1 引言
能源是現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動力。能源供應(yīng)和安全事關(guān)我國現(xiàn)代化建設(shè)全局。我國能源資源約束日益加劇,生態(tài)環(huán)境問題突出,調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進(jìn)一步加大,能源發(fā)展面臨一系列新問題新挑戰(zhàn)。為此,國務(wù)院在“能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014年~2020年)”中明確指出:堅持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針,加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系,重點實施“節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳、創(chuàng)新驅(qū)動”的四大戰(zhàn)略。其中,把“按照輸出與就地消納利用并重、集中式與分布式發(fā)展并舉的原則,加快發(fā)展可再生能源”作為主要任務(wù)之一進(jìn)行部署,包括:大力發(fā)展風(fēng)電、加快發(fā)展太陽能發(fā)電、積極發(fā)展地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能和海洋能、提高可再生能源利用水平等具體部署。此外,根據(jù)國務(wù)院2012年7月印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,新能源產(chǎn)業(yè)是我國重點培育的七個戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。因此,可以預(yù)見,今后一個較長的時期將是我國新能源行業(yè)的快速發(fā)展時期,也將是相關(guān)行業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機遇期。
自動化技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)在新能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成、功能實現(xiàn)、安全運行、優(yōu)化調(diào)度、電能質(zhì)量保障等方面得到廣泛應(yīng)用,并已發(fā)揮了推動新能源行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要作用。本文在簡要介紹我國新能源行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢的基礎(chǔ)上,主要以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為例,綜述自動化技術(shù)及設(shè)備在新能源行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。
2 我國新能源行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
新能源包括:水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Q竽埽ǔ毕堋⒉ɡ四堋夭钅堋Ⅺ}差能、洋流能)和核能,以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫所產(chǎn)生的能量。簡單地說,新能源包括各種可再生能源和核能。
新能源的主要利用形式是發(fā)電,其中水電、風(fēng)電、核電和太陽能發(fā)電等非化石能源發(fā)電裝機容量在2014年底已達(dá)到4.5億千瓦,占全國發(fā)電裝機總?cè)萘?3.6億千瓦的33.3%,占比達(dá)到1/3。水力發(fā)電是一種技術(shù)最成熟、成本最低、規(guī)模最大的新能源發(fā)電形式,我國已有100多年的發(fā)展歷史。截止2014年底,我國水電總裝機容量已超過3億千瓦,年發(fā)電量超過1萬億千瓦時,是我國的第二大電源。但目前國內(nèi)外一般把水電(特別是大中型水電)歸類為傳統(tǒng)可再生能源,因此,通常所說的新能源發(fā)電一般主要是指風(fēng)電、太陽能發(fā)電,以及生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Q竽馨l(fā)電等。
風(fēng)電是我國近幾年發(fā)展最快的電源。至2013年,風(fēng)電新增裝機容量16.09GW,新增風(fēng)電并網(wǎng)容量14.49GW,累計風(fēng)電裝機容量91.41GW,累計風(fēng)電并網(wǎng)容量77.16GW。2013年,風(fēng)電總發(fā)電量134.9TWh,約占全國總發(fā)電量的2.5%,是我國的第三大電源。2014年,陸上風(fēng)電新增裝機容量20.7GW,累計并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量95.8GW。2014年我國風(fēng)電新增裝機容量占全球新增風(fēng)電裝機的40%,已連續(xù)六年超越美國成為全球最大的風(fēng)電市場。
太陽能光伏發(fā)電近幾年取得了快速發(fā)展,其年裝機容量以連續(xù)翻倍的速度迅猛增長,累計裝機容量由2010年0.89GW發(fā)展到2013年19.42G、2014年28.05GW。2013年,新增光伏發(fā)電裝機容量12.92GW,累計并網(wǎng)光伏發(fā)電量90TWh。2014年,累計并網(wǎng)光伏發(fā)電量250TWh,增長超過150%。2014年,我國啟動了一系列具有戰(zhàn)略意義的探索性光伏并網(wǎng)發(fā)電項目,如:(1)青海龍羊峽水光互補項目,實現(xiàn)累計并網(wǎng)600MW,探索了水電和光伏電站聯(lián)合協(xié)調(diào)運行、聯(lián)合調(diào)度的創(chuàng)新模式;(2)與農(nóng)業(yè)結(jié)合的光伏農(nóng)業(yè)大棚、漁光互補電站項目,已漸成市場熱點;(3)結(jié)合荒山荒坡治理、煤礦采空區(qū)治理和沙漠化治理的生態(tài)恢復(fù)與光伏電站建設(shè)相結(jié)合的項目;(4)與國家扶貧相結(jié)合的光伏扶貧項目,在山西已啟動了50個村的試點。這些項目的實施,將為我國光伏并網(wǎng)發(fā)電項目建設(shè)開辟全新的思路和廣闊的前景。
