1　引言

    能源是現代化的基礎和動力。能源供應和安全事關我國現代化建設全局。我國能源資源約束日益加劇，生態(tài)環(huán)境問題突出，調整結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，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，加快構建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現代能源體系，重點實施“節(jié)約優(yōu)先、立足國內、綠色低碳、創(chuàng)新驅動”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”作為主要任務之一進行部署，包括：大力發(fā)展風電、加快發(fā)展太陽能發(fā)電、積極發(fā)展地熱能、生物質能和海洋能、提高可再生能源利用水平等具體部署。此外，根據國務院2012年7月印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，新能源產業(yè)是我國重點培育的七個戰(zhàn)略新興產業(yè)之一。因此，可以預見，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，也將是相關行業(yè)技術和產業(yè)發(fā)展的重要機遇期。

     自動化技術及設備已經在新能源發(fā)電系統(tǒng)構成、功能實現、安全運行、優(yōu)化調度、電能質量保障等方面得到廣泛應用，并已發(fā)揮了推動新能源行業(yè)技術進步的重要作用。本文在簡要介紹我國新能源行業(yè)發(fā)展現狀與趨勢的基礎上，主要以風電、太陽能發(fā)電為例，綜述自動化技術及設備在新能源行業(yè)的應用現狀與發(fā)展趨勢。

    2　我國新能源行業(yè)的發(fā)展現狀與趨勢

    新能源包括：水能、風能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能（潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、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年底已達到4.5億千瓦，占全國發(fā)電裝機總容量13.6億千瓦的33.3%，占比達到1/3。水力發(fā)電是一種技術最成熟、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)電一般主要是指風電、太陽能發(fā)電，以及生物質能、地熱能、海洋能發(fā)電等。

    風電是我國近幾年發(fā)展最快的電源。至2013年，風電新增裝機容量16.09GW，新增風電并網容量14.49GW，累計風電裝機容量91.41GW，累計風電并網容量77.16GW。2013年，風電總發(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，陸上風電新增裝機容量20.7GW，累計并網風電裝機容量95.8GW。2014年我國風電新增裝機容量占全球新增風電裝機的40%，已連續(xù)六年超越美國成為全球最大的風電市場。

    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，累計并網光伏發(fā)電量90TWh。2014年，累計并網光伏發(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發(fā)電項目，如：（1）青海龍羊峽水光互補項目，實現累計并網600MW，探索了水電和光伏電站聯合協調運行、聯合調度的創(chuàng)新模式；（2）與農業(yè)結合的光伏農業(yè)大棚、漁光互補電站項目，已漸成市場熱點；（3）結合荒山荒坡治理、煤礦采空區(qū)治理和沙漠化治理的生態(tài)恢復與光伏電站建設相結合的項目；（4）與國家扶貧相結合的光伏扶貧項目，在山西已啟動了50個村的試點。這些項目的實施，將為我國光伏并網發(fā)電項目建設開辟全新的思路和廣闊的前景。

    太陽能光熱發(fā)電，生物質能、地熱能和海洋能發(fā)電，近幾年也得到了高度關注，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）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。

    根據國務院部署，到2020年，我國非化石能源占一次能源消費比重將達到15%。其中，常規(guī)水電裝機達到3.5億千瓦；風電裝機達到2億千瓦，風電與煤電上網電價相當；光伏發(fā)電裝機達到1億千瓦，光伏發(fā)電與電網銷售電價相當。此外，地熱能利用規(guī)模達到5000萬噸標準煤。將重點規(guī)劃建設酒泉、內蒙古西部、內蒙古東部、冀北、吉林、黑龍江、山東、哈密、江蘇等9個大型現代風電基地以及配套送出工程，并大力發(fā)展分散式風電，穩(wěn)步發(fā)展海上風電。將有序推進光伏基地建設，同步做好就地消納利用和集中送出通道建設；鼓勵大型公共建筑及公用設施、工業(yè)園區(qū)等建設屋頂分布式光伏發(fā)電。積極推動地熱能、生物質和海洋能清潔高效利用，推廣生物質能和地熱供熱，開展地熱發(fā)電和海洋能發(fā)電示范工程。加強電源與電網統(tǒng)籌規(guī)劃，科學安排調峰、調頻、儲能配套能力，切實解決棄風、棄水、棄光問題。
 

