能源转换与控制技术导论.ppt

1,机械工业出版社,新能源转换与控制技术江南大学 惠 晶主编,2,机械工业出版社,本书主要内容,第1章 新能源转换与控制技术导论第2章 电源变换和控制技术基础知识第3章 风能、风力发电与控制技术第4章 太阳能、光伏发电与控制技术第5章 生物质能的转换与控制技术第6章 天然气、燃气发电与控制技术第7章 水能、小水力发电与控制技术第8章 海洋能利用与发电技术第9章 其他新能源的发电与应用技术,3,机械工业出版社,绪 论 新能源利用包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。新能源转换与控制技术涉及：利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源电能；对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。,4,机械工业出版社,第1章 新能源转换与控制技术导论,5,机械工业出版社,6,机械工业出版社,1.1 能源储备与可持续发展战略 1.2 能源的分类与基本特征 1.3 新能源发电能源转换的重要形式 1.4 新能源转换与控制技术的经济意义,本章主要内容,7,机械工业出版社,1.1能源储备与可持续发展战略,中国的能源结构与储备 1、中国的能源结构 中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。,8,机械工业出版社,9,机械工业出版社,煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后20年，甚至到本世纪中叶，我以煤为主的能源结构将不会改变。,在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。,10,机械工业出版社,2、中国的资源和能源储备 我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用效率的低下。我国能源利用效率仅为30%左右。中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结构矛盾的表现。煤电油供需矛盾相当突出。建立高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。,11,机械工业出版社,中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）（美国数据为2001年）,12,机械工业出版社,中国能源产消现状,13,机械工业出版社,中国一次能源消费结构,14,机械工业出版社,“十五”以来中国能源消费增长情况,15,机械工业出版社,1.1.2 中国的可持续发展战略l9802000年期间，中国能源发展成就巨大：实现了GDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。是能源利用效率大幅度提高。是取得了相当大的环境效益。这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。,16,机械工业出版社,在2006年初，我国正式颁布了可再生能源法，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。,17,机械工业出版社,风力发电,18,机械工业出版社,水力发电,19,机械工业出版社,燃料电池汽车,20,机械工业出版社,奥体中心光伏发电项目,21,机械工业出版社,1.2能源的分类与基本特征,1.2.1 能源的分类1、能源 能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。2、能源的分类“世界能源理事会(World Energy Council WEC)”推荐的能源分类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。,22,机械工业出版社,1.2.2 能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。,可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源。,包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。,23,机械工业出版社,二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“合能体能源”。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。,如：电能,如：柴油、汽油,24,机械工业出版社,终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5种。非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。,25,机械工业出版社,1.2.3 新能源及主要特征新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。包含两方面：新能源体系：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热 能、氢能、核能新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术,26,机械工业出版社,“新”与“旧”的区别“新”与传统的“旧”能源利用方式和能源系统相对立。“旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率；只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。“新”：高效利用能源；资源综合利用；可再生能源；替代能源；节能。,27,机械工业出版社,1.2.4 分布式能源及主要特征1、分布式能源 国际分布式能源联盟（WADE）对“分布式能源”给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：高效的利用发电产生的废能生产热和电；现场端的可再生能源系统；包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。,28,机械工业出版社,国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主要形式；“燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。,高效燃料电池,29,机械工业出版社,微型燃气轮机,30,机械工业出版社,2、分布式能源主要特征(1)高效性(2)环保性(3)能源利用的多样性(4)调峰作用(5)安全性和可靠性(6)减少国家输配电投资(7)解决边远地区供电,31,机械工业出版社,1.3新能源发电能源转换的重要形式,1.3.1 新能源发电技术的应用 风力发电 风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的 发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为 发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在 大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等。,32,机械工业出版社,太阳能发电 美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成多个MW级的联网光伏电站。,美国最大太阳能发电项目“太阳能之星”,33,机械工业出版社,燃料电池发电 燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。,燃料电池发电系统,燃料电池汽车,34,机械工业出版社,生物质发电 全球每年植物所固定的生物质能相当于10.2万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（87亿吨标准煤）1172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合7亿吨标准煤，但目前开发极少。