未來的電力能源系統(tǒng)綜述

1、未來的電力能源系統(tǒng)綜述能源的四次革命：煤炭：18世紀(jì)石油：19世紀(jì)核能：20世紀(jì)可再生能源：21世紀(jì)世界上的可再生能源基于智能電網(wǎng)的電力系統(tǒng)框架具有挑戰(zhàn)的領(lǐng)域控制技術(shù)的挑戰(zhàn)可再生能源中的技術(shù)問題其它技術(shù)世界上的可再生能源水力發(fā)電 2007年，水電占有全部能源的16%， 2010年，我國水電總裝機(jī)容量突破2億千瓦大關(guān) 光伏發(fā)電 光伏發(fā)電以每年30%的速度增長，預(yù)計(jì)2020年世界光伏發(fā)電的發(fā)電量占總發(fā)電量的1 。風(fēng)力發(fā)電： 2009年，風(fēng)能已經(jīng)占世界能源的1%， 2011年風(fēng)力發(fā)電預(yù)計(jì)可達(dá)200GW潮汐發(fā)電生物質(zhì)能發(fā)電低溫余熱發(fā)電小水電（小于10MW） 小水電發(fā)展中國家具有非常重要的潛力世界上的可

2、再生能源拉丁美洲： 具有最高的可再生能源比例，達(dá)到全部電力的58%，其中主要是水力發(fā)電。歐盟： 2010年目標(biāo)是在2020年可再生能源達(dá)到全部能源的20%，世界領(lǐng)先的德國計(jì)劃到2050年100%使用可再生能源。美國： 即要將可再生能源的比例提高到20%。中國： 2010年可再生能源達(dá)到總裝機(jī)容量的10%。世界上的可再生能源光伏發(fā)電 發(fā)展?fàn)顩r： 光伏發(fā)電在發(fā)達(dá)國家的發(fā)展非?？?，德國和西班牙裝機(jī)容量最大，其中德國占整個(gè)歐洲安裝容量的85%，超過了1500MW。目前世界上正在規(guī)劃建設(shè)的大型光伏發(fā)電站有西班牙Olmedella的60MW，德國Waldpolenz的40MW，韓國的Sinan-Gu的25

3、MW，美國Nellis空軍基地的。 發(fā)展方向： 更高效率的電力變換裝置 最大功率跟蹤算法 太陽能面板和電力變換器集成 更先進(jìn)的孤島檢測算法世界上的可再生能源風(fēng)力發(fā)電 發(fā)展?fàn)顩r： 德國和西班牙是世界整個(gè)風(fēng)電利用的領(lǐng)先者，2007年的裝機(jī)容量分別為20622MW和11615MW。預(yù)計(jì)，到2020年，整個(gè)歐洲的裝機(jī)容量將占所有電力供應(yīng)的16%。美國風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用在2008年為20000MW，據(jù)估計(jì)美國的風(fēng)力發(fā)電將以每年107770億千瓦增長，三倍于當(dāng)前全國的電力供應(yīng)。 發(fā)展方向： 單臺(tái)風(fēng)機(jī)容量的提升 小型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的增加 仿效傳統(tǒng)的油、氣發(fā)電的電網(wǎng)行為的風(fēng)電場的建設(shè)。 基于模塊化結(jié)構(gòu)和大功率電力變換裝

4、置 高可靠性的控制策略。專業(yè)的風(fēng)電人才的培養(yǎng)。基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可再生能源不能代替原有的電力能源包含多種發(fā)電形式由電力能量流和信息流兩個(gè)同心圓組成電力能量流的管理依賴于電力變換器（PEBBs）信息流的管理依賴于現(xiàn)代通信技術(shù)基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電力電子： 處理能量流，電力變換技術(shù)能夠使得智能電網(wǎng)中的不同角色之間有一種柔性的相互作用，如電力生產(chǎn)者與消費(fèi)者、電能儲(chǔ)存裝置，以及負(fù)荷之間。電網(wǎng)的三種運(yùn)行模式單獨(dú)運(yùn)行模式微電網(wǎng)運(yùn)行模式 集群運(yùn)行模式基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電網(wǎng)中的幾種角色電能生產(chǎn)者 主要由可再生能源組成，數(shù)量巨大電能消費(fèi)者 需要規(guī)范

