第1章新能源发电与控制技术教材课件

第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论1机械工业出版社新能源发电与控制技术新能源发电与控制技术（V2.0）惠惠晶晶主编主编方光辉副主编方光辉副主编江南大学江南大学第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论2机械工业出版社本书主要内容本书主要内容第第1 1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论第第2 2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识第第3 3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第4 4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术第第5 5章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术第第6 6章章 生物质能的发电与控制技术生物质能的发电与控制技术第第7 7章章 分布式能源的利用与控制技术分布式能源的利用与控制技术 第第8 8章章 核能发电与应用技术核能发电与应用技术 第第9 9章章 其他形式新能源的发电与应用技术其他形式新能源的发电与应用技术第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论3机械工业出版社绪绪 论论 新能源利用包括可再生能源新能源利用包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能水能、海洋能)和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术和地热能、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（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。术）。新能源发电与控制技术涉及：新能源发电与控制技术涉及：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洁能源电能；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。求和电力的高效管理。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论4机械工业出版社第第1 1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论5机械工业出版社第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论6机械工业出版社 1.1 1.1 能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.2 1.2 能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征 1.3 1.3 新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源转换的重要形式 1.4 1.4 新能源转换与控制技术的经济意义新能源转换与控制技术的经济意义 本章主要内容本章主要内容第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论7机械工业出版社1.11.1能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.1.11.1.1中国的能源结构与储备中国的能源结构与储备 1.1.中国的能源结构中国的能源结构 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。，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中但是，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国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/21/2，仅为美国，仅为美国人均水平的人均水平的1/101/10。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论8机械工业出版社第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论9机械工业出版社 煤多油少煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后2020年，甚至年，甚至到本世纪中叶，我以煤为主的能源结构将不会改变。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，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，造成燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。环境污染严重、效率低下、浪费惊人。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论10机械工业出版社2.2.中国的资源和能源储备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效率的低下。我国能源利用效率仅为30%30%左右。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。构矛盾的表现。煤电油供需矛盾相当突出。煤电油供需矛盾相当突出。建立建立高度节约型的循环经济体制，高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论11机械工业出版社中国一次能源消费结构中国一次能源消费结构年年 份份能源消费总能源消费总量量占能源消费总量的比重占能源消费总量的比重 (%)(%)(万吨标准煤万吨标准煤)煤煤 炭炭石石 油油天然气天然气水电、核电、水电、核电、风电风电19801980602756027572.272.220.720.73.13.14 419851985766827668275.875.817.117.12.22.24.94.919901990987039870376.276.216.616.62.12.15.15.11995199513117613117674.674.617.517.51.81.86.16.12000200014553114553169.269.222.222.22.22.26.46.42005200523599723599770.870.819.819.82.62.66.86.82006200625867625867671.171.119.319.32.92.96.76.72007200728050828050871.171.118.818.83.33.36.86.82008200829144829144870.370.318.318.33.73.77.77.72009200930664730664770.470.417.917.93.93.97.87.8第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论12机械工业出版社中国能源消费结构（中国能源消费结构（20092009）世界能源消费结构（世界能源消费结构（20092009）第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论13机械工业出版社中国能源产消现状第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论14机械工业出版社地地 区区单位地区生产总单位地区生产总值能耗值能耗(等价值等价值)指标值指标值(吨标准煤吨标准煤/万元万元)上升或上升或下降下降(%)单位工业增加值单位工业增加值能耗能耗(规模以上，规模以上，当量值当量值)指标值指标值(吨标准煤吨标准煤/万元万元)上升或上升或下降下降(%)%)单位地区生单位地区生产总值电耗产总值电耗指标值指标值(千瓦千瓦小时小时/万元万元)上升或上升或下降下降(%)%)北北 京京0.6060.606-5.76-5.760.9090.909-12.3-12.3681.85681.85-2.74-2.74 山山 