智能電網(wǎng)第2章

第二章分布式電源

§2-1微型渦輪發(fā)電機§2-2光伏電源

§2-3燃料電池

§2-4風力發(fā)電

§2-5能量存儲系統(tǒng)2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機微型渦輪發(fā)電機是由微型渦輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機組成的發(fā)電系統(tǒng)，是提供分布式電能生產(chǎn)的最佳選擇之一，它結構簡單，開發(fā)研制所需的技術已取得突破性進展。容量：軸上的凈輸出功率小于200kW，不同的工程設計人員對微型渦輪發(fā)電機的容量定義不一樣，有些包括200kW以上的發(fā)動機，但一般的嚴格定義均為100kW以下。簡單的循環(huán)周期：單級壓縮機和單級渦輪。一、單軸微型渦輪發(fā)動機現(xiàn)代的微型渦輪發(fā)電機除了具有低污染排放的特點外，還具有下述4個方面的特點：壓縮比：一般為3:1~4:1。轉(zhuǎn)子：驅(qū)動軸很短，一端裝設發(fā)電機，中間為軸承。Capstone、Elliott和Honeywell等公司已開發(fā)了數(shù)種額定容量為20~150kW的單軸渦輪發(fā)動機。微型渦輪發(fā)動機最緊湊的流程為具有環(huán)行燃燒室的環(huán)繞回流換熱器，流程的配置取決于具體的應用。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機表2-1微型渦輪發(fā)動機的技術參數(shù)制造商轉(zhuǎn)速

/(kr/min)額定功率

/kW效率(%)余熱利用Capstone309628有Elliott1164517無Honeywell757530有2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機優(yōu)化設計的微型渦輪發(fā)動機具有渦輪壓縮機，其噴嘴只有數(shù)英寸，轉(zhuǎn)速在額定功率時為60~100kr/min，類似于小型的渦輪增壓器。微型渦輪發(fā)動機和渦輪增壓器的主要空氣動力學差異在于渦輪的設計。對于實際可行的微型渦輪發(fā)動機，其障礙不是渦輪機的技術而是其他因素：成本：總的每千瓦價格和回流換熱器的成本。廢氣的排放水平。天然氣的注入方法和它們的安全性。軸的動力學特性和軸承的設計?；亓鲹Q熱器的可靠性、效率和成本。微型渦輪發(fā)動機主要的設計特征是使用了輻流式壓縮機和膨脹器。采用輻流式壓縮機可得到很高的壓縮比，與6級軸流式壓縮機相比，單級輻流式壓縮機的壓縮比一般為3:1或4:1。為取得更高的壓縮比，可采用多級輻流式結構，但將使得設計相當復雜。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機無論微型渦輪發(fā)電機是并網(wǎng)運行還是對單獨的負荷供電，都需要控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和輸出電壓。微型渦輪發(fā)電機通常使用變轉(zhuǎn)速的永磁交流發(fā)電機，其輸出的交流電的頻率非常高，必須首先對輸出電壓整流，再逆變?yōu)楣ゎl交流電。1.設計特點微型渦輪發(fā)動機的主要原動力由布雷頓循環(huán)(BraytonCycle)或稱為等壓循環(huán)產(chǎn)生，有些具有回流換熱器，有些沒有。微型燃燒室設計一般不能根據(jù)大型渦輪機的燃燒室按比例縮放，主要是因為受到下述因素影響：①表面積/體積隨燃燒室的大小而變化；②室壁淬火的影響；③燃料流量較低，只能使用較少的噴嘴和節(jié)流面積；④漏泄間隙的增加等。燃燒室尺寸的關鍵參數(shù)可定義為熱釋放率(HRR)，即較低的HRR可增加滯留時間，有益于減少CO的排放。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機接觸反應式燃燒室可取得較高的HRR，為完成燃料的氧化，它們需要某種形式的預燃燒室和額外的后階段的燃燒室空間，總的燃燒室容積與常規(guī)的燃料噴射燃燒爐類似。對于小型企業(yè)和居民用的微型渦輪發(fā)動機，一般選擇天然氣作為燃料，但是需要將天然氣的壓力從周圍管道的壓力加壓到超過微型渦輪發(fā)動機的壓縮機傳送的壓力。壓縮機出口的壓力一般為3~4atm?；亓鲹Q熱器能夠回收渦輪機排放的熱能并為燃燒空氣預熱，其外殼通常為金屬，也可采用陶瓷外殼?；亓鲹Q熱器基本上是空氣和空氣之間的熱交換，而空氣到其表面的熱傳遞系數(shù)充其量也只是比較適中，所以熱交換需要相當大的表面積。若將回流換熱器的壓力適當降低4%~5%，并采用一般的表面結構，則其重量和成本與其效率η之間的關系如下：2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機軸承：為增加微型渦輪發(fā)動機冷起動能力，降低其造價，一般采用空氣軸承而不采用磁性軸承。微型渦輪發(fā)電機系統(tǒng)一般采用永磁發(fā)電機。

將小型的渦輪發(fā)動機與高速永磁發(fā)電機集成在一起對設計人員是一個挑戰(zhàn)，因為需要解決高速動力學特性和平衡、磁性的保持和溫度限制、冷卻系統(tǒng)的選擇和附加損失的計算、保養(yǎng)和日常零部件的維修、發(fā)生內(nèi)部故障時電壓的調(diào)整和勵磁系統(tǒng)的切除以及交流頻率轉(zhuǎn)換等方面的難題。高速永磁發(fā)電機主要的特征是能夠為渦輪發(fā)動機機提供高速起動或點火速度，避免了采用專門的起動電動機和專門的起動燃料噴射器，因而簡化了燃料控制系統(tǒng)。永磁發(fā)電機輸出功率P與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子體積之間的關系如下：2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機發(fā)電機輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關系示意圖為獲得相應的功率，轉(zhuǎn)速和直徑應折衷選擇。2.單軸微型渦輪發(fā)動機循環(huán)分析微型渦輪發(fā)電機的效率和輸出電能、熱能基本上為循環(huán)峰值溫度、回流換熱器入口溫度、壓縮機壓縮比率以及組件效率的函數(shù)。

