源供需之間存在嚴(yán)重的不平衡。資源的過度開發(fā)，使得生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的破壞，傳統(tǒng)能源嚴(yán)重短缺，能源爭奪的問題愈演愈烈。新能源的開發(fā)和利用，全球能源發(fā)展的大勢所趨，是緩解能源供需壓力的有效途徑。相對于傳統(tǒng)能源來說，風(fēng)能、太陽能作為可再生能源，發(fā)展?jié)摿薮?，綜合效益高。如今，大力開發(fā)新能源，重視風(fēng)能、太陽能的開發(fā)和利用，能為全球能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到國家的高度關(guān)注，并頒發(fā)了一系列的政策法規(guī)對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予大力的支持，為新能源的開發(fā)和利用提供政策和資金保障。近年來，我國的風(fēng)電場和光伏電站發(fā)展迅速，規(guī)模和容量不斷擴(kuò)大，使我國新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個全新的發(fā)展階段。風(fēng)能和光能發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)，而且具有明顯的間歇性特點(diǎn)，因此在穩(wěn)定性和安全性方面比傳統(tǒng)能源難度更大，要求更高。風(fēng)電場與光伏電站的并網(wǎng)，給電網(wǎng)調(diào)度以及電網(wǎng)安全方面帶來了很大的壓力，為電網(wǎng)送點(diǎn)質(zhì)量和功率平穩(wěn)性帶來了明顯的沖擊。

1　風(fēng)電和光伏發(fā)電的運(yùn)行特點(diǎn)

風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行是利用流經(jīng)的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，因?yàn)轱L(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，加上空氣密度、槳距角的變化使得輸出功率的平衡性難以得到保證。風(fēng)速的變化對輸出功率的影響最大，而且隨機(jī)性強(qiáng)，這是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出公路變化頻繁的主要愿意。同時，外部原因，如塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素，等風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動造成影響，轉(zhuǎn)矩的頻繁變化造成風(fēng)機(jī)輸出功率不穩(wěn)定?？梢哉f無論是哪種因素引起的風(fēng)機(jī)輸出功率的波動，都會影響電壓的穩(wěn)定性，使電壓處于頻繁波的狀態(tài)。

圖1　內(nèi)蒙古風(fēng)電機(jī)組平均利用小時數(shù)（2012）（單位:小時）

表1　呼倫貝爾盟風(fēng)能、太陽能資源年度資源量（2012）

光伏發(fā)電是將太陽光能運(yùn)用半導(dǎo)體界面進(jìn)行轉(zhuǎn)變使其轉(zhuǎn)換為電能。但是光伏發(fā)電穩(wěn)定性不高，調(diào)節(jié)能力薄弱，氣候條件是影響光伏發(fā)電電量的主要因素，特別是夜晚或者陰雨天氣的條件下，發(fā)電量很少甚至不發(fā)電。實(shí)施并網(wǎng)為了有效增加風(fēng)電場與光伏電站的容量，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而在并網(wǎng)的過程中將二者有機(jī)的結(jié)合，既保證發(fā)電量能夠不斷增加，同時又要注意保持電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，這是并網(wǎng)急需解決的或者重點(diǎn)問題。風(fēng)電具有隨機(jī)性大的特點(diǎn)，風(fēng)力大小變化使得出電量也隨之不斷變化，而光伏受晝夜以及氣候影響很大，即使是多云的天氣，光伏出電量也是時有時無，或多或少。由此可見，無論是風(fēng)電還是光伏發(fā)電都具有多變性，而這一特性又造成了對電網(wǎng)沖擊的頻繁變化，由此帶來的最直接的影響就是電壓波動性大而頻繁。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，無論是直驅(qū)風(fēng)機(jī)還是逆變器都存在低電壓穿越的過程，無法提供充足的無功，這樣就會造成電網(wǎng)系統(tǒng)電壓在較長一段時間內(nèi)跌幅震蕩，從而容易造成大面積脫網(wǎng)事故的發(fā)生。為了有效的解決這一問題，目前最好的方法就是利用無功功率補(bǔ)償器對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場與光伏電站的有機(jī)結(jié)合。

