电气工程及其自动化在新能源发电领域的应用研究

摘要：在新能源发电领域，电气工程及其自动化的应用越来越广泛，但是也存在较多的技术缺陷，例如自动化技术的应用成熟度问题、电能转换效率问题、自动化控制技术的故障问题等。为解决上述存在的问题，进一步提升电气工程及其自动化在新能源发电领域的应用稳定性和成熟度，文章对新能源发电技术进行概述，提炼了关键的电气工程及其自动化在新能源发电领域的应用要点，为行业应用提供参考。

关键词：电气工程；自动化；新能源

0引言

基于全球能源需求的不断增加，传统能源资源利用率逐步下降，能源环境问题日益突出。在此背景下，新能源技术开发、环境资源的挖掘显得尤为关键，电气工程自动化技术在新能源发电领域中的应用越来越广泛，顺应能源资源枯竭的现实环境，为实现新能源发电可持续利用提供技术支持。本文重点对电气工程及其自动化技术在新能源发电领域中的具体应用进行阐述。

1 新能源发电技术概述

风力发电技术主要依据风的动能将动能转化为机械能，进而转为电能。风力发电机从自身结构上分析，主要包含叶轮、齿轮箱、发电机、控制系统四部分。从运转效率看，当风吹动叶轮旋转时，可通过齿轮箱提高叶轮的转速，发电机被驱动进而产生电力。风力发电从种类上分析，可分为陆地和海上两类。根据相关统计，2022年全球风电新增装机量为96GW，我国新增装机量最大达到了68.69GW。风力发电从优势上分析，资源分布广泛无污染、可再生，但受地理位置限制，加上运转条件的影响，会对当地的野生植物生态环境产生一定的破坏。除了电能与风力发电技术外，水力发电、潮汐发电也是主要的新能源发电形式。其中，水力发电基于水势能或者动能，进而转化为电能，是目前最为成熟化、稳定化、应用最为广泛化的可再生能源之一。依据水电协会（IHA）的统计数据显示，2019年全球水电装机总容量可达到1310GW。从潮汐能发电技术看，其主要借助海洋潮汐所产生的水位差进96中国高新科技2024年第18期行发电，虽然发电过程中的技术受限，但由于应用范围较窄，应用潜力受限。此外，地热能、生物质能等发电技术的开发，为地下热能转化为电能提供了技术支持，而生物质能主要基于有机质的燃烧，进而产生热能，最终转化为电能。

2 电气工程及其自动化在新能源发电领域的应用

2.1 光伏发电系统

光伏发电系统中，在设计与建设的全过程，电气工程师作为关键的工作角色，主要负责太阳能电池板选型、布局优化、整体系统电气连接技术的设计与优化等。从内容上看，主要基于逆变器类型、容量及电池储能设备的选型等，设计过程需要安全、高效化，对电气系统的布局合理，满足当地电气工程系统自动化接口数量的需求。例如，根据国际能源署（IEA）的数据，2019年全球光伏市场新增装机量约为115GW，每个项目的设计都涉及复杂的电气工程问题。光伏发电系统组件如下：①单晶硅太阳能板。此类型太阳能板拥有最高的光电转换效率，可控制在18%左右，最大控制率可达到24%。基于所选取的加固型钢化玻璃和防水树脂进行封装结构，可以保证单晶硅太阳能板外形坚固，具有长久耐用性。从使用寿命上分析，设备的最大使用年限可达到25年。②多晶硅太阳能板。多晶硅太阳能板的光电转换效率可控制在14%，略低于单晶硅版本。从制造过程上分析，其与单晶硅的制造与生产过程类似，但从实际运用的功能上分析，多晶硅板具有更低的转换效率、成本更低且使用寿命较短。尽管存在较大的弊端，但是从应用角度分析，多晶硅板的生产过程较简单，电力消耗量少，生产及运行管理成本更低，因此多晶硅太阳能板在发电工程建设领域得到了广泛推广。③非晶硅太阳能板。非晶硅太阳能板的光电转换效率约为10%，远低于单晶硅和多晶硅。但是从制造方法上看，与前二者之间具有较大的差异性，且制造成本相对较高。