太陽能光熱發(fā)電,生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Q竽馨l(fā)電,近幾年也得到了高度關(guān)注,但總體上尚處于探索和起步的發(fā)展階段。其中,至2014年底,太陽能光熱發(fā)電已備案(核準(zhǔn))在建的電站12座,裝機規(guī)模493MW,正在開展前期工作的電站18座,裝機規(guī)模約901MW。
根據(jù)國務(wù)院部署,到2020年,我國非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到15%。其中,常規(guī)水電裝機達(dá)到3.5億千瓦;風(fēng)電裝機達(dá)到2億千瓦,風(fēng)電與煤電上網(wǎng)電價相當(dāng);光伏發(fā)電裝機達(dá)到1億千瓦,光伏發(fā)電與電網(wǎng)銷售電價相當(dāng)。此外,地?zé)崮芾靡?guī)模達(dá)到5000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。將重點規(guī)劃建設(shè)酒泉、內(nèi)蒙古西部、內(nèi)蒙古東部、冀北、吉林、黑龍江、山東、哈密、江蘇等9個大型現(xiàn)代風(fēng)電基地以及配套送出工程,并大力發(fā)展分散式風(fēng)電,穩(wěn)步發(fā)展海上風(fēng)電。將有序推進(jìn)光伏基地建設(shè),同步做好就地消納利用和集中送出通道建設(shè);鼓勵大型公共建筑及公用設(shè)施、工業(yè)園區(qū)等建設(shè)屋頂分布式光伏發(fā)電。積極推動地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)和海洋能清潔高效利用,推廣生物質(zhì)能和地?zé)峁幔_展地?zé)岚l(fā)電和海洋能發(fā)電示范工程。加強電源與電網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃,科學(xué)安排調(diào)峰、調(diào)頻、儲能配套能力,切實解決棄風(fēng)、棄水、棄光問題。
劉德有 河海大學(xué)能源電氣學(xué)院 博士,教授,博導(dǎo)
3 新能源行業(yè)自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展,特別是計算機的廣泛應(yīng)用,自動化技術(shù)不僅可把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來,而且能擴展人的器官功能,極大地提高勞動生產(chǎn)率,增強人類認(rèn)識世界和改造世界的能力。自動化技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)在新能源發(fā)電的系統(tǒng)構(gòu)成、功能實現(xiàn)、安全運行、優(yōu)化調(diào)度、電能質(zhì)量保障等方面得到廣泛應(yīng)用,并已發(fā)揮了推動新能源行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要作用。下面主要以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為例,綜述自動化技術(shù)及設(shè)備在新能源行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。
3.1 風(fēng)力發(fā)電方面
風(fēng)力發(fā)電機組主要由空氣動力子系統(tǒng)、發(fā)電機子系統(tǒng)、變流子系統(tǒng)、自控子系統(tǒng)等組成。其中,自控子系統(tǒng)由變槳控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、變流控制系統(tǒng)等組成。變槳控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)空氣動力子系統(tǒng)的槳距控制,其成本一般不超過整個機組價格的5%,但對最大化風(fēng)能轉(zhuǎn)換、功率穩(wěn)定輸出及機組安全保護(hù)等至關(guān)重要[1]。偏航控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)風(fēng)輪自動對風(fēng)及機艙自動解纜。變流控制系統(tǒng)通常與變槳距系統(tǒng)配合運行,通過雙向變流器對發(fā)電機進(jìn)行矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制,獨立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率,實現(xiàn)變速恒頻運行和最大功率控制。由于風(fēng)資源具有間歇性和不可控性[2],機組運行工況不確定甚至可能頻繁切換,使得風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的動態(tài)特性及魯棒性難以保證,故其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。
并網(wǎng)風(fēng)電是我國風(fēng)力發(fā)電的主要形式,但風(fēng)電并網(wǎng)比重的上升會導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力增大、供電質(zhì)量下降等問題。為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[3, 4],盡量多地消納風(fēng)電,應(yīng)實現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)電機組之間、風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。目前,我國已經(jīng)開發(fā)了擁有風(fēng)電短期及超短期功率預(yù)測、風(fēng)電運行監(jiān)視、風(fēng)電功率自動控制、風(fēng)電接納能力評估、風(fēng)電輔助服務(wù)統(tǒng)計及風(fēng)電運行數(shù)據(jù)分析等功能的風(fēng)電調(diào)度自動化系統(tǒng)[5, 6]。但在提高并網(wǎng)可控性,網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制等方面還處于探索階段,還需進(jìn)一步的深入研究。