劉德有 河海大學能源電氣學院 博士，教授，博導

    3　新能源行業(yè)自動化技術的應用現狀與發(fā)展趨勢

    隨著電子和信息技術的發(fā)展，特別是計算機的廣泛應用，自動化技術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率，增強人類認識世界和改造世界的能力。自動化技術及設備已經在新能源發(fā)電的系統(tǒng)構成、功能實現、安全運行、優(yōu)化調度、電能質量保障等方面得到廣泛應用，并已發(fā)揮了推動新能源行業(yè)技術進步的重要作用。下面主要以風電、太陽能發(fā)電為例，綜述自動化技術及設備在新能源行業(yè)的應用現狀與發(fā)展趨勢。

    3.1　風力發(fā)電方面

    風力發(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)負責空氣動力子系統(tǒng)的槳距控制，其成本一般不超過整個機組價格的5%，但對最大化風能轉換、功率穩(wěn)定輸出及機組安全保護等至關重要[1]。偏航控制系統(tǒng)負責風輪自動對風及機艙自動解纜。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)電機進行矢量或直接轉矩控制，獨立調節(jié)有功功率和無功功率，實現變速恒頻運行和最大功率控制。由于風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)比較復雜。

    并網風電是我國風力發(fā)電的主要形式，但風電并網比重的上升會導致電網調峰、調頻壓力增大、供電質量下降等問題。為了保證電網的安全穩(wěn)定運行[3, 4]，盡量多地消納風電，應實現風電場內部風電機組之間、風電場與電網之間的協調控制。目前，我國已經開發(fā)了擁有風電短期及超短期功率預測、風電運行監(jiān)視、風電功率自動控制、風電接納能力評估、風電輔助服務統(tǒng)計及風電運行數據分析等功能的風電調度自動化系統(tǒng)[5, 6]。但在提高并網可控性，網源協調控制等方面還處于探索階段，還需進一步的深入研究。

    目前，風電大規(guī)模并網引起的電網穩(wěn)定性問題、風電機組大

    規(guī)模協調控制管理等問題仍是制約風電發(fā)展的關鍵技術問題。對于大型風電場，因風電送出通道不足、局部消納能力不足、區(qū)域電網調峰調頻能力不足，導致棄風現象比較嚴重。自2011年來，我國風電場每年棄風電量達10 TWh以上，棄風率達10%以上。

    除風電機組本體的運行控制外，隨著大量風電場的建成，在風電機組的檢測和維護方面，將給自動化技術及設備提出大量新的需求，如：風機及其主要部件結構的振動、應力和變形等的狀態(tài)監(jiān)測與控制；海上風電機組的銹蝕檢測與防護；北方地區(qū)風機葉片的防凍與除冰等方面的自動化技術和設備。