西西2.3642.364-5.73-5.734.554.55-8.81-8.811921.931921.93-8.5-8.5 内蒙古内蒙古2.0092.009-6.91-6.913.5573.557-15.1-15.11686.721686.72-9.73-9.73 辽辽 宁宁1.4391.439-5.08-5.082.2572.257-6.95-6.951119.991119.99-6.82-6.82 黑龙江黑龙江1.2141.214-5.85-5.851.3821.382-9.64-9.64798.67798.67-7.72-7.72 上上 海海0.7270.727-6.17-6.170.9570.957-5-5808.49808.49-6.39-6.39 江江 苏苏0.7610.761-5.17-5.171.1071.107-10.17-10.171064.251064.25-5.5-5.5 浙浙 江江0.7410.741-5.41-5.411.1231.123-4.96-4.961176.51176.5-2.33-2.33 山山 东东1.0721.072-5.46-5.461.5431.543-9.2-9.2972.49972.49-3.86-3.86 湖湖 南南1.2021.202-5.1-5.11.571.57-13.68-13.68911911-3.05-3.05 广广 东东0.6840.684-4.27-4.270.8090.809-6.94-6.941002.091002.09-6.13-6.13 四四 川川1.3381.338-5.83-5.832.2492.249-9.18-9.181085.911085.91-4.66-4.66 新新 疆疆1.9341.934-1.53-1.533.0953.095-1.72-1.721408.21408.25.735.73部分地区能源消耗指标（部分地区能源消耗指标（20092009）第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论15机械工业出版社中国一次能源的储量、开采量、消费量、可开采年限中国一次能源的储量、开采量、消费量、可开采年限能源种能源种类类一次能源一次能源消费所占消费所占比例比例至至20082008年底中年底中国探明储量国探明储量到到20082008年中国开采量年中国开采量20082008年中国消费量年中国消费量中国消费增中国消费增速（速（20082008年年比较比较20072007年年按目前按目前储量可储量可开采年开采年限限石油石油18.76%18.76%155155亿桶亿桶13.8513.85亿桶亿桶29.2029.20亿桶亿桶3.30%3.30%11.111.1年年煤炭煤炭70.22%70.22%11451145亿吨亿吨1414.51414.5百万吨（油当量）百万吨（油当量）1406.31406.3百万吨（油当量）百万吨（油当量）6.50%6.50%4141年年天然气天然气3.62%3.62%2460024600亿立方米亿立方米761761亿立方米亿立方米807807亿立方米亿立方米15.80%15.80%32.332.3年年合计合计92.60%92.60%第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论16机械工业出版社1.1.2 1.1.2 中国的可持续发展战略中国的可持续发展战略l980l98020002000年期间，中国能源发展成就巨大：年期间，中国能源发展成就巨大：实现了实现了GDPGDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。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。是能源利用效率大幅度提高。是取得了相当大的环境效益。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。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。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论17机械工业出版社 在在20062006年初，我国正式颁布了年初，我国正式颁布了可再生能源法可再生能源法，即，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再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生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展法制化、规范化和可持续发展的新的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、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。为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。未来，我国将以未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热燃料电池、微燃机组热电联产分布供电等具有大规电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。模发展潜力的新技术为重点。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论18机械工业出版社风力发电风力发电第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论19机械工业出版社水力发电水力发电第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论20机械工业出版社燃料电池汽车燃料电池汽车第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论21机械工业出版社奥体中心光伏发电项目奥体中心光伏发电项目 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论22机械工业出版社1.21.2能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征1.2.1 1.2.1 能源的分类能源的分类1.1.能源能源 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。星的运行。2.2.能源的分类能源的分类 “世界能源理事会世界能源理事会(World Energy Council(World Energy Council WEC)WEC)”推荐的能源分类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；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。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。生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论23机械工业出版社1.2.2 1.2.2 能源的基本特征能源的基本特征一次能源一次能源:指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。一一次次能能源源可再生能源可再生能源可再生能源可再生能源非再生能源非再生能源非再生能源非再生能源可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水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；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。再生的，用掉一点，便少一点。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论24机械工业出版社二次能源二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。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。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。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。