2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機渦輪轉(zhuǎn)子合金的斷裂應力和低循環(huán)疲勞強度的限制、工作循環(huán)和轉(zhuǎn)子冷卻方式的選擇決定了渦輪入口的溫度?；亓鲹Q熱器基質(zhì)材料的壽命決定了回流換熱器進氣溫度。壓縮比率取決于壓縮機類型和所使用的材料。下述技術參數(shù)可應用于2.5~100kW的微型渦輪發(fā)動機：壓縮比率大于3.5時對熱效率的改善沒有任何作用，因此應采用較低壓縮比的壓縮機和渦輪效率以及對渦輪圓周速度的限制。2.5kW和5.0kW的微型渦輪發(fā)動機，其峰值熱效率分別為27%和25%，大型的渦輪發(fā)動機效率可達30%。將回流換熱器的效率從85%增加到90%可使熱效率增加1.9%，但是回流換熱器的尺寸和價格將增加60%。當渦輪接近優(yōu)化的轉(zhuǎn)速時，熱效率基本不變，因此設計時應選擇比優(yōu)化轉(zhuǎn)速低的轉(zhuǎn)速，為將來性能改善留下空間。功率/重量和速度的函數(shù)關系以及成本/功率和速度函數(shù)關系也相對平坦。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機在最終的設計中，還需要進一步分析和綜合的內(nèi)容有：應力、熱力學性能、動力學特性等因素。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機微型渦輪發(fā)電機經(jīng)常不是滿負荷運行，設計人員、經(jīng)濟分析人員和制造商需了解微型渦輪發(fā)電機帶部分負載的性能。典型的具有回流換熱器的微型渦輪發(fā)動機在恒速和可變渦輪入口溫度運行時或在變速和恒定回流換熱器入口溫度運行時，帶部分負荷的效率曲線圖不同，如圖所示。變速運行模式提高了帶部分負荷時的運行性能，但需要控制系統(tǒng)能夠測量負荷的變化并優(yōu)化運行速度，且高循環(huán)疲勞故障將增加。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機二、雙軸微型渦輪發(fā)動機雙軸微型渦輪發(fā)動機的設計一般采用金屬徑向渦輪機組件,使用堅固的渦輪增壓器組件，潤滑系統(tǒng)采用增壓的潤滑油系統(tǒng)，運行在相對較低的壓縮比，一般為3:1，使用一級壓縮和兩級渦輪。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機微型渦輪發(fā)動機設計成兩個渦輪將具有下述優(yōu)點：引擎壽命長：將發(fā)動機的輸出功率分配到兩個渦輪可降低渦輪葉片的應力，進一步采用相對低的壓縮比和引擎的渦輪入口溫度可延長渦輪的壽命。可直接輸出機械功率：任何旋轉(zhuǎn)的機械部件都可以由電力渦輪驅(qū)動，因此雙軸微型渦輪發(fā)動機可以應用于更廣泛的領域。具有靈活的設計工作點：對于電力渦輪，雙軸引擎結構允許設計者更靈活地選擇設計的工作點。軸的機械設計簡單：與電力渦輪和負荷相關的軸的設計問題與汽化器渦輪軸無關，因此這些簡單軸的設計沒有單軸引擎軸的設計復雜，因為后者必須考慮轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性、負載特性以及將所有旋轉(zhuǎn)器件安裝在一個軸上所引起的密封的復雜性等因素。機械的安全性提高：電力渦輪轉(zhuǎn)速的降低減少了系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)設備發(fā)生災難性故障的危險性。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機良好的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性：由于通過引擎的質(zhì)量流位于第一級渦輪，對電力渦輪的運行條件沒有影響，因此電力渦輪在低速運行時可輸出更大的轉(zhuǎn)矩，改善了引擎處理變化負載和維持運行穩(wěn)定性的能力。雙軸微型渦輪發(fā)動機由于具有可直接驅(qū)動機械設備的靈活性，故可應用于各個領域。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機微型渦輪發(fā)電機輸出為高頻交流電，需要通過電力電子接口和控制器將其轉(zhuǎn)換50Hz、380V的交流。三、微型渦輪發(fā)電機電力電子接口和控制1.電力電子接口常用的開關器件：大功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機大功率的開關器件可以構成不同的拓撲結構，實現(xiàn)所要求的電能轉(zhuǎn)換功能，如DC-DC、AC-DC或DC-AC等。為了得到所要求的輸出電壓和頻率，通常采用脈寬調(diào)制技術來改變晶體管的導通和截止時間。因為晶體管工作于開關工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器的輸出波形包含很高頻率的諧波分量，因此需要大功率的濾波器濾除高次諧波，并允許有用的基波電能分量通過?，F(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)換器如果采用一階的電能轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換效率可高達96%(包括了濾波器的損耗)。即使可達到非常高的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換器中的電能損耗也是非?？捎^的，因此器件的散熱是電力電子轉(zhuǎn)換器設計中非常關鍵的方面。2.數(shù)字控制技術典型的分布式發(fā)電系統(tǒng)必須考慮三個方面的控制：微觀控制：即電力電子轉(zhuǎn)換器中大功率開關的開關控制，開關控制必須采用高速實時控制，其采樣速率為微秒級。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機宏觀控制：即電源、能量存儲裝置和負載的潮流控制。這方面的控制取決于所采用的特定的發(fā)電技術，其采樣速率為毫秒級。分布式發(fā)電系統(tǒng)與外部設備之間的通信控制：先進的分布式發(fā)電系統(tǒng)可提供各種數(shù)字通信接口，因此系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。當需要將一定數(shù)量的分布式發(fā)電系統(tǒng)集成為較大的發(fā)電系統(tǒng)時，遠程通信控制是不可少的。3.應用并網(wǎng)運行電力電子轉(zhuǎn)換和控制器可設計為并網(wǎng)運行工作模式。在這種模式下，微型渦輪發(fā)電機系統(tǒng)跟隨電網(wǎng)的電壓和頻率變化，可等效為可控的電流源。并網(wǎng)工作時微型渦輪發(fā)電機主要起負荷跟蹤和削峰填谷的作用。并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)包括同步、繼電保護和反孤島等。為將微型渦輪發(fā)電機系統(tǒng)與電網(wǎng)安全可靠地連接，可將上述功能直接集成在電力電子轉(zhuǎn)換和控制器中。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機分布式發(fā)電系統(tǒng)中電力電子轉(zhuǎn)換和控制器的另一個作用是在不需要任何外部設備前提下，改善供電質(zhì)量。單機運行電力電子轉(zhuǎn)換和控制器可以設計為單機運行工作模式，當系統(tǒng)在這種模式下運行時，整個系統(tǒng)相當于一個電壓源，輸出電流由負載的需要確定。雙模式運行：電力電子轉(zhuǎn)換器既可工作于并網(wǎng)運行模式，也可工作于單機運行模式，還可設計成在上述兩個工作模式之間自動切換。多機運行：為將分布式發(fā)電系統(tǒng)構成一個較大的電力系統(tǒng)，電力電子轉(zhuǎn)換器可設計為與其他分布式發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行的工作模式，這一功能可直接在系統(tǒng)中設置，而不需要任何其他的同步設備?？勺?nèi)剂线\行模式：最先進的電力電子轉(zhuǎn)換器允許分布式發(fā)電能在很寬的燃料范圍運行，因為數(shù)字控制軟件的靈活性和適應性使得不需要對硬件作較大的改變即可實現(xiàn)此功能。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機先進的離心式壓縮機葉片裝置可采用直排式元件，這些直排式元件的安排可形成稱為直紋曲面的三維葉片形狀。采用此方法可創(chuàng)建相當復雜的曲面，并可得到很好的設計效果。采用三維計算流體動力學等新技術，使得設計工作者能夠定義更復雜的葉片形狀，為改善系統(tǒng)的性能提供了更好的機會。四、微型渦輪發(fā)動機性能改善1.渦輪機組的性能若微型渦輪發(fā)動機采用離心式壓縮機，轉(zhuǎn)速的標幺值為0.7~1.0，則某些種類的壓縮機可得到87%~89%的效率。微型渦輪發(fā)動機中，壓縮機效率一般僅能達到稍低于80％。微型渦輪發(fā)動機中的壓縮機尺寸較小，其直徑只有數(shù)英寸，由于雷諾數(shù)效應引入了空氣動力學方面的限制、由于軸承加工時的實際限制使得間隙比相對較大等限制了壓縮機的效率。為滿足市場價格要求，成本的限制也強加到微型渦輪發(fā)動機中，使得設計人員必須采用高容量/低成本的制造技術。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機2.引擎運行條件提高微型渦輪發(fā)動機效率的一個方法是使渦輪機組工作于更能發(fā)揮其性能的運行條件，如更高壓縮比或渦輪入口溫度。2/3/2023微型渦輪發(fā)動機運行在高壓縮比時需要燃料的噴射壓力高，因此需要燃料氣體增壓器，從而使得附加的功率損耗增加。§2-1微型渦輪發(fā)電機嚴格的成本約束使得人們只能使用金屬部件，并且不能使用昂貴的燃氣渦輪引擎所使用的技術，如空氣冷卻葉片。增加系統(tǒng)的壓縮比會增加系統(tǒng)的應力。當要求提高系統(tǒng)效率同時又提高壓縮比和溫度時，將使引擎的壽命進一步縮短。3.余熱回收提高引擎效率最有效的方法是通過回熱器或回流換熱器作為引擎循環(huán)的一部分將微型渦輪發(fā)動機排放的熱能回收利用。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機回流換熱器效率的不同對性能會有不同的影響?；亓鲹Q熱器效率為91％時的效率圖2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機回流換熱器效率為85％時的效率圖