2　呼倫貝爾風(fēng)能和太陽能的分布與開發(fā)

內(nèi)蒙古呼倫貝爾屬于溫帶季風(fēng)氣候，全年季風(fēng)氣候時間可長達(dá)六千小時以上，平均風(fēng)速也在每秒三米以上，滿足風(fēng)力發(fā)電對于風(fēng)力連續(xù)性以及風(fēng)速的要求。特別是冬季較之我國其它地區(qū)都要長，受來自于西伯利亞寒流的直接影響，在強(qiáng)冷空氣的沖擊下，會產(chǎn)生持續(xù)的強(qiáng)勁的風(fēng)力，由此產(chǎn)出豐富的風(fēng)力資源，而且風(fēng)能密度高。風(fēng)能發(fā)電有效的減少了不可再生能源的供應(yīng)壓力，而且具有持續(xù)性高，綠色環(huán)保的特點(diǎn)。呼倫貝爾憑借得天獨(dú)厚的風(fēng)力資源和太陽能資源條件（見下表1），只要開發(fā)利用得當(dāng)，能夠有效的緩解傳統(tǒng)能源供需壓力，解決生產(chǎn)和生活中能源短缺的問題。

3　風(fēng)電對電網(wǎng)的影響

在內(nèi)蒙古地區(qū)，風(fēng)電的反調(diào)峰特性表現(xiàn)非常明顯，在夏季，氣候干燥炎熱，農(nóng)田灌溉、畜牧養(yǎng)殖、居民生活用電負(fù)荷大幅度增加，屬于用電負(fù)荷的高峰期，而在此季節(jié)，風(fēng)力條件處于年度的低谷期，風(fēng)力發(fā)電量在年度發(fā)電量中所占比例很小。在冬春季節(jié)，用電負(fù)荷相對于夏季明顯減少，而此期間又是風(fēng)力資源豐富的時期，特別是冬季受西伯利亞寒流的勁風(fēng)影響，風(fēng)力較大，持續(xù)時間也較長，春季受暖濕氣流的影響，氣溫逐漸回升，多刮東南風(fēng)。受季節(jié)氣候條件的影響，風(fēng)電的反調(diào)峰特性顯現(xiàn)，參見下圖1：

在內(nèi)蒙古風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的過程中，電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性面臨著沖擊，特別是在系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線以及調(diào)峰方面，困難較大。在冬季，供熱機(jī)組的調(diào)峰相對薄弱，隨著峰谷差的不斷拉開，電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)整面臨的壓力也越來越大。風(fēng)電并網(wǎng)的不斷推進(jìn)，也逐漸有新的問題顯現(xiàn)出來：

（1）對電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的影響。風(fēng)電場的并網(wǎng)雖然在一定程度上使容量增加，但是其所特有的不穩(wěn)定性特點(diǎn)對電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性會有一定程度的影響。隨著運(yùn)行方式的變化，風(fēng)電出力的上下波動帶動了聯(lián)絡(luò)線傳輸功率也隨之波動，聯(lián)絡(luò)線很容易發(fā)生過載的情況，對電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定性的影響會越發(fā)明顯。

（2）對電網(wǎng)調(diào)峰的影響。隨著風(fēng)電并網(wǎng)的進(jìn)行，容量大量增加，相應(yīng)的電網(wǎng)系統(tǒng)的備用容量就需要隨之增加，以免在突然沒風(fēng)的情況下風(fēng)機(jī)大面積發(fā)展脫網(wǎng)的情況對系統(tǒng)造成顯著的影響。如果在用電負(fù)荷較低的情況下，為了防止風(fēng)電突然大發(fā)對系統(tǒng)頻率的影響，就需要將部分機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整或者停止，因此，電網(wǎng)系統(tǒng)對于風(fēng)電的反調(diào)峰的應(yīng)對措施從根本上來看是以犧牲其穩(wěn)定性為代價的。

