【文章內容簡介】 分負責將風能轉化為機械能，后一部分負責將機械能轉化為電能。因此風力發(fā)電機組也可根據風機和發(fā)電機組的不同有著多種分類方式。根據風機類型不同，風力發(fā)電機組主要有如下幾種分類：根據風機旋轉主軸的方向（即主軸與面相對位置）分類，可分為水平軸式風電和垂直軸式風機；根據安槳葉接受風能的功率調節(jié)方式可分為定槳距（失速型）機組和變槳距機組，同步發(fā)電機型按其產生旋轉磁場的磁極類型有可分為電勵磁同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機兩類。另外，還根據風機的額定功率分為微機型（10kW以下）、小型機（10~100kW）、中機型（100~1000kW）、和大機型（1000kW以上）四類，其中大機型又被稱為兆瓦級風力發(fā)電機組。風力發(fā)電技術的進展是隨著人們對風力發(fā)電的重視程度同步發(fā)展的。早期的風力發(fā)電機組多為小容量，大多采用結構簡單、并網方便的異步發(fā)電機，連接方式多為直接和用戶配電網相連，采用國力運行的方式提供電能，主要用于解決偏遠無電區(qū)域的用電問題。在二戰(zhàn)結束后，尤其是1973年的石油危機之后，風電技術發(fā)展很快，接入方式也從以前的小容量、孤網運行方式逐漸轉向大容量、并網運行。目前世界上最大的風力發(fā)電機組為德國Enercon公司開發(fā)的E116型風力發(fā)電機機組，其單機容量可達到7MW以上，葉片直徑為126m。該型機組已在德國投入并網運行。歐洲是世界上風力發(fā)電發(fā)展最快的地區(qū)。早在20世紀90年代初，歐盟就提出了大力發(fā)展風電的目標。截止2008年末，歐盟風電裝機總容量達到了64935MW，并且在2008年，風電新裝機已占到當年新增裝機容量的36%，是增長容量最大，也是增長最快的發(fā)電方式。在2008年，風力總發(fā)電量達到了142TWh，%，減少二氧化碳排放量達108百萬噸。歐盟在2009年三月將其2020年風電裝機目標由180GW調整到230GW，并包括40GW了離岸風電機組。到2020年，風力發(fā)電每年將提供600TWh的電能，能夠滿足歐盟60%的家庭用電或14%~18%的歐洲總電力供給。目前德國和西班牙是風電裝機容量最大的國家，其中德國風電裝機為1665MW，西班牙為1609MW。下一步，歐盟將加大對離岸風電場的研究和發(fā)展。隨著風電場的容量越來越大，作為一種不可控發(fā)電的風電對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風電并網對系統(tǒng)的影響已成為重要課題。由于不同類型風力發(fā)電機組的工作原理、并網連接方式都不盡相同，因此分析方法及其對電網的影響也存在差異。目前在國內外主要應用的風力發(fā)電機類型及其數學模型包括： 鼠籠式異步發(fā)電機。這種風力發(fā)電機組的風機通過一個變速箱和鼠籠式異步發(fā)電機相連，可通過變速箱來調整發(fā)電機的轉速變以使得發(fā)電機組轉子運行于效率較高的轉速。由于發(fā)電機的轉速變化較小，在實際分析時可近似認為機組轉速為恒定值。鼠籠式發(fā)電機在發(fā)電時需吸收較多無功，因此在風機功率較大或連接于弱網絡時需加裝電容器進行無功補償，以提高發(fā)電機組的功率因素。 雙饋異步發(fā)電機。發(fā)電機的定子繞組直接與電網相連，而轉子繞組通過一個背靠背的整流逆變器和電網相連，這種發(fā)電機組為雙饋異步發(fā)電機。它具有有功、無功可以解耦控制，風電利用效率高，出力波動較小等特點。 支取性異步風力發(fā)電機。這種發(fā)電機組不需要變速箱，因此見底了風機機械部分的復雜程度，提高了可靠性。但由于發(fā)電機電氣部分完全通過整流逆變器和電網相連，在發(fā)電機容量較大時需要整流逆變器應有相應的匹配容量，這無疑增加了機組的成本。其優(yōu)點在于可以通過整流逆變器的控制來調整發(fā)電機組無功，也可通過調整風機葉片的角度來實現有功的部分可控。大規(guī)模風電接入對電網的運行和控制的影響主要體現在如下幾個方面：（1）對系統(tǒng)頻率的影響。由于風能具備隨機性和不可控性等特點，因此風電場的出力主要由于風電場所處位置的電力大小所決定。