若要得到更高的效率，意味著回流換熱器需要更大的表面積，因此重量和體積將更大。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機蘭金循環(huán)是指通過加熱液體使其氣化生成氣體，并利用氣體做功，再通過冷凝器將氣體冷卻為液體的熱力循環(huán)。五、蘭金循環(huán)微型渦輪發(fā)動機最簡單的蘭金循環(huán)原理如圖所示，由鍋爐，渦輪，冷凝器和循環(huán)供給泵等組成。熱能傳送到鍋爐中的液體，為渦輪產(chǎn)生飽和的或過熱的氣體，低密度的氣體通過冷凝器冷卻為液體，然后通過循環(huán)供給泵對液體加壓并回送到鍋爐，從而完成整個循環(huán)。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機在分布式發(fā)電市場，蘭金循環(huán)發(fā)動機可以用來改善渦輪發(fā)動機和往復發(fā)動機的運行成本。1.工作流體由于水蒸發(fā)時吸收大量的熱能，并具有良好的傳輸特性和廣泛的有效性，因此在高溫蘭金循環(huán)系統(tǒng)中，水為主要的工作流體。在余熱回收應用的低溫熱源蘭金循環(huán)中，由于水的蒸發(fā)需要大量的熱能，使得沸騰溫度低，并且循環(huán)效率也很低。因此在低溫熱源蘭金循環(huán)中，一般采用有機流體而不采用水。設計低溫有機流體蘭金循環(huán)時必須考慮流體的特性，如熱分解限制、可燃性、成本以及有效性等。2.蘭金循環(huán)發(fā)動機的性能

熱源和吸熱設備的溫度影響蘭金循環(huán)的效率，當系統(tǒng)熱源溫度為90℃時有機流體蘭金循環(huán)發(fā)動機的效率為7%~10%，當溫度為315~650℃時，效率為25%~30%。2/3/2023§2-1微型渦輪發(fā)電機根據(jù)下圖給出的循環(huán)效率信息，可估計出低溫有機流體蘭金循環(huán)發(fā)動機的輸出功率。3.蘭金循環(huán)發(fā)動機制造費用廢熱回收的蘭金循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制造費用的變化非常高，這一變化主要取決于輸出電功率的大小、產(chǎn)品的數(shù)量、有效的溫度范圍以及熱交換的需要等因素。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，光伏發(fā)電裝置由半導體器件組成，設計簡單，堅固耐用，基本上不需要維護。一、光伏電池原理

用適當波長的光照射到半導體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩瑞產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應。p-n結的光生伏特效應光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，在內(nèi)部構成自n區(qū)流向p區(qū)的光生電流，在p-n結短路情況下構成短路電流密度。在p-n結開路情況下，p-n結兩端建立起光生電勢差，即開路電壓。將p-n結與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，p-n結起了電源的作用。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電太陽能電池的電流和功率特性為使太陽能電池的輸出功率達到最大，不論外界環(huán)境如何變化，必須使其運行在這一最大功率點?？刹捎秒娮涌刂破鲗崟r地調(diào)節(jié)PV電池運行電壓等于最大功率點的電壓來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電受太陽輻射和負載大小影響的PV電池的電壓-電流特性電池的溫度影響太陽能電池的性能，隨著溫度的增高，其輸出電壓和功率將線性減小，因此PV電池最好運行在太陽輻照度高，氣溫較低的時候。不同太陽輻射情況下，最大功率點的電壓基本上相同，與電池受到的輻照度無關。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電二、PV電池等效電路IL

：光能產(chǎn)生的電流；Id

：二極管電流；Ish：旁路漏電流；串聯(lián)等效電阻Rs表示電池中對電流的阻礙作用，其數(shù)值取決于p-n結深度、半導體材料的純度和接觸電阻；

旁路電阻Rsh與電池對地的泄漏電流成反比。常規(guī)的高質(zhì)量的PV電池，一平方英寸的硅電池其Rs在0.05到0.10Ω之間，Rsh在200到300Ω之間。PV電池轉(zhuǎn)換效率對Rs的變化非常靈敏，而對Rsh的變化不靈敏，當Rs的值少量增加時，PV電池的輸出電能將顯著減小。二極管電流可采用常規(guī)的二極管電流計算公式計算：ID為二極管飽和電流；Uoc為開路電壓；Q為電子電量；A為曲線擬合常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