（3）影響電網(wǎng)故障的發(fā)生率。風(fēng)電機(jī)組數(shù)量的不斷增加，并網(wǎng)的不斷推進(jìn)，風(fēng)電運(yùn)行中所具有的不確定因素對于電網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全增加了一些不確定的安全威脅，使電網(wǎng)故障率增加。同時，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，因?yàn)閯幼餍袨椴荒茏龅娇焖俳y(tǒng)一，不僅容易造成保護(hù)動作的誤操作，嚴(yán)重的還會使故障加重。

（4）對電網(wǎng)電壓的影響。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)的過程中需要吸收電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率作為支持，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突然降低，而在脫網(wǎng)的過程中又會造成電壓的突然升高，這就需要對電壓進(jìn)行科學(xué)合理的控制和調(diào)整，以爭取最大程度上保持電壓的穩(wěn)定，從而保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。從呼倫貝爾現(xiàn)有投產(chǎn)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組來看，在對動態(tài)電壓的控制方面的技術(shù)還不夠成熟，無功支持不充分必然會在并網(wǎng)過程中吸收大量的無功功率，對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

4　風(fēng)光互補(bǔ)的可行性和優(yōu)越性

4.1光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)分析

光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)在于資源的無限性和可再生性，取之不盡用之不竭，同時使用起來安全性和可靠性高，沒有噪聲污染而且綠色環(huán)保。同時光伏發(fā)電與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比不收資源分布空間的限制，可使用范圍廣泛，不需要消耗其它的燃料能源。光伏發(fā)電在工程項(xiàng)目的建設(shè)上相對建設(shè)周期短，能夠很快的投入運(yùn)行。其缺點(diǎn)在于在能力分布需要占用大面積，分布密度相對小得多，能源量受季節(jié)、氣候、天氣情況、晝夜交替等因素的直接影響，具有不確定性，成本投入上相對較高。

4.2風(fēng)光互補(bǔ)的可行性分析

4.2.1運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)性好

近年來，隨著內(nèi)蒙牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，牧民生活水平逐年提高，牧民用電量也與日俱增，而作為容量更大、發(fā)電更為方便的“風(fēng)光互補(bǔ)”發(fā)電設(shè)備，是將風(fēng)能資源、太陽能資源進(jìn)行優(yōu)勢互換，具有清潔環(huán)保的作用，是一種較之以前的老式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備更為充足的照明系統(tǒng)，受到牧民們普遍青睞。同時，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。實(shí)施風(fēng)光互補(bǔ)，使電力設(shè)施占用的土地得到更加高效的利用，減少了土地資源的浪費(fèi)，而且在生產(chǎn)運(yùn)行的過程中不會對環(huán)境造成污染，更不會有廢棄物的排放，符合現(xiàn)代節(jié)能減排，綠色環(huán)保的主題要求。同時，設(shè)備兼容性好，二者對站內(nèi)很多設(shè)備能夠共同使用，不僅有效的節(jié)省了設(shè)備方面的成本投入，而且使已有的設(shè)備利用率大大提高，真正的做到高效、節(jié)約。2014年，內(nèi)蒙古大唐風(fēng)電風(fēng)光互補(bǔ)電場總發(fā)電量為14021.061萬kWh，風(fēng)機(jī)9829.837萬kWh，光伏4191.224萬kWh；上網(wǎng)電量為13857.034萬kWh，風(fēng)機(jī)上網(wǎng)電量為9714.842萬kWh，光伏上網(wǎng)電量為4142.192萬kWh；綜合場用電量為189.36萬kWh，站用電量為60.515萬kWh：風(fēng)機(jī)設(shè)備可利用率為98.68%，光伏設(shè)備可利用率為99.23%。其中，風(fēng)機(jī)上網(wǎng)電價為0.51元kWh，光伏上網(wǎng)電價為1.15元/kWh。截止2014年12月底，公司全年累計(jì)完成利潤總額1283萬元，投資收益率高達(dá)11.660%，明顯高于中國華電集團(tuán)公司要求新能源項(xiàng)目進(jìn)入運(yùn)營期達(dá)到8%的收益率標(biāo)準(zhǔn)。以上分析表明，風(fēng)電場配以適當(dāng)?shù)墓夥萘浚坏黾恿斯╇姷目煽啃院头€(wěn)定性，而且經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電的模式應(yīng)該得到更加廣泛的推廣。風(fēng)光互補(bǔ)電場的建設(shè)不但充分利用了當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、光伏資源，還改善了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，減少了沙塵對環(huán)境的危害，且在增加地方稅收，促進(jìn)就業(yè)等方面也帶動了地方社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是科學(xué)利用自然資源的新成果，它有如下諸多優(yōu)勢。利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)性，可彌補(bǔ)單一風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，使供電的穩(wěn)定性、持續(xù)性和可靠性得到保障。對混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，基本能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供電，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)高低空結(jié)合，共用部分道路、設(shè)施及建筑，達(dá)到集約利用土地的效果。由于共用部分道路、配電設(shè)備及建筑，工程造價明顯降低。共用一批管理人員和工程技術(shù)人員，提高勞動效率，降低運(yùn)行成本。風(fēng)光互補(bǔ)的模式不僅占用耕地利用率提高、沒有污染，而且能共用站內(nèi)部分設(shè)備使運(yùn)行成本低，真正實(shí)現(xiàn)了“1+1=1”節(jié)約模式。