當系統(tǒng)中風力發(fā)電達到一定比例之后，就必須考慮風電波動對系統(tǒng)頻率的影響。（2）對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響目前投入運行的風力發(fā)電機組仍以異步發(fā)電機組為主。在向電網輸出有功功率的同時，還需要從電網吸收滯后的無功功率。發(fā)電機吸收滯后無功功率會隨著發(fā)電機輸出有功功率的變化而變化，約為有功功率的20%~30%。如才有電容分級補償，則難于做到連續(xù)補償，這必然會影響到風機接入點附近電網電壓。同時由于電容器無功補償量受到電壓的影響大，在系統(tǒng)電壓降低時補償量反而會下降很大，嚴重時會導致電壓崩潰。針對這種情況，一方面對風力發(fā)電機入網制定相應的標準，要求其必須具備一定的低電壓無功亮相調節(jié)能力；另一方面在入網點也需配置合理、受電壓影響小的快速連續(xù)無功補償裝置。（3）對電能質量的影響由于風力發(fā)電機組的出力受風速影響很大，為保護風力發(fā)電機，當風速超過切除風速時，風機會自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作，這種沖擊對配電網單的影響十分明顯，容易照成電壓閃變與電壓波動。這對電壓質量的影響很大，可通過在風電入網時配合合理容量的快速反應的儲能裝置來緩解這一問題。另外，風機本身和入網所需的電力電子設備也可對系統(tǒng)產生諧波污染，這也會對電能質量產生一定的影響。 太陽能發(fā)電太陽能是太陽內部核聚變反應產生的能量，據有關數據，如果把太陽射入到地球表面的全部能量收集起來，只需不到兩個小時即可滿足人類目前一年的能源消耗。和其他能源相比，太陽能具有分布廣泛、清潔、安全等特點，這些特點使其成為新能源發(fā)電的發(fā)展方向之一。但是，太陽能的能量密度小，而且利用成本較高，轉化為電能的效率低，同時受氣候條件影響大，在夜間無法使用，太陽能的這些特點使它在整個綜合能源體系中是作用受到一定的限制。目前太陽能轉化為電能主要有兩種基本途徑，一種是將太陽能轉換為熱能，然后再將熱能轉化為電能，這種發(fā)電方式為太陽熱發(fā)電；另一種是通過光電器件將太陽光直接轉化為電能，即太陽光發(fā)電，隨著半導體元器件價格的下降和新型光電材料的發(fā)展，太陽能光電技術已經逐漸成為太陽能發(fā)電的主要發(fā)展方向。太陽能電池是利用半導體pn結的光伏效應將太陽能直接轉換為電能的器件。由于電壓合電容的限制，單個太陽能電池并不能直接作為電源使用，需要由若干片電池組組成電池陣列進行發(fā)電。目前太陽能電池產品主要分為晶體硅電池、薄膜電池兩類。其中前者分為單晶硅、多晶硅電池兩種，其轉化效率較高，約為15%，高者已能達到25%以上，但成本較高，目前占據大多數市場份額；后者雖然轉化效率尚不如前者，穩(wěn)定光轉換效率約為5%~8%，但成本相對較低，近年來在轉化效率方面已有突破性的進展，主要包括非晶硅電池、銅銦鎵硒電池和碲化鎘電池等。和風力發(fā)電相類似，太陽能發(fā)電技術也可分為并網太陽能發(fā)電技術和離網太陽能發(fā)電技術兩大類。其中離網太陽能發(fā)電技術主要用于解決偏遠地區(qū)用電和路燈、揚水站等孤立設備的供電問題。根據是否有儲能裝置，太陽能并網系統(tǒng)可分為“不可調度式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)”和“可調度式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)”兩類。其中前者發(fā)電發(fā)電和負荷之間的不平衡量完全由主電網進行平衡，后者則可以通過儲能元件對其進行控制，在太陽能發(fā)電較多時儲能，在太陽能發(fā)電不足時釋放能源以供用戶使用。隨著超級電容器、鈉硫電池等儲能技術的不斷進步，可調度式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)或聯入微電網將逐漸成為光伏并網的主流方式 清潔煤發(fā)電技術火力發(fā)電（尤其指煤炭燃燒發(fā)電）一直是世界上最重要的電力來源。我國煤炭資源豐富，即使在大力發(fā)展可再生能源的背景下，火力發(fā)電在我國能源結構中占很大比重。