2/3/2023§2-2光伏發(fā)電負載電流：實際的PV電池，Ish與IL和ID相比非常小，可以忽略。在黑暗條件下，將電壓Uoc加到電池兩端，并測量流入電池的電流即可求得二極管飽和電流，因此該電流常稱為黑暗電流或反向二極管電流。描述PV電池性能的兩個最重要和最常用的參數(shù)是開路電壓Uoc和短路電流ISC。在滿照度的條件下，將PV電池的輸出端短路測量得到的電流即為短路電流。在PV電池開路的情況下，得到的最大光電壓即為開路電壓。忽略旁路電流。開路電壓具有負的溫度系數(shù)。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電PV電池的電氣特性一般采用電流-電壓(i-v)曲線表示。左邊陰影區(qū)，電池工作于理想電流源工作狀態(tài)，其輸出電壓取決于負載電阻；右邊工作區(qū)，當電壓少量增加時，將引起輸出電流急劇增加。在此區(qū)域，電池相當于具有內(nèi)阻的電壓源。在兩個陰影區(qū)域的中間部分，i-v曲線有一個轉(zhuǎn)折點。PV電池的輸出功率為其輸出電壓和電流的乘積。當輸出電壓處于i-v曲線的轉(zhuǎn)折點時，輸出功率達到最大。PV電池的電路應工作于靠近i-v曲線的轉(zhuǎn)折點的左邊。在分析系統(tǒng)的電氣特性時，可將PV電池等效為近似理想電流源的模型。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電光照為2流明，空氣質(zhì)量為2.5時，22瓦的PV電池的i-v特性：定義外太空的空氣質(zhì)量為0，太陽輻射可達1350瓦/平方米。當空氣質(zhì)量為1時為純凈的空氣且在中午的時候，可將其定義為地面的理想條件，太陽光經(jīng)很小的阻擋達到地面。一般的白天，空氣質(zhì)量為1.5，可定義為空氣質(zhì)量的參考值。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電PV電池的光電轉(zhuǎn)換效率：三、PV電池陣列設計影響PV電池陣列設計的主要因素如下：太陽光強。太陽的入射角度。最大功率的負荷匹配。PV電池陣列的運行工作溫度。1.太陽光強度當太陽輻射處于全照度(1.0太陽輻射)情況下，PV電池產(chǎn)生的光電流將達到最大值，而在多云的天氣，光電流將隨太陽光強成比例地減小。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電實際工作情況下，PV電池的轉(zhuǎn)換效率對太陽輻射的強度變化不靈敏。2.太陽入射角光伏電池的輸出電流可由下式表示：太陽入射角在0?~50?之間，電流I與θ之間的余弦關系能夠很好地滿足，超過50?，輸出電流與太陽入射角之間的關系將顯著地偏離余弦函數(shù)關系，超過85?，光電池將不能輸出電能。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電表2-3硅太陽能電池的光電電流凱利余弦函數(shù)值太陽入射角余弦函數(shù)值凱利余弦函數(shù)值300.8660.866500.6430.635600.5000.450800.1740.100850.0870.0002/3/2023§2-2光伏發(fā)電3.陰影的影響PV電池陣列可由光電池串聯(lián)成組然后并聯(lián)組成2/3/2023§2-2光伏發(fā)電消除串聯(lián)回路中太陽陰影影響的一般方法是將較長的串聯(lián)光電池分成幾段，每一段并聯(lián)一個旁路二極管。4.溫度效應隨著光電池的運行溫度的升高，其短路電流將增加，而開路電壓將減小。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電對于結晶硅電池，α為500μW/℃，β為5mW/℃，因此其輸出功率為2/3/2023§2-2光伏發(fā)電5.負荷匹配任何電力系統(tǒng)的工作點均為電源特性曲線和負荷特性曲線的交點。PV電池陣列穩(wěn)定工作的必要條件為2/3/2023§2-2光伏發(fā)電6.太陽跟蹤太陽跟蹤器可分為兩類：一類為單軸跟蹤器，它可以在一天中從東到西跟蹤太陽的運動；另一類為雙軸跟蹤器，它不僅在一天中可以跟蹤太陽從東到西的運動，還可以在一年中從北到南跟蹤太陽的運動。小型的單桿PV電池板可采用單桿的太陽跟蹤器，大型的PV電池板可分解為較小的模塊，每個模塊安裝在自己的單軸或雙軸跟蹤器上，這樣簡化了系統(tǒng)結構，并消除了與之相關的大位移問題。2/3/2023§2-2光伏發(fā)電四、最大功率點運行PV電池必須工作于一定的電壓，從而保證在一定的條件下工作于最大功率點。實現(xiàn)PV電池工作于最大功率點的方法：第一種方法：將一個很小的電流信號按一定的周期注入到PV電池陣列的母線上，然后測量母線上的動態(tài)電阻Zd=dU/dI和靜態(tài)電阻Zs=U/I，調(diào)整電池的工作電壓直到Zd=Zs，當電池運行在這一點時，其輸出功率可達最大值；第二種方法：根據(jù)dP/dU的正負調(diào)節(jié)工作電壓，當dP/dU為正時增加PV電池工作電壓，為負時減小工作電壓。如果dP/dU在一定的死區(qū)范圍內(nèi)接近于零則保持其工作電壓不變；2/3/2023§2-2光伏發(fā)電大多數(shù)PV電池，最大功率點的電壓與開路電壓的比值(Ump/Uoc)近似為常數(shù)K。第三種方法：將一個不帶負載的光電池安裝在PV電池板上，使其與輸出電功率的PV電池處于同一環(huán)境，并不斷測量其開路電壓，如果將輸出電功率的PV電池的工作電壓設定為KUoc，則其輸出功率將達到最大值。五、PV系統(tǒng)組成獨立運行的PV系統(tǒng)組成：并網(wǎng)運行PV系統(tǒng)，耗電加熱器不需要，剩余的電能可以送入電網(wǎng)，蓄電池也可取消掉，若系統(tǒng)中有重要的負載如計算機和起動控制器等，則應保留蓄電池。2/3/2023§2-3燃料電池燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能和熱能的電化學裝置。一、燃料電池工作原理1.燃料電池組單個燃料電池僅僅能產(chǎn)生1V左右的電壓，因此一般的燃料電池系統(tǒng)將多個燃料電池串聯(lián)起來組成燃料電池組，為用戶提供所需要的電壓。燃料電池組可以采用很多組電池串聯(lián)和并聯(lián)，得到不同的電壓、電流和功率。2/3/2023§2-3燃料電池燃料電池組的基本組成如圖所示，包含的元件除了電極和電解質(zhì)外，另外還有提供電氣連接和絕緣、燃料和氧化劑流通的一些元件。關鍵的元件有電流集電器和分離器板，電流集電器將電子從陽極傳導到分離器板。分離器板在兩個電池之間提供電氣串聯(lián)連接，并將流過一個電池的氧化劑與相鄰電池的氧化劑隔離開。電流集電器中的通道作為燃料和氧化劑的分配路徑。兩個電流集電器和一個分離器板結合成一個單元，稱為雙極板。2/3/2023§2-3燃料電池2.燃料電池系統(tǒng)燃料處理器將碳氫化合物燃料轉(zhuǎn)換為富含氫氣的混合氣體，然后根據(jù)燃料電池的需要，再將混合氣體去掉雜質(zhì)或其他氣體成分，為燃料電池提供純凈的氫氣。燃料電池系統(tǒng)還需要一個具有輸出功率調(diào)節(jié)功能的逆變器系統(tǒng)，因為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的負載為交流負載，而且還需要與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行，而燃料電池直接輸出的是直流電。2/3/2023§2-3燃料電池根據(jù)電池使用的電解質(zhì)材料分類：堿性燃料電池(AlkalineFuelCell，AFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell，MCFC)，磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)，質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，SOFC)。二、燃料電池種類和性能比較1.堿性燃料電池AFC的電解質(zhì)為氫氧化鉀(KOH)，運行溫度為100~250?C。高溫AFC采用的KOH濃度高，可達85％，而低溫AFC采用更稀釋的KOH，其濃度在35％~50％之間。電解質(zhì)包含在填充材料如石棉中，通過毛細作用將電解質(zhì)傳送到電極的表面。電極中可加入的電催化劑的種類很多，如鎳、銀、尖晶石、金屬氧化物和貴金屬等。2/3/2023§2-3燃料電池AFC的燃料必須是純凈的氫氣，一氧化碳可使AFC中毒，二氧化碳與電解質(zhì)相互作用將形成碳酸鉀(K2CO3)，即使空氣中有少量的二氧化碳也將影響燃料電池的正常運行。2.熔融碳酸鹽燃料電池MCFC中的電解質(zhì)為堿性碳酸鹽，如碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO2)或碳酸鋰(Li2CO3)等。若采用二氧化鋁鋰(LiAlO2)的陶瓷填充材料，電解質(zhì)可采用堿性碳酸鹽的化合物。MCFC的運行溫度為600~700?C，碳酸鹽溶解后形成很多碳酸鹽離子(CO3負離子)，這些負離子通過電解質(zhì)填充材料形成離子傳導。MCFC比低溫燃料電池轉(zhuǎn)換效率高，可達60％，而且其所使用的燃料種類也更靈活。3.磷酸燃料電池PAFC是最成熟的燃料電池技術，它采用的電解質(zhì)是濃度為100％的磷酸(H3PO4)，填充材料為碳化硅，運行溫度為150~200?C。2/3/2023§2-3燃料電池如果溫度很低，陽極的電催化劑(通常為鉑)將產(chǎn)生一氧化碳中毒，并且電解質(zhì)中的離子傳導性能變低。電極通常由特氟綸粘合的鉑和碳組成。4.質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC也稱為固體聚合物或聚合物電解質(zhì)燃料電池。PEMFC的電解質(zhì)為固體聚合物，通常為硫酸聚合物，質(zhì)子可從電解質(zhì)的一面到達另一面。PEMFC的運行溫度比其他燃料電池的運行溫度低得多，在90?C左右，這主要是因為受到其交換膜的熱特性的限制。5.固體氧化物燃料電池PEMFC可被一氧化碳污染，使其性能降低、損壞電池催化劑，為使其正常工作，PEMFC需要冷卻系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。SOFC的電解質(zhì)為無毛孔的金屬氧化物，如穩(wěn)定的氧化釔氧化鋯(Y2O3-stabilizedZrO2)，其運行溫度在650~1000?C之間。離子傳導是通過氧離子實現(xiàn)的。SOFC的陽極一般為氧化鋯鈷(Co-ZrO2)或氧化鋯鎳(Ni-ZrO2)，陰極為亞錳酸鹽鑭雜質(zhì)鍶。2/3/2023§2-3燃料電池SOFC具有所有固體狀態(tài)的陶瓷結構所特有的穩(wěn)定性和可靠性，由于運行溫度可達1000?C，燃料的選擇范圍很大，因此將SOFC與熱力循環(huán)應用相結合。6.燃料電池的性能比較表2-44種主要的燃料電池性能比較工作參數(shù)MCFCPAFCPEMFCSOFC電解質(zhì)固定不動的熔融碳酸鹽液體固定不動的磷酸液體離子交換膜陶瓷工作溫度650?C205?C80?C800~1000?C電荷載體CO3-H+H+O-提取CH4的轉(zhuǎn)換器無有有無電池材料不銹鋼石墨碳精棒陶瓷催化劑鎳鉑鉑鈣鈦礦水處理氣態(tài)蒸汽蒸汽氣態(tài)熱能處理內(nèi)部再處理氣體獨立的冷卻處理獨立冷卻處理內(nèi)部再處理氣體2/3/2023§2-3燃料電池燃料電池理論上的性能取決于發(fā)生在燃料電池內(nèi)部的電化學反應。表2-5燃料電池陽極和陰極的化學反應燃料電池類型陽極反應陰極反應AFCMCFCPAFCPEMFCSOFC2/3/2023§2-3燃料電池燃料電池理論上的性能由它理論上產(chǎn)生的電動勢大小決定，此電動勢稱為能斯特電動勢，對于一般的化學反應，有：能斯特方程可寫為表2-6燃料電池的化學反應和相應的能斯特方程燃料電池化學反應能斯特方程2/3/2023§2-3燃料電池氫氧燃料電池的理想標準電動勢為1.229V。值得注意的是某些燃料電池的化學反應產(chǎn)生的電動勢隨溫度降低而增大，這與其他基于熱力發(fā)動機的發(fā)電技術完全不同，這些發(fā)電機的性能隨著溫度降低而減小。2/3/2023§2-3燃料電池由于某些具有損耗的物理處理過程如燃料的傳輸和化學反應將限制著燃料電池的性能。具有損耗的物理處理過程有：反應物在氣體/電解質(zhì)交界面的輸送；反應物在電解質(zhì)中的融解；反應物由電解質(zhì)到電極表面的輸送；相同或相異的預電化學反應；電極上活性帶電物質(zhì)的吸附；吸附物質(zhì)的表面移動；電氣充電物質(zhì)的電化學反應；后期電化學反應表面遷移；產(chǎn)物的吸附；后期電化學反應；產(chǎn)物在電極表面的傳送；電解質(zhì)中產(chǎn)物的變化以及電解質(zhì)/氣體中氣體產(chǎn)物的傳送等。與上述化學和物理過程相關的損耗主要出現(xiàn)在燃料電池的三種主要損耗中。三種主要過電動勢損耗是：激勵過電動勢、歐姆過電動勢和濃度過電動勢。激勵過電動勢極化一般將導致化學反應變慢，抑制化學反應的激勵能量；2/3/2023§2-3燃料電池通過燃料電池的電流將受到阻擋而產(chǎn)生歐姆過電動勢極化損耗；濃度過電動勢極化由燃料的傳送所引起，將導致在電化學反應的表面反應濃度降低。2/3/2023§2-3燃料電池由熱力學分析可知，當電極表面的電化學反應的速率受到慢速的電極過程動力學控制時，將發(fā)生激勵極化。在電化學反應情況下，激勵能量范圍為50~100mV，由塔斐(Tafel)方程決定：歐姆極化由離子在電解質(zhì)中流動和電子通過電極時的阻擋作用引起，主要的損耗是由于離子通過電解質(zhì)時的阻礙作用，這些損耗可通過縮短電極間距離和增加離子在電解質(zhì)中的傳導來減小。濃度極化由在電極表面的反應濃度梯度的形成所引起。由于在電極的表面，反應物迅速地消耗掉而不能及時地補充燃料時，將形成濃度梯度。2/3/2023§2-3燃料電池電池總的性能與上述方程中的基本過電動勢有關。一般情況下，陰極損耗遠遠超過陽極損耗，主要是因為在陽極的電化學反應的基本反應物如氫沒有氧分子的穩(wěn)定性好，另外激勵過電動勢一般大于歐姆過電動勢損耗，而在一般的燃料電池的常規(guī)工作條件下，歐姆過電動勢損耗將大于濃度過電動勢損耗。表2-7采用天然氣作為燃料時燃料電池系統(tǒng)的典型效率范圍燃料電池種類轉(zhuǎn)換效率(%)MCFC50~60PAFC38~45PEMFC33~45SOFC40~552/3/2023§2-3燃料電池燃料電池的工作參數(shù)如溫度、壓力、反應氣體濃度、反應物的利用率和電流密度等參數(shù)不僅影響燃料電池的理論電動勢，也影響其損耗的大小。三、燃料電池運行參數(shù)分析2/3/2023§2-3燃料電池一般情況下，要求燃料電池運行在滿意的工作點，即輸出電壓高、功率密度低，使燃料電池的運行效率高，運行費用低，即滿足高輸出功率和低電壓，減少電池的運行區(qū)域。燃料電池的工作溫度影響著與電池內(nèi)部發(fā)生的電化學反應相關的熱能擴散與消失的變化。當其他參數(shù)不變時，工作溫度的升高將使燃料電池的性能變差，效率降低。實際的電池電壓由于溫度升高，使得某些過電動勢減小，從而輸出電壓增大。燃料電池的工作壓力直接影響著電極表面反應物的濃度變化。隨著工作壓力的增加，反應物的部分壓力增加，可逆電動勢也將增加。隨著電池工作壓力的增加，氣體燃料的可溶解和燃料的傳送速率增加，與反應過程相關的某些過電動勢將減小，由于極化引起電解質(zhì)的損耗將減小，總的系統(tǒng)效率將增加。2/3/2023§2-3燃料電池反應氣體的成分對燃料電池性能的影響也很大。寄生損耗，特別是與空氣和燃料的流量相關的寄生損耗將隨著工作壓力的增加而增大。反應氣體的利用率也強烈影響著燃料電池的性能。燃料電池一般不設計為100％地利用所使用的燃料，而是允許一定比例的燃料出現(xiàn)在整個發(fā)生反應的表面區(qū)域，否則，燃料將在通過電池的流通管道的盡頭之前消耗掉，電池的最后部分將不能產(chǎn)生電壓從而降低了總的性能。燃料電池的工作電流密度也影響電池的性能。當工作電流小時激勵損耗高，并且在電流密度非常大時，濃度損耗也高，而歐姆損耗與工作電流大小成比例。2/3/2023§2-4風力發(fā)電風力發(fā)電機的主要組成部分為支撐塔、兩個或三個葉片的風力渦輪、調(diào)向裝置、齒輪箱、發(fā)電機以及速度測量和控制裝置等。新型的風力發(fā)電系統(tǒng)還包括電力電子轉(zhuǎn)換控制器、計算機、為改善單機運行性能的蓄電池以及與電網(wǎng)并聯(lián)運行的傳輸和并列裝置。一、風電機組工作原理及設計考慮1.系統(tǒng)組成