4.2.2互補(bǔ)效果好

呼倫貝爾地域廣闊，白天光照強(qiáng)，到了夜間多風(fēng)。在夏季和秋季，雖然少風(fēng)，但是太陽光線強(qiáng)，日照好，光能資源相對豐富。而在冬春季節(jié)以多風(fēng)天氣為主，風(fēng)力大，持續(xù)時間長，相對風(fēng)力資源更為豐富。風(fēng)能光能正好實(shí)現(xiàn)了良好的優(yōu)勢互補(bǔ)，補(bǔ)充了各自單獨(dú)運(yùn)行的不足，更減少了單獨(dú)運(yùn)行對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。隨著內(nèi)蒙古地區(qū)電力事業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)和光伏技術(shù)的不斷開發(fā)與更新，如今已經(jīng)建立起風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)和能量管理平臺，相應(yīng)的光伏預(yù)測和能力管理平臺也將建設(shè)起來。二者的互補(bǔ)不僅有效的提高資源的利用率，有效的緩解了原有電網(wǎng)系統(tǒng)的供電壓力，并對維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性具有重要的作用。

4.2.3國家政策的扶持

風(fēng)電和光伏發(fā)電都具有綠色環(huán)保，而且作為可再生資源，極大5結(jié)語

的緩解傳統(tǒng)能源供應(yīng)的壓力，也正因?yàn)槿绱耍瑖覠o論在政策上還是資金上，都在發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電方面加大了支持力度。頒發(fā)了一系列的政策、法規(guī)為新能源的開發(fā)和利用提供保障，并在資金方面給予一定的補(bǔ)貼，將開發(fā)新能源，發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電作為重要課題來抓，發(fā)展前景十分廣闊。

新能源的開發(fā)利用為人類社會的發(fā)展對能源的需求提供了有效的補(bǔ)充，同時也滿足節(jié)能環(huán)保的綠色主題。呼倫貝爾地區(qū)以其得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，在風(fēng)電和光伏發(fā)電方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，風(fēng)電互補(bǔ)必將成為今后的電力行業(yè)的發(fā)展方向，使內(nèi)蒙地區(qū)的資源優(yōu)勢得到充分的利用和發(fā)揮。

［1］江蘇省現(xiàn)代電力無功控制工程技術(shù)研究中心.現(xiàn)代電力無功控制技術(shù)與設(shè)備［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］王向臣.電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［3］朱莉.風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2013.