新能源联合发电供电系统优化设计

新能源联合发电供电系统优化设计

荆辉

荆辉

（华电福新黑龙江省华富电力投资有限公司黑龙江哈尔滨150090）

摘要：随着可再生能源和高效清洁燃料在内的新型发电技术的发展，联合供电日渐成为减少环境污染提高能源综合利用效率的一种有效途径。许多发达国家的研究已趋于成熟，但我国仍处于起步阶段。基于此，本文详细介绍了国内外联合供电系统的发展与研究概况，全面阐述了新能源联合发电系统。

关键词：新能源；联合发电供电；系统优化；设计

1导言

社会经济发展进步需要能源支撑，而能源供给主要以一次性化石燃料为主，如今化石燃料日趋匮乏及环境污染问题日益严重，能够替代一次性能源的可再生清洁环保的绿色能源研究，特别是清洁能源发电的应用已经势不可挡。对于偏远山区和能源无法自给自足的国家和地区而言，新能源开发利用具有无穷的潜力和巨大的优势，可实现能源独立供给利用的目的。清洁能源的开发利用能够保障能源安全调整能源结构增加能源利用可持续性和改善生态环境，符合国家建设资源节约型和环境友好型的社会结构体系要求，实现能源需求可持续发展的长远战略目标。

2国内外发展与研究概况

目前，环境污染和能源紧缺是人类急需解决的两大难题。利用新能源发电是实现人类可持续发展的有效措施。各种新能源发电方式各有优点，但也存在不足，例如，太阳能和风能能量密度较低，且随气候和地区的差异变化较大，电力供应不稳定不连续。为解决以上问题，常常将两种或多种新能源结合使用，构成联合供电系统，并对这些能源进行合理的功率分配，提高系统的稳定性与灵活性，实现能源优化利用。联合供电系统在这样的背景下应运而生。将太阳能与燃料电池联合发电的想法最早由SalfurRahman和Kwa-surTam于1988年提出。在文中，SalfurRahman讨论了使用燃料电池与光伏机协调发电的可行性，并描述了联合系统结构和控制方法。描述了利用太阳能燃料电池联合系统为同温层的高空平台提供电能的应用研究。而在国内，新能源联合供电技术起步较晚，发展缓慢。提出一种光伏燃料电池联合发电系统，并建立了各元件的数学模型和系统成本模型，设计了能源管理策略以协调系统的能源分配，采用高效的蓄电池满足负载短期需求，由寿命长价格低的氢气罐长期存储大量能源。在此基础上，提出了一种风力发电光伏发电和燃料电池混合供电系统，但该系统结构和控制方式都比较复杂，需要进一步优化与完善。

图1风光氢联合发电系统结构图

3新能源联合发电系统

风能太阳能燃料电池发电方式具有众多优势，同时也存在缺点，主要存在风太阳光的不稳定和不确定性，储能时间短，发电成本高，尤其是燃料电池及辅助装备昂贵。综合考虑三种发电方式特点，可在不同地区不同时间段不同负载状态下选择风能太阳能燃料电池中的两种或三种建立联合发电系统，各发电系统之间互补供电，因此联合发电系统相比较于单一发电系统具有稳定性高使用区域广综合成本低等优点。将风能太阳能转化的电能供当地负载使用后，多余的电能通入电解水制氢，将电能转化为氢能储存，备燃料电池发电使用，从而实现电能长期储存的目的。联合供电系统中氢燃料电池作为高效储能设备及洁净高效供电电源，在风电光电供电能力降低或中断时，系统转化为燃料电池供电，保证风能和太阳能供电中断后系统输出电源的稳定性和可靠性。在风光发电系统中加入燃料电池组成风光氢三种新能源联合发电系统，联合发电系统机构组成如图1所示。

风能太阳能燃料电池产生的都是直流电，为降低系统损耗减少成本，整个联合供电系统中设置一组逆变器。系统设置数据采集调控模块，根据各发电子系统供电量与用户负载状态，自动调度储能电解制氢或燃料发电量。

4新能源发展的挑战

4.1调峰调频问题

为了满足电力系统实时供需平衡的要求，必须利用其他电源的互补特性来抑制新能源发电带来的电网随机波动性。水电和火电是互补电源的最优选择。我国火电至今仍在总装机容量中占据主导地位。所以，我国新能源发电在发展过程中必要要依赖火电的快速深度调峰。

4.2新能源电力消纳问题

新能源具有分散性的特点，以我国风能发电为例，风能主要分布在西北地区。然而，西北地区经济欠发达，发电量没法被全部消纳，只有利用西电东送的发展战略输送给东部地区。可以预测，未来的电网发展模式将不再仅仅依赖于大电网的独立运行，而是和分布式小规模电网协调共存。

4.3继电保护遇到的挑战

与同步电机相比，异步发电机在发生短路故障时无法提供可持续稳定的电流。所以，新能源发电继电保护设计的难点之一就是怎么让相关的继电保护装置依据不持续的短路电流来判定故障的发生，准确快速的切除故障，最大程度的消除事故对电力系统安全运行的影响。

4.4电网安全问题

大规模新能源电力输出功率的随机波动性难以准确预测性以及用于并网的电力电子变换器对电网扰动的敏感性，使电力系统安全面临新的挑战，事故频发，并且电力系统的大型互联带来了局部干扰演变成全网故障的潜在威胁。

4.5对电网运行经济性的影响

由于新能源的随机性间歇性，现在只能把新能源电力供应作为未知因素考虑。为了避免并网对电力系统造成的影响，需要额外增添一定容量的旋转备用。新能源并网既分担部分负荷，降低电力系统的燃料成本，又增加了电力系统的可靠性成本。

5结语

综上所述，在联合供电系统的初步设计时，首先需要对系统中各个微源电气特性进行研究分析，建立瞬时功率模型，然后制定能量管理策略，重点需要进行的就是能量管理与控制中心的研究设计。控制模块借助于对储能系统的充放电管理对各微源的出力调度以及负荷的控制等，确保系统内发电与负载需求的实时功率平衡，在防止电池过充与过放等约束条件下，实现对其他微电源的优化调度，保证联合供电系统的长期稳定经济运行。

参考文献：

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