風機的支撐塔支撐風輪，包含齒輪箱、發(fā)電機、轉(zhuǎn)向機構的機艙以及停止控制裝置等。塔的高度約為20~50m。風機葉片可用高密度的木質(zhì)材料或玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制造，現(xiàn)代的風機一般有兩個或三個葉片，由于葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力和不斷的振動引起的葉片疲勞產(chǎn)生的穩(wěn)定的機械應力使得葉片成為系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。風機的偏航控制使風輪總是處于迎風位置。理論上應使風機盡可能不偏離迎風位置。在風機偏離風向時，旋轉(zhuǎn)葉片具有很大慣性，將產(chǎn)生很大的回轉(zhuǎn)扭矩，從而產(chǎn)生很大的噪聲。2/3/2023§2-4風力發(fā)電評估風機額定容量全球還沒有統(tǒng)一的標準，這主要是因為風機的輸出功率取決于槳葉直徑的平方和風速的三次方，在槳葉直徑給定的情況下，不同的風速將輸出不同的功率。2.風機的容量額定容量SRC通常作為風機設計的一個比較指標，其定義為風機的額定容量是一個重要的參數(shù)，它為如何確定發(fā)電機、變壓器、連接變電站的輸電線以及與電網(wǎng)并列的接口等的容量計算提供了依據(jù)。3.電力負荷的匹配2/3/2023§2-4風力發(fā)電將機械功率轉(zhuǎn)換為電功率的大小取決于轉(zhuǎn)矩T和風輪角速度ω的乘積，因此當轉(zhuǎn)速為零時輸出功率為零，而在很高的轉(zhuǎn)速但轉(zhuǎn)矩為零時輸出功率也為零，在兩種情況之間有一個最大輸出功率。風力發(fā)電系統(tǒng)應使其負荷與發(fā)電機的最大輸出功率匹配，使得風輪的轉(zhuǎn)速運行于接近最大功率點的轉(zhuǎn)速。4.風機的變速運行葉尖速度比可定義為風能利用系數(shù)Cp是表征風輪機效率的重要參數(shù)，它表明風輪機從風中獲得的有用能量的比例。風能利用系數(shù)Cp定義為對于給定的風速，風能利用系數(shù)Cp隨著TSR的變化而變化。2/3/2023§2-4風力發(fā)電為實現(xiàn)強風的條件下，獲得大的輸出功率，風輪也必須高速運轉(zhuǎn)，保持TSR為常數(shù)。系統(tǒng)的三個性能特性與TSR有關：槳葉中的離心機械應力與TSR的關系成正比例，風輪運轉(zhuǎn)時TSR越大則槳葉承受的離心應力也越大。帶負載時風機的起動能力與TSR成反比，隨著TSR的增加，槳葉產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩將減小。2/3/2023§2-4風力發(fā)電TSR還與輸出最大功率的運行點有關，在特定的TSR值，風能利用系數(shù)Cp可達到最大，因此在進行風機的空氣動力學設計時，TSR是必須考慮的一個特定參數(shù)。進行風力發(fā)電系統(tǒng)設計時必須優(yōu)化其年輸出電能，若要使風機輸出最大能量，必須根據(jù)風速變化來調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速，使得在所有運行時間內(nèi)，TSR等于最大風能利用系數(shù)時的數(shù)值。表2-9變速運行和恒速運行的性能對比恒速系統(tǒng)變速系統(tǒng)結構簡單，電系統(tǒng)成本低風輪效率高，因此年輸出能量大組成的部件少，因此可靠性高暫態(tài)轉(zhuǎn)矩低機械諧振產(chǎn)生的可能性低齒輪變速級數(shù)小不需要頻率轉(zhuǎn)換，因而在電力系統(tǒng)中不會產(chǎn)生電流諧波若需要的話，可通過電力系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼，因而不需要機械阻尼系統(tǒng)成本低不存在同步問題，電氣控制的硬特性可降低系統(tǒng)電壓的下降2/3/2023§2-4風力發(fā)電5.系統(tǒng)設計特征風力發(fā)電系統(tǒng)設計時應綜合考慮下述幾個方面的問題：槳葉數(shù)量：決定槳葉數(shù)量的主要因素有風能利用系數(shù)、葉尖速度比、成本、機艙重量、結構動力學特性以及為減少回轉(zhuǎn)疲勞應力限制偏向率的方法等。

