光伏发电与风力发电并网技术及其应用研究

摘  要：随着全球对清洁能源的需求不断增长，光伏发电和风力发电作为重要的可再生能源发电方式，其并网技术及应用成为研究热点。本文深入探讨光伏发电与风力发电的并网技术原理、特点，分析并网过程中面临的问题，并结合实际应用案例阐述相应的解决策略，旨在为推动可再生能源大规模并网及高效利用提供理论支持与实践参考。

关键词：光伏发电；风力发电；并网技术；可再生能源；电力系统

引言

传统化石能源的日益枯竭以及环境问题的加剧，促使全球加速向可再生能源转型。光伏发电和风力发电以其资源丰富、清洁无污染等优势，在可再生能源领域占据重要地位。然而，这两种发电方式具有间歇性、波动性等特点，将其接入传统电力系统时，会对电网的稳定性、电能质量等方面产生影响。因此，深入研究光伏发电与风力发电并网技术及其应用，对于实现可再生能源的高效利用和电力系统的可持续发展具有重要意义[1]。

一、光伏发电并网技术

（一）光伏发电原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能的一种技术。当太阳光照射到太阳能电池板上时，光子激发半导体材料中的电子，产生电子-空穴对，在电池内部电场作用下，电子和空穴分别向电池的两极移动，从而产生电流。

（二）光伏发电并网系统组成

太阳能电池板：是光伏发电系统的核心部件，负责将太阳能转化为电能。其性能受光照强度、温度等因素影响。

逆变器：将太阳能电池板产生的直流电转换为与电网同频率、同相位的交流电，实现电能的并网。逆变器需要具备最大功率点跟踪（MPPT）功能，以提高太阳能电池板的发电效率。

控制器：对光伏发电系统进行监测和控制，包括电池板的充放电控制、逆变器的运行控制等，确保系统稳定、安全运行。

电网连接设备：包括变压器、开关等，用于将逆变器输出的交流电升压至电网电压等级，并实现与电网的可靠连接[2]。

二、风力发电并网技术

（一）风力发电原理

风力发电是将风能转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能的过程。风力机的叶片在风力作用下旋转，带动发电机转子转动，切割磁力线产生感应电动势，从而输出电能。

（二）风力发电并网系统组成

风力发电机组：包括风力机、齿轮箱（直驱式风力发电机无齿轮箱）、发电机等，是将风能转化为电能的核心设备。

变流器：与光伏发电中的逆变器类似，变流器将发电机输出的交流电转换为直流电，再逆变为与电网匹配的交流电。变流器还需具备对风力发电机组的功率控制和保护功能。

升压站：将风力发电机组输出的低电压电能升压至电网接入电压等级，通过输电线路并入电网。升压站包括变压器、开关设备、保护装置等[3]。

（三）风力发电并网技术要点

风力发电机组控制技术：为实现风能的高效捕获和稳定发电，风力发电机组需要具备良好的控制策略。例如，通过变桨距控制技术，根据风速变化调整叶片桨距角，使风力机保持在最佳风能利用系数附近运行；采用最大功率跟踪控制技术，确保风力发电机组在不同风速下都能输出最大功率。

低电压穿越技术：当电网发生故障导致电压跌落时，风力发电机组需要具备低电压穿越能力，即在一定时间内保持与电网连接，不脱网运行，并向电网提供一定的无功功率支持，帮助电网恢复电压。这要求风力发电并网系统具备完善的低电压穿越控制策略和保护措施。

功率预测技术：由于风力发电的间歇性和波动性，准确的功率预测对于电网调度和稳定运行至关重要。通过气象数据、历史功率数据等，采用物理模型、统计模型或人工智能算法等方法，对风力发电功率进行预测，为电网调度提供参考，减少风电接入对电网的冲击[4]。

三、光伏发电与风力发电并网面临的问题

（一）电能质量问题

电压波动与闪变：光伏和风力发电的输出功率受自然条件影响，波动较大。当大规模接入电网时，会导致电网电压波动，严重时会引起电压闪变，影响用户的用电设备正常运行。

谐波污染：光伏发电系统中的逆变器和风力发电系统中的变流器等电力电子设备，在将直流电转换为交流电过程中，会产生谐波电流，注入电网后会导致电网电压波形畸变，影响电能质量。

（二）电网稳定性问题

频率稳定性：由于光伏和风力发电的间歇性，其输出功率的快速变化可能导致电网频率波动。当风电和光伏装机容量占电网总容量比例较高时，这种频率波动可能超出电网允许范围，威胁电网的安全稳定运行。

暂态稳定性：在电网发生故障或大规模光伏、风力发电接入/切除时，可能会引起电力系统的暂态过程，如发电机转子摇摆、电压骤降等，影响电网的暂态稳定性。

四、光伏发电与风力发电并网问题的解决策略

（一）电能质量改善措施

无功补偿与电压控制：在光伏和风力发电场安装无功补偿装置，如静止无功发生器（SVG）、并联电容器等，根据电网电压和无功功率需求，动态调整无功补偿量，维持电网电压稳定。同时，通过优化发电设备的控制策略，使其具备一定的无功调节能力，参与电网电压控制[5]。

谐波治理：采用谐波滤波器，如无源滤波器（PF）和有源滤波器（APF），对光伏发电和风力发电系统产生的谐波进行治理。无源滤波器通过电感、电容和电阻组成的滤波电路，对特定频率的谐波进行滤波；有源滤波器则通过实时检测谐波电流，产生与之相反的补偿电流，抵消谐波。

（二）电网稳定性增强策略

频率控制：建立储能系统，如电池储能、抽水蓄能等，在风电和光伏输出功率波动时，储能系统可快速响应，吸收或释放电能，平抑功率波动，维持电网频率稳定。同时，优化电网调频策略，充分利用传统发电机组的调频能力，与储能系统协同工作，提高电网频率稳定性。

暂态稳定控制：加强电网结构建设，提高电网的输电能力和抗干扰能力。在风力发电和光伏发电系统中，采用先进的控制策略，如虚拟同步机控制技术，使发电设备具备类似同步发电机的惯性和阻尼特性，增强电网暂态稳定性。

五、结论

光伏发电与风力发电作为重要的可再生能源发电方式，其并网技术的发展和应用对于推动能源转型和可持续发展具有重要意义。尽管在并网过程中面临电能质量、电网稳定性和并网控制与调度等诸多问题，但通过采用先进的技术措施和优化策略，如无功补偿、谐波治理、储能系统应用、多能源协调控制和智能电网调度等，可以有效解决这些问题，实现光伏发电与风力发电的高效、稳定并网。随着技术的不断进步和创新，光伏发电与风力发电并网技术将更加成熟，在未来的能源体系中发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]赵争鸣，雷一，贺凡波等.大容量并网光伏发电系统关键技术研究[J].中国电机工程学报，2021，31（1）：1-10.

[2]王祥珩，王维俭，苏寅生.风力发电技术现状与发展[J].电力系统自动化，2022，32（2）：92-96.

[3]张兴，曹仁贤，杨淑英等.光伏发电与风力发电并网系统中的谐波抑制[J].电力系统自动化，2023，33（12）：52-57.

[4]迟永宁，刘燕华，王伟胜等.大规模风电场对电力系统暂态稳定性的影响[J].电力系统自动化，2022，30（15）：10-14.

[5]余贻鑫，栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报，2021，29（34）：1-8.