5、自己的用電方式，以有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定，或者提供間接儲(chǔ)能。 儲(chǔ)能系統(tǒng) 在具有高穿透率的可再生能源電網(wǎng)的運(yùn)行中具有至關(guān)重要的作用 輸電系統(tǒng) 柔性輸電方式基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FEBBs（Power Electronic Building Blocks） 可再生能源的高穿透率需要能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并且要他們協(xié)調(diào)運(yùn)行 PEBBs具有能量雙向流動(dòng)的能力，滿足大功率電力密度，高可靠性和柔性運(yùn)行的要求MEBBs（Mechanical Building Blocks） 機(jī)械傳輸最優(yōu)化-連續(xù)變量傳輸 MEBBs和PEBBs機(jī)電一體的控制算法 基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)： 傳統(tǒng)電網(wǎng)只有幾個(gè)很少的電力生

6、產(chǎn)點(diǎn)，而且電力消費(fèi)是無序的，電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)可以通過集中監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)。 而智能電網(wǎng)的情況是完全不同的，數(shù)量巨大的分布式電力生產(chǎn)，生產(chǎn)和消費(fèi)的能源匹配，對(duì)更好的能源匹配的要求提供負(fù)載尖峰電流，都需要電力生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，而這種協(xié)調(diào)在分布式控制系統(tǒng)中是無法完成的。 在智能電網(wǎng)中，信息扮演著十分重要的角色，通信系統(tǒng)是連接所有分布式電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，可以完成各部分的信息交換，使電網(wǎng)變成名符其實(shí)的智能?；谥悄茈娋W(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能電網(wǎng)中的三種形式SCADA主動(dòng)分布式電網(wǎng) 智能測量基于智能電網(wǎng)的未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高壓系統(tǒng)的通信方式自有網(wǎng)絡(luò)，光纖連接中低壓系統(tǒng)的通信

7、方式公共電話網(wǎng) 無線網(wǎng)絡(luò) -地面集群無線電 電力載波通信 可再生能源的接入規(guī)模挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的發(fā)電形式規(guī)模巨大 美國阿拉巴馬州的Joseph M. Farley核電站，裝機(jī)容量超過1700MW，中國的三峽水電站，裝機(jī)容量達(dá)700MW，擁有32個(gè)發(fā)機(jī)機(jī)組?？稍偕茉窗l(fā)電規(guī)模較小 目前最大的商用風(fēng)電機(jī)組也只有6MW，最常用的機(jī)組只有2MW。能量場：成百上千的機(jī)組被安裝在一起，通常占有很大的土地面積，從而使得他們的能量聚集在一起，以達(dá)到足夠大的要求。 美國得克薩斯州的Horse Hellow風(fēng)電場是目前世界上最大風(fēng)電場，其裝機(jī)容量達(dá)成協(xié)735MW，有GE制造的420臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，占地面積為19000公頃

8、，風(fēng)電場建立了自己獨(dú)立的電網(wǎng)，無論是在傳輸范圍還是在動(dòng)態(tài)特性上都不同于傳統(tǒng)的電網(wǎng)?？稍偕茉吹慕尤胍?guī)模挑戰(zhàn)電網(wǎng)接入 將成百上千的可再生能源發(fā)電廠接入到電網(wǎng)中，給電網(wǎng)帶來了許多問題。如果這些可再生能源發(fā)電都是不可控的，電網(wǎng)將會(huì)變得十分不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致崩潰。將可再生能源發(fā)電接入到電網(wǎng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。 解決方法：高性能的電力變換器可再生能源的接入規(guī)模挑戰(zhàn)1、最大功率傳輸和功率限制控制 發(fā)電端：控制負(fù)荷特性，以求獲得最大能量。在特殊情況下（如電網(wǎng)故障）電氣和機(jī)械控制系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行功率的限制。2、有功功率，無功功率以及電能質(zhì)量控制 電網(wǎng)端：控制注入的有功功率，包括頻率控制，諧波控制，電磁干擾控制，漏電流