目前,風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)引起的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題、風(fēng)電機組大
規(guī)模協(xié)調(diào)控制管理等問題仍是制約風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。對于大型風(fēng)電場,因風(fēng)電送出通道不足、局部消納能力不足、區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力不足,導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。自2011年來,我國風(fēng)電場每年棄風(fēng)電量達(dá)10 TWh以上,棄風(fēng)率達(dá)10%以上。
除風(fēng)電機組本體的運行控制外,隨著大量風(fēng)電場的建成,在風(fēng)電機組的檢測和維護(hù)方面,將給自動化技術(shù)及設(shè)備提出大量新的需求,如:風(fēng)機及其主要部件結(jié)構(gòu)的振動、應(yīng)力和變形等的狀態(tài)監(jiān)測與控制;海上風(fēng)電機組的銹蝕檢測與防護(hù);北方地區(qū)風(fēng)機葉片的防凍與除冰等方面的自動化技術(shù)和設(shè)備。
為了解決風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)和消納問題,大型風(fēng)電場與抽水蓄能電站或帶儲熱太陽能熱發(fā)電站的聯(lián)合調(diào)度運行,甚至與常規(guī)水電站或燃?xì)獍l(fā)電站的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)運行等,將可能成為未來大型風(fēng)電場的一種重要運行模式,其相關(guān)的控制技術(shù)和自動化設(shè)備需要開展大量的開發(fā)研究。此外,在分布式電網(wǎng)中的小型風(fēng)電場與小型蓄電、蓄熱裝置的聯(lián)合運行系統(tǒng)也可能得到快速發(fā)展,其相關(guān)的控制技術(shù)和自動化設(shè)備將具有廣闊的研發(fā)前景。
3.2 太陽能光伏發(fā)電方面
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏特效應(yīng)直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置系統(tǒng),根據(jù)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系,可分為孤網(wǎng)系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng),一般包括光伏電池組件、電力電子變換裝置(如逆變器)、控制器和蓄電池組等。目前,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為我國光伏發(fā)電發(fā)展的主流。并網(wǎng)逆變器是影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行的關(guān)鍵部件,除其自身的基本功能外,還具有最大功率跟蹤控制,防孤島運行以及低電壓穿越等功能[7]。因此,為保證電站及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,并網(wǎng)逆變器高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化將是未來發(fā)展方向[8]。并網(wǎng)保護(hù)裝置一般內(nèi)置在逆變器中,在電網(wǎng)側(cè)和逆變器側(cè)發(fā)生異常時,能迅速停止逆變器,確保電網(wǎng)安全。通常情況下,由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)只向電網(wǎng)輸送有功電能,因此需要在系統(tǒng)內(nèi)安裝無功補償裝置,以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光伏發(fā)電系統(tǒng)需在并網(wǎng)點安裝電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置,以監(jiān)測光伏電站的電能質(zhì)量。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)還應(yīng)配有有功功率控制系統(tǒng)和功率預(yù)測系統(tǒng),從而提高電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性,并充分利用太陽能資源,獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。
對于大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),除上述的保障系統(tǒng)常規(guī)安全運行外,為應(yīng)對大量且復(fù)雜的局部故障,系統(tǒng)自動重構(gòu)及其智能決策相關(guān)的自動化技術(shù)和設(shè)備可能成為未來的需求熱點。光伏電池的老化檢測與防護(hù)技術(shù),以及除塵、掃雪等的自動化設(shè)備也將有巨大的市場潛力。此外,為解決光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)和消納問題,光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)調(diào)運行也是其未來的一個重要發(fā)展方向,其相關(guān)的控制技術(shù)和自動化設(shè)備也將具有廣闊的研發(fā)前景。
3.3 太陽能光熱發(fā)電方面
太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光、集熱、儲熱、汽輪發(fā)電、輔助能源以及集中控制等子系統(tǒng)構(gòu)成[9],其運行監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。目前,國內(nèi)還沒有商業(yè)化運行的大型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)案例,其自動控制系統(tǒng)也還處于試驗階段。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