提高光伏发电系统的能效和降低成本是电气工程自动化控制过程中的主要目标。基于高效率太阳能电池，例如，单晶硅或多晶硅电池，可最大程度地提升光电转换效率。随着发电工程领域新技术的不断出现，如异质结（HJT）电池等新型高效电池技术，给整个行业的创新发展提供较大动力。根据相关研究，HJT电池的转换效率已超过24%，远高于传统单晶硅电池的平均效率。此外，电气工程自动化控制与管理人员还致力于减少系统内的损耗，例如通过使用更导电的材料、优化电缆布局、减少接头数量等方式来降低线路损耗。在成本控制方面，除了选择成本效益高的设备外，还可基于智能化管理和维护来延长设备寿命，降低维修费用。

2.2 风力发电系统

从核心技术角度分析，风力发电利用风力涡轮，实现电机驱动；电气工程作业人员主要对电机运行进行设计，实现对应设计方案的优化。现代电力涡轮机主要选取多样化的异步感应电机或者永磁电机，例如以大型陆地上风力发电场为例，基于涡轮机的使用功率为2～4MW，海上风力涡轮机可达到10MW以上。电气工程技术人员需确保电机能够在变化的风速下提供恒定的频率和电压，同时还应结合实际运行及管理目标，考虑系统的可靠性、耐久性以及维护的便捷性。

2.3 能源转换与储存

在现代化的新能源转换、储存技术应用环节，锂离子电池技术具有高能量密度、长寿命及较低的自放电率，因此应用越来越广泛化。在锂离子电池设计环节，电气工程技术人员需对电极材料选择、电解液配方及电池管理系统等的开发进行优化，确保电力自动化技术能够处于稳定、高效、节能的环境中。例如，典型的锂离子电池单元可能具有18650的尺寸，标称电压为3.7V，容量约为2.6Ah，能量密度达到750W·h/kg。为提升储能设备的性能，工程技术人员还研究了包括固态电解质在内的新材料，以增加安全性并提高能量密度。超级电容器或超级电容是另外一种高性能的能源储存技术，其往往借助于快速的充放电能力，加上高强的循环稳定性而著称。超级电容器主要应用于需要短时大功率输出的应用场合，例如汽车启动、能量回收系统等。超级电容器的性能指标从理论分析角度看，主要包含电容值、工作电压、内阻等。例如，典型的超级电容器可能有2.7V的工作电压和2000F的电容值，可在较短周期释放出较大规模的电能。电气工程技术人员基于对电极结构的优化，选取使用新型的电介质材料，不断提升超级电容器的能量密度和功率密度。随着新能源技术的快速发展，单一化的储能设备不能够满足自身系统功能的实现要求。因此，电气工程技术人员致力于开发和集成多种类的储能设备能源存储系统（ESS）。相关系统在控制过程中，可充分结合电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，以实现更优的整体性能。在设计和实施ESS时，需将不同储能设备之间的协同作用、系统控制策略、热管理以及长期运行中的性能退化等问题纳入到设计范畴。此外，通过高级数据分析和机器学习算法，可以提高ESS的预测精度和操作效率。

结语

综上所述，电气工程及其自动化技术在新能源发电领域的应用研究具有重要意义。通过不断推动技术创新和应用发展，可以为实现能源可持续利用、促进经济社会发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]霍江帅. 电气自动化在新能源发电中的关键技术[J]. 中国高新科技，2023（23）： 111-113.

[2]史林军，戴滔，劳文洁，等. 基于改进KNN算法的新能源发电单元运行状态识别[J]. 电力自动化设备，2024，44（5）： 65-72.

[3]马乐. 新能源发电并网调度自动化系统设计要点[J]. 中国新技术新产品，2023（21）： 7-9.