為了達到智能電網節(jié)能減排的目標，必須大力發(fā)展清潔煤發(fā)電技術，盡量降低煤炭燃燒造成污染、減少溫室氣體排放，將火力發(fā)電的不利因素降到最低。根據煤燃燒過程來分析，清潔煤技術可分為煤燃燒前過程、使煤更清潔燃燒過程和燃燒后清潔廢氣過程三類。（1）整體煤氣化聯合循環(huán)機組（IGCC）IGCC被稱為“世界上最清潔的煤電站”其工作原理是將煤氣化，將凈化后的清潔煤氣作為燃料，驅動燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電。實際上是煤氣化技術和高效的聯合循環(huán)發(fā)電技術相結合的新型清潔煤發(fā)電技術。和常規(guī)煤發(fā)電技術相比，IGCC技術可將氮氧化物的排放量減少90%，減少CO2排放量35%。其聯合循環(huán)熱效率最高可達52%以上，同時IGCC機組的燃燒煤后廢物處理量少，耗水量比常規(guī)汽輪機電站少30%~50%。（2）增壓流化床燃燒聯合循環(huán)機組（PFBCCC）21世紀初極具發(fā)展?jié)摿Φ牧硪环N先進的清潔煤發(fā)電技術就是增壓硫化床聯合循環(huán)（PFBCCC）技術。增壓硫化床是在常壓流化床（CFBC）的基礎上發(fā)展起來的，在較高壓力下進行燃燒的一種燃煤發(fā)電技術，它具有熱效率高、污染排放低、能組成蒸汽燃氣聯合循環(huán)等特點。增壓流化床的燃燒效率可達99%，聯合循環(huán)發(fā)電效率可達40%~42%，SOx、NOx和粉塵的排放量低，同時增壓硫化床的設備模塊化程度，結構緊湊，PFBC鍋爐的體積只有同容量常規(guī)鍋爐的1/4。 這些特點使得增壓硫化床非常適合于老舊電廠設備改造時應用。其它新能源發(fā)電技術（1）燃料電池燃料電池，其工作原理主要是：在一定條件下使氫氣、天然氣或煤氣（主要是氫氣）與氧化劑（空氣中的氧氣）發(fā)生電化學反應，將化學能直接轉化為電能的過程。燃料電池具備能量轉換效率高（電能轉換效率為45%~60%）、功率密度高、相應速度快、啟動時間短、清潔、五污染、噪聲低等特點，適用于可移動動力源、電動車以及分散電站，既可集中供電也可適合分散供電。燃料電池發(fā)電時，電池的電解質（酸、堿、固體氧化物等）將電極隔開，由電池外部將反應物（燃料、氧化劑）分別供給電池的陽極和陰極，發(fā)生電——化學反應（燃料的氧化過程），通過電解質傳送帶電離子，產生電位差，引起電子在外電路流動，形成低電壓直流。燃料電池的研究和應用方面，美國、日本、加拿大以及一些歐洲國家研究投入較多，尤其美國和日本，其開發(fā)應用均處于世界前列。雖然我國在燃料電池研究和應用方面投入了巨大的精力，但與世界先進國家相比，我國在燃料電池基本理論方面差距相對較小，但在結構、材料應用、關鍵部件的設計與生產方面差距較大，這也制約了我國燃料電池行業(yè)的快速發(fā)展。從世界范圍來看，制約燃料電池大規(guī)模商業(yè)應用的主要技術問題包括原材料成本、電極工藝和燃料的儲存和運輸等。（2）潮汐能發(fā)電因月球引力的變化引起潮汐現象，潮汐導致海水平面周期性地升降，因海水漲落及潮水流動所產生的能量成為潮汐能。潮汐能是以勢能形態(tài)出現是海洋能，是指海水潮漲潮落形成的水的勢能與動能。潮汐能發(fā)電可分為兩種形式：一種是利用海灣、河口等有利地形，建造水堤，形成水庫，并在壩中或壩旁建造水力發(fā)電廠房房發(fā)電；另一種則是利用洋流發(fā)電，無需建造水壩。目前投運的潮汐能電站多為千一種。目前去哦過正在運作發(fā)電的潮汐能電站總共8座，均為水壩型，總轉機容量為6000kW，每年發(fā)電量為1000萬余kWh。2008年，在英國斯特蘭福德灣安裝了世界首臺不需要建造水壩的潮汐能電站——Seagen，利用潮汐漲退產生的洋流發(fā)電，是目前世界上單機容量最大的潮汐能發(fā)電機。為了檢測Seagen對海洋生物的影響，該項目還集成了Tritech公司的聲納設備，并將進行連續(xù)5年的持續(xù)觀測。由于不需要建造大壩，這種發(fā)電方式對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響較小。