風輪迎風或順風：使風輪在塔的迎風面運行可輸出更大的功率，因為消除了塔對槳葉的擋風作用。迎風運行產(chǎn)生的噪聲小、槳葉的疲勞應力低且輸出功率較平滑。另一方面，順風運行可采用無偏向系統(tǒng)，且當負荷增加時使槳葉離塔更遠。水平軸或垂直軸：現(xiàn)在絕大多數(shù)風機采用水平軸方式。塔間距離當在一個風場中建立一組風力發(fā)電機時，為了優(yōu)化總的輸出功率，塔和塔之間必須留出一定的距離。塔間距取決于地形、風向、風速和風機的大小。2/3/2023§2-4風力發(fā)電6.最大功率點運行當風機在所有時間內(nèi)都運行于最大功率點的恒定葉尖速度比時，其年發(fā)電量可增加20％~30％，但是這需要一種控制方法使風機變速運行。恒定葉尖速度比運行：該方法是基于當優(yōu)化的葉尖速度比在所有風速情況下都保持不變時，風機將輸出最大功率。優(yōu)化的TSR存儲在控制計算機中作為參考的TSR，不斷測量風速并與葉尖速度比較，得到的誤差信號再反饋回控制系統(tǒng)，從而改變風輪的轉(zhuǎn)速，使得誤差減小。缺點：需要測量當?shù)氐娘L速，當風場較大時由于塔的擋風作用可能引起很大的誤差。2/3/2023§2-4風力發(fā)電峰值功率跟蹤運行：風機的輸出功率和轉(zhuǎn)速的特性曲線上有一個輪廓非常清晰的峰值點。如果使風機運行在峰值功率點，在當風輪的轉(zhuǎn)速微小地增加或減少時，輸出功率將不會變化，這是因為峰值功率點附近曲線很平坦。該方法對風速測量誤差不靈敏，也與風機的風輪設計無關。7.系統(tǒng)控制要求轉(zhuǎn)速控制：風力發(fā)電系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速控制的主要原因