在聚光子系統(tǒng)中,聚光器通過跟蹤裝置實現(xiàn)對太陽輻射的實時跟蹤,并將太陽輻射準(zhǔn)確投射到集熱器上。從實現(xiàn)跟蹤的方式上講,目前主要有程序控制、傳感器控制以及程序與傳感器混合控制三種方式[10]。在現(xiàn)有的聚光器控制系統(tǒng)中,國外主要采用的是利用高精度位置傳感器和驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的開環(huán)控制。河海大學(xué)與南京玻纖院研發(fā)的我國首座塔式太陽能光熱發(fā)電試驗系統(tǒng)采用了開環(huán)方式使定日鏡處于初始的準(zhǔn)確位置,當(dāng)系統(tǒng)啟動后采用閉環(huán)控制,實現(xiàn)了定日鏡跟蹤偏差的實時校正[11]。跟蹤裝置的控制系統(tǒng)由終端機和上位機組成,終端控制器將采集到的各傳感器數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送至上位機,或執(zhí)行上位機發(fā)來的動作指令,通過電機驅(qū)動定日鏡器跟蹤太陽[12]。
在集熱和儲熱子系統(tǒng)中,由于太陽輻射具有波動性、間歇性和不可控性,因此在典型的一天里,集熱子系統(tǒng)收集的熱能首先給儲熱子系統(tǒng)充熱,到上午某一時刻切換到儲熱子系統(tǒng)與集熱子系統(tǒng)耦合運行的正常運行模式,在遇到長時間云遮或太陽落山前,集熱子系統(tǒng)停止工作,此時汽輪機所需要的所有能量均來自于儲熱子系統(tǒng),直至儲熱子系統(tǒng)停運,汽輪機也相應(yīng)停止運行,整個熱發(fā)系統(tǒng)停止運行。在這整個過程中,需要考慮集熱子系統(tǒng)在預(yù)備、啟動、運行調(diào)整、停機以及緊急關(guān)機等工況下的工質(zhì)流量、溫度等的控制問題;蒸汽發(fā)生器給水、汽溫和汽壓等關(guān)鍵量的控制問題;儲熱子系統(tǒng)與集熱子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題以及集熱器防超溫的保護(hù)控制等。而且集熱、儲熱系統(tǒng)的熱工過程具有強非線性、大慣性和大滯后性,但目前主要采用的還是基于常規(guī)整定的線性控制器,控制品質(zhì)很難令人滿意[13-21]。因此,其集熱、儲熱的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜且目前還不大成熟。
在汽輪發(fā)電子系統(tǒng)中,汽輪機的數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DigitalElectric Hydraulic control system,簡稱DEH)是其關(guān)鍵控制系統(tǒng),對汽輪發(fā)電機組實行過程控制,作為電廠汽輪機運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞,是整個電站控制的重要組成部分。汽輪機的DEH調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計有轉(zhuǎn)速回路、閥控回路、功控回路等功能,調(diào)速功能最為基本與重要。DEH系統(tǒng)可實現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)速大范圍內(nèi)的無差調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,增加閥位偏差反饋和機前壓力偏差反饋,便可構(gòu)成多種控制方式。目前,太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的汽輪發(fā)電子系統(tǒng)通常還是采用常規(guī)DEH系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),并且DEH控制系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)之間獨立運行,缺乏對DEH控制系統(tǒng)的運行方式優(yōu)化,同時缺少結(jié)合這兩者的系統(tǒng)性運行方案[22],還難以很好地滿足系統(tǒng)高效發(fā)電需要。
大型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展,在我國尚處于起步階段,但經(jīng)多年的試驗研發(fā)已日臻成熟,預(yù)計即將跨入快速發(fā)展時期,其相關(guān)的控制技術(shù)和自動化設(shè)備也即將迎來難得的快速發(fā)展機遇期。
4 結(jié)語
雖然近幾年我國在新能源發(fā)電方面取得了舉世矚目的發(fā)展成就,但從我國目前的能源消費結(jié)構(gòu)看,在未來很長一段時期內(nèi),煤電仍將一直占據(jù)絕對優(yōu)勢的比重,為應(yīng)對環(huán)保和減排的巨大壓力,我國今后在新能源發(fā)電方面的建設(shè)發(fā)展依然任重道遠(yuǎn),繼續(xù)維持高速發(fā)展將是今后很長一個時期內(nèi)的必然趨勢。對于與新能源相關(guān)的自動化技術(shù)領(lǐng)域,既是重要的發(fā)展機遇也是嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn),因為新能源方面快速發(fā)展的新常態(tài),對于自動化技術(shù)領(lǐng)域既會帶來更多、更大的應(yīng)用需求,也會提出更高、更新的技術(shù)要求,這就需要跨學(xué)科領(lǐng)域大量研發(fā)人員的廣泛合作和協(xié)同攻關(guān),共同面對挑戰(zhàn)、迎接輝煌。
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作者簡介
劉德有(1962-),男,浙江江山人,博士,教授,博導(dǎo),現(xiàn)任教于河海大學(xué)能源電氣學(xué)院,主要從事可再生能源利用研究。
郭蘇(1981-),女,遼寧撫順人,博士,副教授,主要從事可再生能源利用研究。
許昌(1973-),男,安徽全椒人,博士,教授,主要從事可再生能源利用研究。
摘自《自動化博覽》5月刊