    為了解決風電大規(guī)模并網和消納問題，大型風電場與抽水蓄能電站或帶儲熱太陽能熱發(fā)電站的聯合調度運行，甚至與常規(guī)水電站或燃氣發(fā)電站的遠程協調運行等，將可能成為未來大型風電場的一種重要運行模式，其相關的控制技術和自動化設備需要開展大量的開發(fā)研究。此外，在分布式電網中的小型風電場與小型蓄電、蓄熱裝置的聯合運行系統(tǒng)也可能得到快速發(fā)展，其相關的控制技術和自動化設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直接將太陽光能轉換為電能的裝置系統(tǒng)，根據光伏系統(tǒng)與電網的關系，可分為孤網系統(tǒng)和并網系統(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，并網光伏發(fā)電系統(tǒng)已經成為我國光伏發(fā)電發(fā)展的主流。并網逆變器是影響光伏并網發(fā)電系統(tǒng)經濟可靠運行的關鍵部件，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，為保證電站及電網的安全穩(wěn)定運行，并網逆變器高頻化、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]。并網保護裝置一般內置在逆變器中，在電網側和逆變器側發(fā)生異常時，能迅速停止逆變器，確保電網安全。通常情況下，由于并網光伏發(fā)電系統(tǒng)只向電網輸送有功電能，因此需要在系統(tǒng)內安裝無功補償裝置，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光伏發(fā)電系統(tǒng)需在并網點安裝電能質量監(jiān)測分析裝置，以監(jiān)測光伏電站的電能質量。并網光伏系統(tǒng)還應配有有功功率控制系統(tǒng)和功率預測系統(tǒng)，從而提高電網運行的安全性和穩(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，為應對大量且復雜的局部故障，系統(tǒng)自動重構及其智能決策相關的自動化技術和設備可能成為未來的需求熱點。光伏電池的老化檢測與防護技術，以及除塵、掃雪等的自動化設備也將有巨大的市場潛力。此外，為解決光伏發(fā)電大規(guī)模并網和消納問題，光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)的聯合協調運行也是其未來的一個重要發(fā)展方向，其相關的控制技術和自動化設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)構成[9]，其運行監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構示意圖如圖1所示。目前，國內還沒有商業(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)網絡結構示意圖

    在聚光子系統(tǒng)中，聚光器通過跟蹤裝置實現對太陽輻射的實時跟蹤，并將太陽輻射準確投射到集熱器上。從實現跟蹤的方式上講，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動機構實現的開環(huán)控制。河海大學與南京玻纖院研發(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確位置，當系統(tǒng)啟動后采用閉環(huán)控制，實現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據通過串行總線發(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)在預備、啟動、運行調整、停機以及緊急關機等工況下的工質流量、溫度等的控制問題；蒸汽發(fā)生器給水、汽溫和汽壓等關鍵量的控制問題；儲熱子系統(tǒng)與集熱子系統(tǒng)的協調控制問題以及集熱器防超溫的保護控制等。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，控制品質很難令人滿意[13-21]。因此，其集熱、儲熱的控制系統(tǒng)比較復雜且目前還不大成熟。

    在汽輪發(fā)電子系統(tǒng)中，汽輪機的數字電液控制系統(tǒng)（DigitalElectric Hydraulic control system，簡稱DEH）是其關鍵控制系統(tǒng)，對汽輪發(fā)電機組實行過程控制，作為電廠汽輪機運轉的神經中樞，是整個電站控制的重要組成部分。汽輪機的DEH調速系統(tǒng)設計有轉速回路、閥控回路、功控回路等功能，調速功能最為基本與重要。DEH系統(tǒng)可實現汽輪機轉速大范圍內的無差調節(jié)。在此基礎上，增加閥位偏差反饋和機前壓力偏差反饋，便可構成多種控制方式。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)進行調節(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)的建設發(fā)展，在我國尚處于起步階段，但經多年的試驗研發(fā)已日臻成熟，預計即將跨入快速發(fā)展時期，其相關的控制技術和自動化設備也即將迎來難得的快速發(fā)展機遇期。

    4　結語

    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構看，在未來很長一段時期內，煤電仍將一直占據絕對優(yōu)勢的比重，為應對環(huán)保和減排的巨大壓力，我國今后在新能源發(fā)電方面的建設發(fā)展依然任重道遠，繼續(xù)維持高速發(fā)展將是今后很長一個時期內的必然趨勢。對于與新能源相關的自動化技術領域，既是重要的發(fā)展機遇也是嚴峻的技術挑戰(zhàn)，因為新能源方面快速發(fā)展的新常態(tài)，對于自動化技術領域既會帶來更多、更大的應用需求，也會提出更高、更新的技術要求，這就需要跨學科領域大量研發(fā)人員的廣泛合作和協同攻關，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，現任教于河海大學能源電氣學院，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