一、二次能源又可分为一、二次能源又可分为“过程性能源过程性能源”和和“含能体能源含能体能源”。含能体能源：指包含能量的物质。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。这种含能体可以直接储存运送。含能体能源：指包含能量的物质。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。这种含能体可以直接储存运送。过程性能源：指能量比较集中的物质在流动（运动）过程中产生的能量，或称能量过程。如流水、海过程性能源：指能量比较集中的物质在流动（运动）过程中产生的能量，或称能量过程。如流水、海流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。过程性能源和含能提能源是不能互相替代的，有各自的表现形式与应用范围。过程性能源和含能提能源是不能互相替代的，有各自的表现形式与应用范围。如：电能如：电能如：柴油、汽油如：柴油、汽油第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论25机械工业出版社终端能源终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。费的各种能源。常规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。煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。商品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，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、水电和核电商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5 5种。种。非商品能源非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等主要指枯柴、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。能源供应中占有很大比重。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论26机械工业出版社1.2.3 1.2.3 新能源及主要特征新能源及主要特征新能源：新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；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。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：包含两方面：新能源体系新能源体系：可再生能源：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热和地热 能、氢能、核能能、氢能、核能新能源利用技术新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论27机械工业出版社“新新”与与“旧旧”的区别的区别“新新”与传统的与传统的“旧旧”能源利用方式和能源系统相对立能源利用方式和能源系统相对立 。“旧旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；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。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。“新新”：高效利用能源；高效利用能源；资源综合利用；资源综合利用；可再生能源；可再生能源；替代能源；替代能源；节能。节能。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论28机械工业出版社1.2.4 1.2.4 分布式能源及主要特征分布式能源及主要特征1.1.分布式能源分布式能源 国际分布式能源联盟（国际分布式能源联盟（WADEWADE）对）对“分布式能源分布式能源”给出的定义是：发电系给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：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；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；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。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。术，及该系统是否联接电网等条件。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论29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：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：l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；要形式；l“燃料电池燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。高效燃料电池高效燃料电池第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论30机械工业出版社微型燃气轮机微型燃气轮机第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论31机械工业出版社2.2.分布式能源主要特征分布式能源主要特征 (1)(1)高效性高效性 (2)(2)环保性环保性(3)(3)能源利用的多样性能源利用的多样性(4)(4)调峰作用调峰作用(5)(5)安全性和可靠性安全性和可靠性(6)(6)减少国家输配电投资减少国家输配电投资(7)(7)解决边远地区供电解决边远地区供电第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论32机械工业出版社1.31.3新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源转换的重要形式 1.3.1 1.3.1 新能源发电技术的应用新能源发电技术的应用 风力发电风力发电 风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的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。发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在目前研发重点主要集中在u 大型风力发电场与现有电网联网；大型风力发电场与现有电网联网；u 继续开发可靠的风力预报方法；继续开发可靠的风力预报方法；u 开展与风能开发相配套的生态影响研究；开展与风能开发相配套的生态影响研究；u 发展海上风力发电等发展海上风力发电等。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论33机械工业出版社海上风力发电海上风力发电第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论34机械工业出版社太阳能发电太阳能发电 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多个MWMW级的联网光伏电站。级的联网光伏电站。美国最大太阳能发电项目美国最大太阳能发电项目“太阳能之星太阳能之星”第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论35机械工业出版社家用光伏发电家用光伏发电第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论36机械工业出版社燃料电池发电燃料电池发电 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、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。