為獲得更大的輸出功率。在強風情況下，為了保護風輪、發(fā)電機和電力電子轉(zhuǎn)換器件，使它們不超載。2/3/2023§2-4風力發(fā)電當發(fā)電機由于故障或調(diào)度的需要不帶負載時，如果不實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，將使風輪飛車，損壞機械設備。2/3/2023§2-4風力發(fā)電速率控制：轉(zhuǎn)速控制時必須考慮槳葉的轉(zhuǎn)動慣量，為了限制風輪槳葉和輪轂的動態(tài)應力以及發(fā)電機和電力電子器件的負荷，必須控制風輪的加速度。二、發(fā)電機的驅(qū)動一般情況下，風輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速，因此，在絕大多數(shù)風力發(fā)電系統(tǒng)中，必須采用驅(qū)動系統(tǒng)將風輪的轉(zhuǎn)速升高。風機可獲得的功率為：2/3/2023§2-4風力發(fā)電風力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和功率控制可分為三個不同的區(qū)域：優(yōu)化的恒定Cp區(qū)、轉(zhuǎn)速限定區(qū)和功率限定區(qū)。1.轉(zhuǎn)速控制區(qū)2/3/2023§2-4風力發(fā)電單一固定轉(zhuǎn)速驅(qū)動：發(fā)電機固定轉(zhuǎn)速運行方式適合于感應式發(fā)電機，因為感應式發(fā)電機本質(zhì)上為固定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機，但是風輪的轉(zhuǎn)速較低，而發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速則相當高，兩者之間的速度匹配采用齒輪箱實現(xiàn)。2.發(fā)電機驅(qū)動缺點：幾乎不能根據(jù)風能利用系數(shù)Cp進行調(diào)節(jié)使系統(tǒng)工作于Cp的峰值點。2/3/2023§2-4風力發(fā)電雙速驅(qū)動：采用雙速驅(qū)動可增加發(fā)電機電能輸出，減少轉(zhuǎn)子電能損耗，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著齒數(shù)比的改變而變化，可根據(jù)風速的分布選擇發(fā)電機的運行轉(zhuǎn)速，使年發(fā)電量得到優(yōu)化。雙速驅(qū)動經(jīng)濟和有效的方法是采用雙速感應式發(fā)電機，具有不同磁極數(shù)的兩個獨立的定子繞組的籠型發(fā)電機可以運行在兩個或更多個具有整數(shù)倍關系的轉(zhuǎn)速。2/3/2023§2-4風力發(fā)電采用電力電子器件的變速驅(qū)動：現(xiàn)代電力電子變速驅(qū)動控制采用電力電子器件將風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生變化的電壓和頻率電能轉(zhuǎn)換為固定的電壓和頻率，由于電力電子器件價格的降低，此方法得到了廣泛的推廣應用。優(yōu)點：提供了遠程控制功能，適合于近海的風力發(fā)電系統(tǒng)。對于高級的并網(wǎng)可實現(xiàn)非常好的負荷調(diào)節(jié)，適合于與電網(wǎng)連接較弱的邊遠地區(qū)。變轉(zhuǎn)差率驅(qū)動：通過改變繞線轉(zhuǎn)子感應式發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電阻或轉(zhuǎn)子電壓頻率來調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率從而實現(xiàn)調(diào)速。2/3/2023§2-4風力發(fā)電三、風力發(fā)電機組的并網(wǎng)2/3/2023§2-4風力發(fā)電將風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時其輸出電壓必須滿足下述要求：電壓幅值和相位必須等于所要求的幅值和潮流方向。電壓可通過調(diào)節(jié)變壓器的變比或整流/逆變器的觸發(fā)角來控制。頻率必須非常精確地等于電網(wǎng)的頻率，否則系統(tǒng)將不能正常工作。電網(wǎng)中的同步發(fā)電機可為風力發(fā)電系統(tǒng)中的感應式發(fā)電機提供勵磁電流。斷路器合閘之前必須滿足下述4個條件：系統(tǒng)頻率盡可能與電網(wǎng)頻率接近，一般必須小于1/3Hz。電壓幅值必須與電網(wǎng)電壓相匹配。系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)電壓的相序必須相同。系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)電壓的相位角必須小于5°。當合上斷路器時，系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓差將產(chǎn)生沖擊電流，隨著風力發(fā)電系統(tǒng)進入與電網(wǎng)同步運行，此沖擊電流將按指數(shù)規(guī)律衰減到零，其時間常數(shù)取決于等效電阻和等效感抗。2/3/2023§2-4風力發(fā)電設ΔU為斷路器合閘瞬間系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)電壓之間的差值，則沖擊電流取決于發(fā)電機的次暫態(tài)電抗，即沖擊電流基本上是無功電流沖擊電流產(chǎn)生的同步功率在發(fā)電機振蕩過程結束后可使發(fā)電機與電網(wǎng)同步運行。在同步功率作用下，系統(tǒng)中微小擾動引起的發(fā)電機功角的搖擺將很快趨于穩(wěn)定，如果發(fā)電機空載運行，同步功率的幅度將達到最大，如果發(fā)電機運行在穩(wěn)定狀態(tài)的極限穩(wěn)定平衡點，則同步功率為零。當風力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)同步運行時，必須控制發(fā)電機的輸出電壓和頻率。若發(fā)電機采用感應式發(fā)電機，則電網(wǎng)也可作為發(fā)電機的勵磁電源，為發(fā)電機提供所需要的無功功率。2/3/2023§2-4風力發(fā)電如果發(fā)電機采用同步發(fā)電機，則其輸出電壓由轉(zhuǎn)子的勵磁電流控制，而當風力發(fā)電系統(tǒng)工作于連續(xù)的并網(wǎng)工作方式時，不需要頻率控制。在變速感應式發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)中，通常采用逆變器接口與電網(wǎng)并網(wǎng)，逆變器的門控觸發(fā)信號取自電網(wǎng)電壓，這樣可保證逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步。當風力發(fā)電系統(tǒng)所承擔的負荷突然大量增加，或當風機起動時其感應式發(fā)電機工作于電動機狀態(tài)時，會造成系統(tǒng)的頻率和電壓的降低。大型風力發(fā)電機采用軟起動方式可將上述負荷的暫態(tài)響應最小化。對于由很多風力發(fā)電機組組成的風電場，為減小起動時的暫態(tài)響應，各發(fā)電機可按一定的順序依次起動。風力發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)送電的輸電線路的運行極限應考慮電壓調(diào)節(jié)和系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性限制。2/3/2023§2-4風力發(fā)電設系統(tǒng)在特定功率因數(shù)下帶額定負荷，然后將所有負荷移去，并保持始端電壓恒定，則此時末端電壓上升的百分比可定義為電壓調(diào)節(jié)率，即電壓調(diào)節(jié)率與負荷功率因數(shù)有關，當功率因數(shù)不同的情況下若負載電流相同，則電壓降相同，但將使始端電壓的相位角不同。對于滯后功率因數(shù)，電壓調(diào)節(jié)率隨功率因數(shù)增大而增大，對于超前功率因數(shù)，隨功率因數(shù)增大電壓調(diào)節(jié)率將減小甚至為負。線路上的潮流方向取決于始端和末端的電壓和功角，但是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，線路所能傳輸?shù)淖畲蠊β蕦⑹艿较拗啤?/3/2023§2-4風力發(fā)電線路傳輸?shù)挠泄β实姆等Q與功角δ。如果δ>0，則潮流從風力發(fā)電系統(tǒng)傳送到電網(wǎng)，反之，風力發(fā)電系統(tǒng)將從電網(wǎng)吸收功率。線路傳送的無功功率取決于始端和末端的電壓差，如果Us>Ur，風力發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送無功功率，反之，風力發(fā)電系統(tǒng)將吸收電網(wǎng)的無功功率。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)光伏系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)的主要缺點是其輸出功率隨著氣象條件的變化而變化，并且為間歇性的，為保證對負荷的連續(xù)供電，必須在分布式發(fā)電系統(tǒng)中安裝電能存儲系統(tǒng)。一、分布式發(fā)電系統(tǒng)中能量存儲系統(tǒng)的作用分布式發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機容量較小，因而其旋轉(zhuǎn)動能也小。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)根本沒有旋轉(zhuǎn)動能，因此如果分布式發(fā)電系統(tǒng)獨立運行，則很難保證系統(tǒng)頻率的動態(tài)穩(wěn)定。分布式發(fā)電系統(tǒng)中能量存儲系統(tǒng)的主要的作用：負荷調(diào)節(jié)作用：能量存儲裝置可在電力系統(tǒng)的負荷低谷期充電，負荷高峰期放電。負荷跟蹤：超導儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)和飛輪儲能系統(tǒng)等通過電力電子接口，能夠快速跟蹤負荷的變化，從而減輕了大型發(fā)電機跟蹤負荷的需要。系統(tǒng)穩(wěn)定：儲能裝置輸出的有功功率和無功功率的迅速變化，可有效地對系統(tǒng)中功率和頻率振蕩起到阻尼的作用。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)自動發(fā)電控制：具有AGC的儲能裝置可有效地減小區(qū)域控制誤差。旋轉(zhuǎn)動能存儲：具有電力電子接口的儲能裝置可迅速地增加其電能輸出，可作為電力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)動能，減少常規(guī)電力系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)動能的需要。VAR控制和功率因數(shù)校正：具有電力電子接口的儲能裝置，在快速提供有功功率的同時可提供迅速變化的無功。黑起動能力：儲能裝置可為孤島運行的分布式發(fā)電設備提供起動時所需要的電能。增加發(fā)電設備的效率，減少其維護：儲能裝置跟蹤負荷的能力可使分布式發(fā)電機運行于恒定輸出功率狀態(tài)，使發(fā)電設備運行于高效率的運行點，從而提高了總的發(fā)電效率、發(fā)電設備的維護間隔和使用壽命。延緩了系統(tǒng)對新增的發(fā)電容量要求：當儲能裝置削平了負荷峰值后，即減少了系統(tǒng)對調(diào)峰機組的容量的需要。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)延緩了系統(tǒng)對新增輸電容量的需要：在系統(tǒng)中適當?shù)貐^(qū)配置儲能裝置，在用電低谷期對它們充電，從而減少了輸電線路的峰值負荷容量，有效地增加了輸電線路的容量。提高了發(fā)電設備的有效利用率：在用電高峰期，儲能裝置輸出的電力可增加系統(tǒng)的總容量。二、蓄電池儲能系統(tǒng)1.蓄電池類型表2-105種蓄電池放電時的平均電壓蓄電池類型電池電壓/V說明Pb-acid2.0最經(jīng)濟實用NiCd1.2具有記憶特點NiMH1.2對溫度變化敏感Li-ion3.4安全，沒有鋰金屬Li-poly3.0具有鋰金屬2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)2.蓄電池的等效電路分布式發(fā)電系統(tǒng)中如果起動大容量的電動機等負荷，蓄電池將快速放電，因此要求蓄電池在短時間內(nèi)輸出可能的最大功率。3.蓄電池的性能特征表征蓄電池的性能特征主要為充電/放電電壓、充電/放電比、充放電總效率、充電效率、內(nèi)阻、運行溫升以及充放電次數(shù)等參數(shù)。充電/放電電壓2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)充電/放電比：當蓄電池放掉一定的電量后，若要恢復到充滿的狀態(tài)將需要消耗更多的電能。充電/放電比定義為保持蓄電池充電量不變的前提下，輸入電量與輸出電量的比值，該比值不僅取決于充電量和放電量之比，還取決于蓄電池的運行溫度。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)充放電總效率：蓄電池在滿充滿放循環(huán)中蓄電池輸出能量與輸入能量之比。內(nèi)阻：Ri為電池容量、運行溫度和蓄電池充放電狀態(tài)的函數(shù)。容量越大，其電極越大，內(nèi)阻越小。充電效率：充電過程中蓄電池存儲電量和輸入電量之比，它不同于蓄電池的充放電總效率，當蓄電池存儲電量為零時充電效率接近于100％。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)自放電和涓流充電：蓄電池在開路狀態(tài)下，仍然存在慢速放電，為了保證蓄電池處于滿充電狀態(tài)，可以采用連續(xù)的涓流充電來抵消蓄電池的自放電。蓄電池充滿電后，充電效率下降為零，再對蓄電池充電將會引起電池發(fā)熱，如果在相當長的時間內(nèi)以高于自放電的速率對蓄電池過充電，電池有可能過熱而存在發(fā)生爆炸的危險。溫度效應：蓄電池的運行溫度嚴重影響著電池的性能。蓄電池容量和充電效率隨溫度升高而下降，當蓄電池的溫度超出一定范圍時，其容量將下降，而當溫度達到零度時，其容量將急劇下降。蓄電池的自放電率隨著溫度的升高而增加。蓄電池的內(nèi)阻隨著溫度的降低而增加。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)內(nèi)部損耗和溫升：蓄電池的溫度隨著電池的充、放電在不斷變化。蓄電池產(chǎn)生的熱量隨著放電量的增加而增加，因為在放電過程中，蓄電池的內(nèi)阻在不斷增加。當蓄電池充電時，在一定時間內(nèi)其發(fā)熱為負，表明蓄電池在初始充電時，其電化學反應為吸熱反應，而在其他時間內(nèi)產(chǎn)生的化學反應均為放熱反應。不同的電化學反應產(chǎn)生熱量的速率是不同的。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)表2-12蓄電池的發(fā)熱特性電池類型運行溫度范圍