由于潮汐能發(fā)電機工作于海水當中，如何解決設備銹蝕和海洋生物附著問題是此類發(fā)電方式必須解決的問題，同時如何在發(fā)電的同時盡量降低對海洋生太環(huán)境的影響也有待進一步研究。（3）生物質能發(fā)電生物質能是指蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將天陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能量。生物質能也屬于一種可再生能源，通常包括以下幾方面：一是木材及森林工業(yè)廢棄物；二是農業(yè)廢氣物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工業(yè)廢棄物；六是動物糞便。與礦物燃料相比，生物質能具有可再生、低污染和二氧化碳零排放等特點；與其它可再生能源相比，它具有資源豐富、分布面廣和用途廣泛（可以轉換成多種二次能源，如發(fā)電、供熱、生產氣體或液體燃料）等特點、而且和其余新能源發(fā)電技術不同，生物質能發(fā)電的出力可以人為的加以控制，為一種可控發(fā)電能源，對電網的穩(wěn)定性有著較大的幫助。隨著現代生物質能技術的不斷發(fā)展，生物質能發(fā)電將在未來的智能電網發(fā)電體系中占有重要的地位。 儲能技術電力生產過程是來女婿進行的，發(fā)電和負荷及損耗之間必須時刻保持基本平衡。而電網中用戶對電力的需求卻隨著時間及氣象因素的變化而變化。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是通過對可控發(fā)電機（如水電、火電）的出力難于控制。而如果電力系統(tǒng)不能保證發(fā)電及負荷之間的平衡的話，輕則電能質量惡化，造成頻率和電壓不穩(wěn)，重則引發(fā)停電事故，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題。這就需要電力系統(tǒng)必須保留充足的備用容量，降低了系統(tǒng)設備運行的效率。要解決這一問題，可從兩個思路著手。第一是從負荷側著手，通過需求側管理等技術調整用戶的用電習慣，減少高峰期用電，拉平負荷曲線；第二是在電網中安裝儲能元件，在電力充沛時儲存能源，在電力緊缺時釋放能源，供用戶使用。在新能源發(fā)電技術很快發(fā)展的大背景下，如果能在風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電或者太陽能熱發(fā)電等新能源發(fā)電設備備用儲能裝置，第一可以解決新能源發(fā)電自身出力不可控問題，通過儲能元件對機組的出力曲線進行調整，減少出力變化對電網的沖擊；第二可以是電力充沛時，儲存電能，在負荷高峰期釋放電能，達到削峰填谷、減少電力系統(tǒng)備用需求的作用。儲能技術是指將電能通過某種裝置轉換成其他便于存儲的能量并高效存儲起來，在需要時，可以將所存儲的能量方便地轉換成所需形式能量的一種技術。它包括兩個方面的內容，一是高效大容量存儲能量的方法，二是快速高效的能量轉換技術。根據做轉化是能源類型不同，目前主要的電能存儲形式可分為機械儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電化學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等）、電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器等）和相變儲能等四類。（1） 機械儲能 機械儲能是將電能轉化為動能或勢能等機械能量存儲的儲能方式，具體包括抽水蓄能技術、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等方式。抽水蓄能技術是目前應用較為廣泛的一種儲能技術。其主要原理是利用在電力負荷低谷期將水下池水庫抽到上池水庫，將電能轉化為重力勢能存儲起來，在電網負荷高峰期，釋放上池水庫中的水發(fā)電。按上水庫有無天然徑流匯入又可分為純抽水、混合抽水和調水式抽水蓄能電站。抽水蓄能的釋放時間可以從幾個小時到幾天，綜合效率在70%~85%之間，其最大特點是儲存能量非常大，因此非常適合電力系統(tǒng)調峰和用作長時間備用電源的場合。如調峰填谷、調頻