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发电系统 燃料电池汽车燃料电池汽车第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论37机械工业出版社燃料电池汽车组成框图燃料电池汽车组成框图第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论38机械工业出版社生物质发电生物质发电 全球每年植物所固定的生物质能相当于全球每年植物所固定的生物质能相当于10.210.2万亿吨标准煤，相当于全万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（世界每年耗能（8787亿吨标准煤）亿吨标准煤）11721172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，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生物质能总量约合7 7亿吨标准煤，但目前开发极少。亿吨标准煤，但目前开发极少。生物质发电示意图生物质发电示意图秸秆发电厂秸秆发电厂第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论39机械工业出版社核能发电核能发电 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。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俄罗斯悬浮核能发电厂 核能发电厂水蒸气核能发电厂水蒸气第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论40机械工业出版社燃气发电燃气发电 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、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。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。置组成热电联产或分布式能源供给系统。距尼日利亚拉各斯距尼日利亚拉各斯7070余余公里的帕帕兰多燃气电公里的帕帕兰多燃气电站一角。站一角。帕帕兰多燃气电站的帕帕兰多燃气电站的8 8台台燃气机组都是由中国制燃气机组都是由中国制造。总装机容量为造。总装机容量为33.633.6万千瓦。万千瓦。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论41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。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。地热能发电地热能发电 海洋能海洋能潮汐发电站潮汐发电站 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论42机械工业出版社1.3.2 1.3.2 我国新能源发电的现状我国新能源发电的现状 太阳能发电太阳能发电我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到到21%21%，一般商业电池效率是，一般商业电池效率是10%10%16%16%。风能发电风能发电到到20092009年底，年底，风电新增装机达到风电新增装机达到13801380万千瓦，当年新安装万千瓦，当年新安装风机总数达到风机总数达到1012910129台，平均每天台，平均每天2727台，相当于每小时就竖起一台风机。与台，相当于每小时就竖起一台风机。与此同时，累计装机达到此同时，累计装机达到25802580万千瓦。万千瓦。地热能发电地热能发电地热能我国地热发电站总装机容量地热能我国地热发电站总装机容量30MW30MW左右，其中西藏左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。生物质能发电生物质能发电生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/稻壳燃烧稻壳燃烧发电、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800MW800MW。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论43机械工业出版社燃料电池发电燃料电池发电燃料电池自上世纪燃料电池自上世纪9090年代中期以来，我国在燃料年代中期以来，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。发展重大项目，其研究目标直指国际水平。小水利发电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。站的热潮。核能发电核能发电预计，中国计划预计，中国计划20202020年核能发电能力将由目前的约年核能发电能力将由目前的约8kMW8kMW增加到增加到40kMW40kMW，投资金额高达，投资金额高达300300亿美元。亿美元。开发时序预期为：开发时序预期为：2000200020202020年重点开发先进核反应堆技术；年重点开发先进核反应堆技术；2020202020302030年重点开发快中子堆技术；年重点开发快中子堆技术；2030203020402040年重点开发加速器驱动亚年重点开发加速器驱动亚1 1临界系统；临界系统；2040204020502050年重点开发受控核聚变技术。年重点开发受控核聚变技术。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论44机械工业出版社1.3.3 1.3.3 新能源发电及其电源变换系统的典型结构新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.1.太阳能光伏发电及其电源变换系统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，光伏发电系统由接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能等环节组成，等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。将太阳能转换为可利用的电能。(1)(1)光伏发电系统结构光伏发电系统结构 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。子变换器、负载等构成。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论45机械工业出版社1 1）光伏阵列）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。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。光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1 1个光伏电池额定输出电压大个光伏电池额定输出电压大约为约为0.45V0.45V.图图1-1 1-1 光伏发电系统组成光伏发电系统组成第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论46机械工业出版社2 2）蓄电池组）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（太阳能电池阵列能电池阵列蓄电池组的充电、蓄电池组蓄电池组的充电、蓄电池组负载的放电）双向变负载的放电）双向变换控制。换控制。3 3）电力电子变换器）电力电子变换器 电力电子变换器实现电力电子变换器实现DCDCACAC或或DCDCDCDC电能变换，是光伏发电系统的关电能变换，是光伏发电系统的关键部分。键部分。直流变换器直流变换器将直流电源变换为不同电压等级的直流电源将直流电源变换为不同电压等级的直流电源交流变换器交流变换器将直流电源逆变成交流电源将直流电源逆变成交流电源变变 换换 器器第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论47机械工业出版社4 4）控制器）控制器 光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。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（功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPTMPPT）蓄电池充放电控制蓄电池充放电控制 光伏直流输电升降压变换控制光伏直流输电升降压变换控制 逆变器控制等逆变器控制等5 5）负载）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。