,生物质发电示意图,秸秆发电厂,35,机械工业出版社,核能发电 又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。,俄罗斯悬浮核能发电厂,核能发电厂水蒸气,36,机械工业出版社,燃气发电 根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。,距尼日利亚拉各斯70余公里的帕帕兰多燃气电站一角。帕帕兰多燃气电站的8台燃气机组都是由中国制造。总装机容量为33.6万千瓦。,37,机械工业出版社,其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。,地热能发电,海洋能潮汐发电站,38,机械工业出版社,1.3.2 我国新能源发电的现状 太阳能发电我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到21%，一般商业电池效率是10%14%。已建成1座光伏电站，总容量约40MW。风能发电到2005年底，我国独立风电装置有10多万台，总容量20MW左右，80%以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的1.5MW风力发电机组已经投入运行。地热能发电地热能我国地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。生物质能发电生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约800MW。,39,机械工业出版社,燃料电池发电燃料电池自上世纪90年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。小水利发电由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。核能发电预计，中国计划2020年核能发电能力将由目前的约8kMW增加到40kMW，投资金额高达300亿美元。开发时序预期为：20002020年重点开发先进核反应堆技术；20202030年重点开发快中子堆技术；20302040年重点开发加速器驱动亚1临界系统；20402050年重点开发受控核聚变技术。,40,机械工业出版社,1.3.3 新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1 太阳能光伏发电及其电源变换系统 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。1、光伏发电系统结构 典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。,41,机械工业出版社,（1）光伏阵列 实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.,图1-1 光伏发电系统组成,42,机械工业出版社,（2）蓄电池组 作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列蓄电池组的充电、蓄电池组负载的放电）双向变换控制。（3）电力电子变换器 电力电子变换器实现DCAC或DCDC电能变换，是光伏发电系统的关键部分。,直流变换器将直流电源变换为不同电压等级的直流电源,交流变换器将直流电源逆变成交流电源,变 换 器,43,机械工业出版社,（4）控制器 光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPT）蓄电池充放电控制 光伏直流输电升降压变换控制 逆变器控制等（5）负载 终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。,负 载,直流负载 由直流电源供电,交流负载 由交流电源供电,44,机械工业出版社,2、光伏发电系统的分类 按电力系统终端供电模式分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。（1）独立光伏发电系统 独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统,用户光伏发电系统,独立光伏发电站。,一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。,图1-2 户用光伏发电系统,45,机械工业出版社,（2）光伏并网系统 由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。典型的光伏并网系统如图：,图1-3 典型并网光伏发电系统,46,机械工业出版社,3、电源变换系统结构 逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换电路。主要作用是将直流电经DC/AC逆变器变换成与电网同频率的交流电，为实现并网供电奠定基础。根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：,逆 变 电 路,电流源型,电压源型,47,机械工业出版社,（1）电流源逆变电路 直流母线采用电感（L）储能,图1-4 典型电流源逆变电路,48,机械工业出版社,（2）电压源逆变电路 直流母线采用电容（C）储能,图1-5 典型电压源逆变电路,49,机械工业出版社,（3）复杂逆变电路,优点是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；缺点是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。,图1-6 二极管箝位的三电平电路,50,机械工业出版社,（4）级联式逆变器,多电平逆变器虽然可根据光伏阵列的组合，方便地组合成多电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然是一个难题，限制了其广泛应用。,图1-7 级联式多电平逆变器拓扑结构,51,机械工业出版社,1.3.3.2 风力发电及其电源变换系统从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分：一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。风力机在结构型式上分水平轴式与垂直轴式。,垂 直 轴,水 平 轴,52,机械工业出版社,1风力发电系统结构 风力发电系统是将风能转换为电能，由机械、电气及控制大系统组合构成。包括风轮（风力机）、发电机、变速器及有关控制器和储能装置。典型的风力发电系统：风能资源 风力发电机组 控制装置 蓄能装置 备用电源 电能用户,53,机械工业出版社,独立运行的风力发电机组 又称离网式风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用。,图1-8 独立运行的风力发电系统框图,54,机械工业出版社,储能方式：蓄电池蓄能(主要）在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池作为存储电能的装置。抽水蓄能 地形条件合适压缩空气储能飞轮储能电解水制氢储能,55,机械工业出版社,、并网运行的风力发电机组（1）恒速恒频方式 风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。采用笼形异步发电机。,图1-9 恒速恒频并网发电系统,56,机械工业出版社,恒速发电的特点：电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏；强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。适用于小功率风电系统，通常不大于600kW。,57,机械工业出版社,（2）变速恒频方式 风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。变速发电的特点：在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高效率10%；减小发电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，又称“弹性”风力发电；电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量；在强风来时倾角控制器才工作，对倾角控制的响应速度大大降低、动作次数显著减少、机构寿命得以延长。