9、控制，電網(wǎng)故障時(shí)的控制。 可再生能源的接入規(guī)模挑戰(zhàn)控制器結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)反饋控制：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)：控制注入電網(wǎng)的電流，同時(shí)控制電能質(zhì)量。外環(huán)為電壓反饋控制環(huán)：控制功率的流向，通過控制有功功率和無功功率來控制功率流向，以及接入點(diǎn)的電壓和頻率?？稍偕茉吹慕尤胍?guī)模挑戰(zhàn)同步鎖相環(huán)技術(shù)電壓過零點(diǎn)檢測非線性變換的聯(lián)合濾波方法電能質(zhì)量可再生能源的功率的瞬時(shí)接入和切除諧振閃變電網(wǎng)故障可再生能源的接入規(guī)模挑戰(zhàn)微電網(wǎng) 各種可再生能源結(jié)合在一起，組成一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng) 微電網(wǎng)中的課題： 負(fù)荷分配 功率因數(shù)控制 電能質(zhì)量管理可再生能源的接入規(guī)模挑戰(zhàn)微電網(wǎng) 各種可再生能源結(jié)合在一起，組成一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng) 微電網(wǎng)中的課題： 負(fù)荷分配

10、 功率因數(shù)控制 電能質(zhì)量管理 分離控制集中控制控制上的挑戰(zhàn)PV和WT的控制系統(tǒng)控制上的挑戰(zhàn)最大功率跟蹤 光伏發(fā)電 光伏電池板的電流-電壓特性是光照和溫度的函數(shù)，最常用的兩種最大跟蹤方法有擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法，其本質(zhì)是相同的，只是在實(shí)現(xiàn)方法上不同。其主要原理是根據(jù)最大功率點(diǎn)的電壓來調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電壓控制上的挑戰(zhàn)最大功率跟蹤 風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速剛是風(fēng)速和溫度的函數(shù)，通常采用風(fēng)速計(jì)，利用查表法來得到轉(zhuǎn)矩，從而控制轉(zhuǎn)矩。其它還有爬山法等等?？刂粕系奶魬?zhàn)電機(jī)與電網(wǎng)的解耦控制 電機(jī)直接與電網(wǎng)相連 電氣控制系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的變化風(fēng)速并保持系統(tǒng)發(fā)出固定頻率的電和電網(wǎng)相連。 電機(jī)通過電力變換器與電網(wǎng)相連 將

11、發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流后，送到直流母線，然后再轉(zhuǎn)換成交流電連接到電網(wǎng)?？刂粕系奶魬?zhàn)混合電力能源系統(tǒng)控制 控制上的挑戰(zhàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量 輔助設(shè)施 可再生能源發(fā)電技術(shù) 電力電子 電力變換器是可再生能源發(fā)電必須應(yīng)用的 光伏發(fā)電 電氣控制系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的變化風(fēng)速并保持系統(tǒng)發(fā)出固定頻率的電和電網(wǎng)相連。三種連接形式 可再生能源發(fā)電技術(shù) 新型電力變換器的使用 無變壓器的電力變換器基于新器件（如SIC）的變換器多電平逆變器A、較好的電能質(zhì)量B、更低的噪聲C、更低的漏電流。可再生能源發(fā)電技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電 輸電系統(tǒng) 可再生能源發(fā)電技術(shù) 電機(jī) 定子繞組直接接到電網(wǎng)上，而其轉(zhuǎn)子連接上可變電阻，加補(bǔ)償電容。 可再生能源

12、發(fā)電技術(shù) 電機(jī) 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG） 可再生能源發(fā)電技術(shù) 電機(jī) 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)可再生能源發(fā)電技術(shù) 電機(jī) 永磁同步發(fā)電機(jī)可再生能源發(fā)電技術(shù) 儲(chǔ)能系統(tǒng) 電池飛輪超級(jí)電容壓縮空氣 即使可再生能源接入到電網(wǎng)中，可再生能源發(fā)電仍然需要和其他能源與結(jié)合來提高其魯棒性以應(yīng)對(duì)其本質(zhì)上的間歇性。其他可再生能源發(fā)電 光熱發(fā)電 先將光能轉(zhuǎn)換成熱能，再驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電其他可再生能源發(fā)電 海浪和潮汐發(fā)電美國電力研究院2005年的報(bào)告稱，海浪發(fā)電是具有最高環(huán)境友好性的能量轉(zhuǎn)換方式，同時(shí)預(yù)言了能量收集的方法，美國可利用的海洋波浪能源可達(dá)每年2100TWh，幾乎十倍于整個(gè)國家2003年水力發(fā)電總量。高價(jià)值的海浪能源還存在于北歐的東海岸，智利南海岸，澳大利亞和阿拉斯加的西南海岸。 生物質(zhì)能發(fā)電相