量。负负 载载直流负载直流负载 由直流电源供电由直流电源供电交流负载交流负载 由交流电源供电由交流电源供电 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论48机械工业出版社(2)(2)光伏发电系统的分类光伏发电系统的分类 按电力系统终端供电模式分为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。孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。1 1）独立光伏发电系统）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用户光伏发电系统独立光伏发电站独立光伏发电站。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。图图1-2 1-2 户用光伏发电系统户用光伏发电系统第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论49机械工业出版社2 2）光伏并网系统）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。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：典型的光伏并网系统如图：图图1-3 1-3 典型并网光伏发电系统典型并网光伏发电系统第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论50机械工业出版社(3)(3)电源变换系统结构电源变换系统结构 逆变电路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。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主要作用是将直流电经DC/ACDC/AC逆变器变换成与电网同频率的交流电，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。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：根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：逆逆 变变 电电 路路电流源型电流源型电压源型电压源型第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论51机械工业出版社1 1）电流源逆变电路）电流源逆变电路 直流母线采用电感（直流母线采用电感（L L）储能）储能图图1-4典型电流源逆变电路典型电流源逆变电路第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论52机械工业出版社2 2）电压源逆变电路）电压源逆变电路 直流母线采用电容（直流母线采用电容（C C）储能）储能图图1-5 1-5 典型电压源逆变电路典型电压源逆变电路 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论53机械工业出版社3 3）复杂逆变电路）复杂逆变电路 优点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；是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；缺点缺点是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。图图1-6 1-6 二极管箝位的三电平电路二极管箝位的三电平电路 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论54机械工业出版社4 4）级联式逆变器）级联式逆变器 多电平逆变器虽然可根据多电平逆变器虽然可根据光伏阵列的组合，方便地组光伏阵列的组合，方便地组合成多电平光伏逆变器，但合成多电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏由于各级电平中对应的光伏阵列可能存在不均衡，电平阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然是一个难题，平衡控制仍然是一个难题，限制了其广泛应用。限制了其广泛应用。图图1-7级联式多电平逆变器拓扑结构级联式多电平逆变器拓扑结构第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论55机械工业出版社2.2.风力发电及其电源变换系统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：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；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。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。风力机在结构型式上分水平轴式与垂直轴式。垂垂直直轴轴水水平平轴轴第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论56机械工业出版社(1)(1)风力发电系统结构风力发电系统结构 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。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。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：典型的风力发电系统：风能资源风能资源 风力发电机组风力发电机组 控制装置控制装置 蓄能装置蓄能装置 备用电源备用电源 电能用户电能用户第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论57机械工业出版社()独立运行的风力发电机组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。蓄能，再供应用户使用。图图1-8 1-8 独立运行的风力发电系统框图独立运行的风力发电系统框图 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论58机械工业出版社储能方式：储能方式：蓄电池蓄能蓄电池蓄能(主要）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。为存储电能的装置。抽水蓄能抽水蓄能 地形条件合适地形条件合适压缩空气储能压缩空气储能飞轮储能飞轮储能电解水制氢储能电解水制氢储能第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论59机械工业出版社()并网运行的风力发电机组并网运行的风力发电机组 1 1）恒速恒频方式）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。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。图图1-9 1-9 恒速恒频并网发电系统恒速恒频并网发电系统 第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论60机械工业出版社恒速发电的特点：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。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；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“刚刚性性”风力发电。风力发电。适用于小功率风电系统，通常不大于适用于小功率风电系统，通常不大于600kW600kW。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论61机械工业出版社 2 2）变速恒频方式）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。率的交流电。