适用于大功率发电场合，通常大于1000kW,58,机械工业出版社,a、同步发电机的直接并网系统,特点：发电机发出的全部电功率都通过变频器，发电系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收麻烦；可以使用永磁发电机，发电机轻、效率高，变换器增加的投资可以从节省的机械结构中得到补偿；变频器中的交直变换可以用二极管整流+直流斩波，形式简单。,图1-10 同步发电机的直接并网系统,59,机械工业出版社,b、双馈发电机(绕线转子异步发电机)的并网系统,双馈发电系统的工作原理为：当发电机转子转速高于同步速时，双馈电机工作于发电状态；当转速低于同步速时，双馈电机工作于电动状态。,图1-11 双馈发电机的并网系统,60,机械工业出版社,异步交直交并网发电荷兰 WES5-2.5KW,61,机械工业出版社,特点：在变频器中仅流过转差功率，其容量小，投资和损耗小，发电效率提高，谐波吸收方便；要求双向功率流过变频器，变频器必须是四象限双PWM变频器，由两套IGBT变换器构成；只能使用双馈发电机，比永磁发电机重，效率低。两种变速发电系统都有应用。其中，由于双馈发电系统可获得较高的发电效率，属于重点推广技术。,62,机械工业出版社,变速恒频发电系统的控制 变速恒频发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制。控制要求：低风速段按输出最大功率要求进行变速控制；中风速段为过渡区段，倾角控制器投入工作，功率则随风速增加上升；高风速段为功率和转速均被限制区段，功率靠变频器限制。,63,机械工业出版社,（1）双馈发电系统的变频器控制,图1-12 双馈发电系统变频器控制原理框图,64,机械工业出版社,（2）风机浆叶节距控制,图1-13 桨叶节距倾角控制系统框图,65,机械工业出版社,燃料电池发电及其电源变换系统 分类：固定式的燃料电池 汽车专用移动式燃料电池 特点：低噪声；变换效率高，对环境的污染几乎为零；体积小，使用方便；能使用多种燃料发电，可以代替火力发电。,66,机械工业出版社,1燃料电池发电系统构成,图1-14 燃料电池发电系统构成框图,67,机械工业出版社,燃料重整系统将得到的燃料转化为燃料电池能使用的以氢为主要成分的转换系统；空气供应系统可以使用电动机驱动的送风机或空气压缩机；DC/AC变换系统直流到交流的逆变装置；排热回收系统用于回收燃料电池发电时产生的热能；控制系统燃料电池发电时的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置；剩余气体循环系统在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机剩余气体的循环系统。,68,机械工业出版社,2燃料电池发电电源变换控制系统,燃料电池发电电源变换系统的工作方式与内燃机相似。,图1-15 燃料电池发电电源变换控制系统框图,69,机械工业出版社,燃料电池的分类：按电解质性质分：碱性燃料电池（Alkaline Fuel CellAFC）质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel CellPEMFC）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel CellPAFC）熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel CellMCFC）固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel CellSOFC）按工作温度分：低温燃料电池（AFC、PEMFC、PAFC）高温燃料电池（MCFC、SOFC）按开发早晚顺序：把PAFC称为第一代燃料电池；把MCFC称为第二代燃料电池；把SOFC称为第三代燃料电池。,70,机械工业出版社,1.4 新能源转换与控制技术的经济意义,1.4.1 能源是经济发展的引擎1、世界能源消费现状和发展趋势,过去100多年世界能源消费变化,71,机械工业出版社,72,机械工业出版社,2、中国能源消费现状与发展趋势,73,机械工业出版社,3、中国可持续发展战略与新能源利用 实现未来15年的发展目标，能源、资源和环境是最大的制约因素。新能源利用从广义化概念讲，应包括以下3个方面：综合利用能源 以提高能源利用效率和节能为目标，加快转变经济增长方式。替代能源 发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进口的依赖。新能源转换 大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化能源结构。,74,机械工业出版社,1.4.2 新能源转换的经济意义1、新能源转换的资源保障（1）光伏发电 利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式 太阳能的转换利用方式有：光热转换 光电转换 光化学转换 但如何合理利用太阳能发电，提高光电转换效率，降低开发和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。,75,机械工业出版社,（2）风能发电 利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。中国的风能总储量估计为1.6109kW，列世界第三位。风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。（3）核能发电 利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。,新核能,76,机械工业出版社,（4）小水利发电 装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。优势：开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；具有极强的适用性和辐射性；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；在环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。,小水利,77,机械工业出版社,（5）生物质能发电利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃烧发电的形式。全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能。优点：燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧生物质的热效率仅为10%30%，体积大而不易运输。,78,机械工业出版社,（6）海洋能发电 利用海洋的各种能量，直接将其转换为电能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能 优点：蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强 缺点：开发困难，并有一定的局限 潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。,79,机械工业出版社,（7）地热能发电利用高温地热资源进行发电的形式。缺点：由于地热田的分布一般远离人口密集的城镇，要利用这些资源就存在蒸汽或热水长距离输送的困难。氢能发电用电解法、热化学法、光电化学法、等离子体化学法等制备氢气，再经燃料或制成氢燃料电池发电的形式。,BMW氢能7系概念车 时速300km/h以上,80,机械工业出版社,2、新能源转换的经济意义 目前除水电外，最有竞争潜力和增长速度最快的是风能。2004年德国的风力发电量已达245亿kWh，可满足全国4%的用电量。太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为5000欧元kWh，太阳能供热系统平均为2500欧元kWh，因此与化石能源相比，短期内还缺乏竞争力。我国在地热能发电、潮汐发电等方面已有规模化应用 由于京都议定书的生效，氢能作为有望替代石油的动力燃料，得到了各发达国家的普遍关注。作为替代石油的重要战略选择，生物质燃料也成为世界最新关注的热点。生物质能可直接生产和提供动力液体燃料，这对于解决交通能源十分重要。核电是新能源体系中能量密度最大，运行成本较低的清洁能源。,