/℃過充電容忍性比熱容

/(kJ/kg??·K)質(zhì)量密度

/(kg/L)Pb-acid-10~50高1.262.1NiCd-20~50中1.261.7NiMH-10~50低1.262.3Li-ion10~45非常低1.371.35Li-poly50~70非常低1.441.32/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)表2-13各類蓄電池的比能和能量密度比較電池類型比能

/(W·h/kg)能量密度

/(W·h/L)比功率

/(W/kg)功率密度

/(W/L)Pb-acid30~4070~75~200~400NiCd40~6070~100150~200220~350NiMH50~65140~200~150450~500Li-ion90~120200~250200~220400~500Li-poly100~200150~300>200>3502/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)表2-14各類蓄電池壽命和費用比較電池類型充放電次數(shù)壽命

/年自放電率

/(％/月)費用

/(元/kWh)Pb-acid500~10005~83~5200~500NiCd1000~200010~1520~301500NiMH1000~20008~1020~302500Li-ion500~10005~103000Li-poly500~10001~2>30004.蓄電池充電管理蓄電池充電時，能量管理系統(tǒng)主要監(jiān)視蓄電池的充電狀態(tài)、綜合健康度和安全中斷標準。主要監(jiān)測的參數(shù)有電壓、電流和溫度。正常的充電過程包含下述三個階段：快速充電階段：此階段將對蓄電池充入80％~90％的電能。漸減充電階段：在此階段充電速率逐漸減小，直到蓄電池充滿電。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)涓流充電階段：當蓄電池充滿電后，采用涓流充電來補充蓄電池的自放電。NiCd和NiMH蓄電池恒流充電Li-ion蓄電池恒電壓充電三、超導電磁儲能系統(tǒng)超導儲能技術的原理是將電能存儲于線圈的磁場中，存儲的能量可用下式表示：2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)線圈的電阻與溫度有關，對于大多數(shù)導體，溫度越高電阻越大，如果線圈的溫度降低，電阻也將下降。某些材料當溫度降低到某一臨界值時，其電阻急劇下降為零。當溫度低于此臨界溫度時，線圈兩端不需要電壓也可產(chǎn)生電流，線圈可視為短路，線圈的電流將達到無窮大，相應地線圈中存儲的能量也為無窮大。當線圈電阻為零時，稱線圈處于超導狀態(tài)。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)線圈由AC-DC轉(zhuǎn)換器充電，將電能轉(zhuǎn)換為磁能，當線圈充滿電后，轉(zhuǎn)換器繼續(xù)向線圈提供一個很小的電壓，補償線路中室溫部分元件的能量損耗，從而保持超導線圈中有一個固定的直流電流。系統(tǒng)控制器具有如下的三個主要功能：實現(xiàn)電力電子開關器件控制。監(jiān)視負荷電壓和電流。與電壓調(diào)節(jié)器接口，控制直流功率流入和流出線圈。超導能量存儲系統(tǒng)具有下述幾個優(yōu)點：充放電循環(huán)效率可達95％，比任何其他系統(tǒng)都高。使用壽命長，可達30年以上。充放電時間非常短，可在很短的時間內(nèi)提供大量的電能。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)除了冷卻系統(tǒng)外，沒有運動部件。超導能量存儲系統(tǒng)中，主要的能量消耗是用于將線圈冷卻到臨界超導溫度之下。四、超級電容器儲能系統(tǒng)超級電容通常指電容值為數(shù)法拉到數(shù)千法拉的電容。為提高電容單位體積的電容值，超級電容通常為電化學電容，也即它不僅具有電容的性質(zhì)，還具有蓄電池的性質(zhì)。電容充電時，和蓄電池一樣，電荷以離子的形式存儲，因此單個電容電壓只有幾伏。超級電化學電容由兩個極板、隔離物、電解質(zhì)和電流采集器組成。1.超級電化學電容原理(1)赫爾姆霍茨模型2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)該模型預示電容值為常數(shù)，沒有說明電壓和離子濃度之間的關系。(2)查普曼模型查普曼模型考慮了擴散層電荷，電容值將增大。(3)斯特恩模型斯特恩改進了查普曼模型，在查普曼模型上包含了一個緊密的類似于赫爾姆霍茨模型的離子層，因此雙層電容由緊密層和擴散層組成。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)2.超級電化學電容儲能系統(tǒng)設計時考慮的因素能量存儲系統(tǒng)中超級電容的實際電壓比單個電容的電壓高，因此必須將多個電容串聯(lián)，獲得所需的電壓，但將增加總的串聯(lián)等效電阻。如果需減小串聯(lián)等效電阻，需要額外增加串聯(lián)電阻與之并聯(lián)。并聯(lián)電阻的數(shù)量取決于串聯(lián)等效電阻、存儲的能量和放電時間等。串聯(lián)電容中電容和電阻的分散性將使串聯(lián)電容中電壓的分布不相等，由于局部電壓有可能高于電解質(zhì)的擊穿電壓，從而導致電容的損壞。因此設計時應增加電壓平衡電路。設d為C1和C2的相對差值的百分比值，則C1和C2可表示為設單個電容的電壓為2.5V，則當電容充滿電后串聯(lián)電容的總電壓為5V，如果初始電壓為零，則有：2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)設參考電容C=1000F，根據(jù)上述關系可考慮兩個極端情況，第一種情況為C1和C2均為參考值，即d=0%；第二種情況為d=-20%的情況，即C1=1000F，C2=800F。表

電壓平衡和存儲能量電壓和能量d=0d=-20%無平衡電路d=-20%有平衡電路U/V54.55

/V2.522.5

/V2.52.52.5E/J625045005625電壓平衡電路的主要優(yōu)點是使得串聯(lián)回路中每個電容上的電壓都可達到額定值，這樣使每個電容上所存儲的能量達到了最大可能的數(shù)值。3.電壓平衡電路平衡串聯(lián)電容上電壓的常用方法是電容充電時在每個電容上并聯(lián)一個電阻。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)電阻的阻值可采用不同的準則來選取，主要準則是使得充電過程中電容上的動態(tài)電壓保持平衡，避免單個電容過充電。采用并聯(lián)電阻來平衡串聯(lián)電容電壓將引起較大的能量損耗。為減小平衡電路的損耗，可在每個超級電容上并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管擊穿電壓為電容額定電壓，充電時只要每個電容電壓不超過穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，就沒有能量損耗，但當許多電容的電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，能量損耗也非常大。為了在每個電容上獲得相等的電壓，并得到最高的效率，可以采用有源平衡電壓拓撲結構，其原理是在每個電容上加入一個輔助電流源，輔助電流源的電流取決于電容充放電過程中每個電容上電壓的動態(tài)平衡。2/3/2023§2-5能量存儲系統(tǒng)由V1和V2組成的轉(zhuǎn)換器的借助于有源開關器件產(chǎn)生的