变速发电的特点：变速发电的特点：在不同风速下，涡轮机都工作在在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，最高效率点，提高效率提高效率10%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，又称称“弹性弹性”风力发电；风力发电；电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量；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、作次数显著减少、机构寿命得以延长。机构寿命得以延长。适用于大功率发电场合，通常大于适用于大功率发电场合，通常大于1000kW1000kW第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论62机械工业出版社a)同步发电机的直接并网系统同步发电机的直接并网系统特点：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；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；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。直流斩波，形式简单。图图1-10 1-10 同步发电机的直接并网系统同步发电机的直接并网系统第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论63机械工业出版社b)b)双馈发电机双馈发电机(绕线转子异步发电机绕线转子异步发电机)的并网系统的并网系统双馈发电系统的工作原理为：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。当转速低于同步速时，双馈电机工作于电动状态。图图1-11 1-11 双馈发电机的并网系统双馈发电机的并网系统第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论64机械工业出版社异步交直交并网发电异步交直交并网发电荷兰荷兰 WES5-2.5KW第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论65机械工业出版社特点：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，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；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要求双向功率流过变频器，变频器必须是四象限双PWMPWM变频器，由两套变频器，由两套IGBTIGBT变换器构成；变换器构成；只能使用双馈发电机，比永磁发电机重，效率低。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。效率，属于重点推广技术。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论66机械工业出版社()变速恒频发电系统的控制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。控制要求：控制要求：低风速段按输出最大功率要求进行变速控制；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；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。高风速段为功率和转速均被限制区段，功率靠变频器限制。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论67机械工业出版社1 1）双馈发电系统的变流器控制）双馈发电系统的变流器控制图图1-12 1-12 双馈发电系统变流器控制原理框图双馈发电系统变流器控制原理框图第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论68机械工业出版社2 2）风机浆叶节距控制）风机浆叶节距控制 图图1-13 1-13 桨叶节距倾角控制系统框图桨叶节距倾角控制系统框图第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论69机械工业出版社3.3.燃料电池发电及其电源变换系统燃料电池发电及其电源变换系统 分类：分类：固定式的燃料电池固定式的燃料电池 汽车专用移动式燃料电池汽车专用移动式燃料电池 特点：特点：低噪声；低噪声；变换效率高，对环境的污染几乎为零；变换效率高，对环境的污染几乎为零；体积小，使用方便；体积小，使用方便；能使用多种燃料发电，可以代替火力发电。能使用多种燃料发电，可以代替火力发电。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论70机械工业出版社(1)(1)燃料电池发电系统构成燃料电池发电系统构成图图1-14 1-14 燃料电池发电系统构成框图燃料电池发电系统构成框图燃 料重整系统空气供应系统控制系统DC-AC变换系统剩气循环系统排热回收系统燃料燃料空气电力热输出（高温燃料电池）第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论71机械工业出版社燃料重整系统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；分的转换系统；空气供应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；可以使用电动机驱动的送风机或空气压缩机；DC/ACDC/AC变换系统变换系统直流到交流的逆变装置；直流到交流的逆变装置；排热回收系统排热回收系统用于回收燃料电池发电时产生的热能；用于回收燃料电池发电时产生的热能；控制系统控制系统燃料电池发电时的起动、停止、运行、外接负载等的控制燃料电池发电时的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置；装置；剩余气体循环系统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。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。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论72机械工业出版社(2)(2)燃料电池发电燃料电池发电电源变换控制系统电源变换控制系统燃料电池发电燃料电池发电电源变换系统的工作方式与内燃机相似。电源变换系统的工作方式与内燃机相似。图图1-15 1-15 燃料电池发电燃料电池发电电源变换系统框图电源变换系统框图燃燃 料料供供 给给燃料处理器燃料处理器(汽油或甲烷汽油或甲烷)燃燃 料料电池堆电池堆DC-DC变换器变换器DC-AC变换器变换器220V/50Hz负负 载载热热 管管 理理余热回收余热回收蓄电蓄电池池燃料电池控制器燃料电池控制器空气管理空气管理燃料管理燃料管理传感器传感器电源变换控制器电源变换控制器中央动力控制单元中央动力控制单元H2并网运行并网运行Q第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论73机械工业出版社燃料电池的分类：燃料电池的分类：按电解质性质分：按电解质性质分：碱性燃料电池（碱性燃料电池（Alkaline Fuel CellAFC）质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel CellPEMFC）磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel CellPAFC）熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel CellMCFC）固态氧化物燃料电池（固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel CellSOFC）按工作温度分：低温燃料电池按工作温度分：低温燃料电池（AFC、PEMFC、PAFC）高温燃料电池高温燃料电池（MCFC、SOFC）按开发早晚顺序：按开发早晚顺序：把把PAFC称为第一代燃料电池；把称为第一代燃料电池；把MCFC称为第二代燃料电池；把称为第二代燃料电池；把SOFC称为第三代燃料电池。称为第三代燃料电池。第第1章章 新能源发电与控制技术导论新能源发电与控制技术导论74机械工业出版社1.4 1.4