新能源转换与控制技术导论课件.ppt

1、1/842022-12-13第第1 1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论2/842022-12-133/842022-12-134/842022-12-13 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 电动汽车电动汽车 1.5 1.5 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5/842022-12-13 6/842022-12-137/842022-12-13

2、煤多油少煤多油少是中国能源储存是中国能源储存结构的基本特点，这种结结构的基本特点，这种结构到今后构到今后2020年，甚至到本年，甚至到本世纪中叶，我国以煤为主世纪中叶，我国以煤为主的能源结构很难改变。的能源结构很难改变。在能源生产与消费中，以煤在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成分，造成环境污染严重、环境污染严重、效率低下、浪费惊人。效率低下、浪费惊人。8/842022-12-132 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

3、用已达到相当高的强度，但能源利用效率低下。我国能源利用效率仅为效率低下。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。9/842022-12-13中国与世界一次能源消费结构比较（中国与世界一次能源消费结构比较（20042004年）年）（美国数据

4、为（美国数据为20012001年）年）10/842022-12-13中国能源产消现状中国能源产消现状11/842022-12-13年份年份占能源消费总量的比重占能源消费总量的比重/%煤炭煤炭石油石油天然气天然气水电、核电、风电水电、核电、风电198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.120066

5、9.420.437.2中国一次能源消费结构中国一次能源消费结构12/842022-12-13“十五十五”以来中国能源消费增长情况以来中国能源消费增长情况13/842022-12-131.1.2 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。能源利用效率大幅度提高。能源利用效率大幅度提高。取得了相当大的环境效益。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。但与世界发这些成就为我国的经

6、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。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。14/842022-12-13 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，即将，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阶的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为段，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。

7、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、太阳能水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等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。15/842022-12-13风力发电风力发电16/842022-12-13水力发电水力发电17/842022-12-13燃料电池汽车燃料电池汽车18/842022-12-13奥体中心光伏发电项目奥体中心光伏发电项目 19/842022-

8、12-1320/842022-12-131.21.2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。世界上一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。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 WEC)”(World Energy Council WEC)”推荐的能源

9、分类如下：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；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。能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。21/842022-12-131.2.2 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

10、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 可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳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的初级资源 。包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们包括：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。是不能再生的，用掉一点，便少一点。22/842022-12-13二次能源二次能源:是指由一次能源经过加工

11、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、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。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。二次能源又可分为二次能源又可分为“过程性能源过程性能源”和和“合能体能源合能体能源”。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。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：电能如：柴油、汽油如：柴油、汽油23/842022-

12、12-13随着技术、经济过关，氢能有可能称为替代柴油、汽油的理想新含能随着技术、经济过关，氢能有可能称为替代柴油、汽油的理想新含能体能源。体能源。氢能是取之不尽用之不竭的高密度能源，氢最大的来源是水，氢燃料氢能是取之不尽用之不竭的高密度能源，氢最大的来源是水，氢燃料电池产生的排出物也是水，江河湖海就是最大的氢矿。电池产生的排出物也是水，江河湖海就是最大的氢矿。氢能的储运性能好，使用也方便，可转化性优于其他各类能源，安全氢能的储运性能好，使用也方便，可转化性优于其他各类能源，安全性也与汽油相当。性也与汽油相当。太阳能、风能、地热、核能、电能等均可转化成氢加以储存、运输或太阳能、风能、地热、核能、

13、电能等均可转化成氢加以储存、运输或直接应用，氢是一种理想的载能体。直接应用，氢是一种理想的载能体。随着科技进步，氢能的开发与利用很有发展前途。随着科技进步，氢能的开发与利用很有发展前途。24/842022-12-13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

14、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。25/842022-12-13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。

15、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、海洋风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能能)和地热能、氢能、核能和地热能、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、节高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术能等新技术1.2.3 1.2.3 新能源及主要特征新能源及主要特征26/842022-12-13传统规模化的能源生产利用形态造成了一系列的问题：传统规模化的能源生产利用形态造成了一系列的问题：人类面临严峻的化石能源短缺人类面临严峻的化石能源短缺终端能源利用效率无法提高，转换成本加大终端能源利用效率

16、无法提高，转换成本加大必须大规模利用资源，造成利用资源供应瓶颈必须大规模利用资源，造成利用资源供应瓶颈由于效率无法提高，导致环境污染加剧，使整个能源系统由于效率无法提高，导致环境污染加剧，使整个能源系统和生态系统同时陷入恶性循环和生态系统同时陷入恶性循环27/842022-12-13“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

17、，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。28/842022-12-131.2.4 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：给出的定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：发电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

18、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。或技术，及该系统是否联接电网等条件。29/842022-12-13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

19、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30/842022-12-13微型燃气轮机微型燃气轮机31/842022-12-13分布式能源可使用天然气、煤层气等清洁燃料，也可以利用沼分布式能源可使用天然气、煤层气等清洁燃料，也可以利用沼气、焦炉煤气等废弃资源，甚至利用风能、太阳能、水能等可再生气、焦炉煤气等废弃资源，甚至利用风能、太阳能、水能等可再生能源。由于目前的分布式能源项目多建在城市，所以大部分分布式能源。由于目前

20、的分布式能源项目多建在城市，所以大部分分布式能源系统的燃料多为天然气或是柴油。分布式能源的主要特征有：能源系统的燃料多为天然气或是柴油。分布式能源的主要特征有：(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2 2、分布式能源主要特征、分布式能源主要特征 32/842022-12-131.31.3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

21、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。33/842022-12-13太阳能发电太阳能发

22、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”34/842022-12-13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、提供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。美国每年投居民住宅

23、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。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35/842022-12-13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

24、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36/842022-12-13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。核裂变主要应用于又称原子能，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、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。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

25、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37/842022-12-13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、煤根据用户用能性质、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。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余公余公里的帕帕兰多燃气电

26、站里的帕帕兰多燃气电站一角。一角。帕帕兰多燃气电站的帕帕兰多燃气电站的8 8台燃台燃气机组都是由中国制造。气机组都是由中国制造。总装机容量为总装机容量为33.633.6万千瓦。万千瓦。38/842022-12-13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 39/842022-12-131.3.2 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20102010年我国太阳能电池产量超过了全球总产量的年我国太阳能电池产量超过了全球总产量的5

27、0%50%，行业年产值超过行业年产值超过30003000亿元。太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经亿元。太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到达到21%21%，一般商业电池效率是，一般商业电池效率是10%10%14%14%，具有较强的国际竞争力。，具有较强的国际竞争力。风能发电风能发电20122012年中国新增风电机组装机容量年中国新增风电机组装机容量13200MW(13200MW(其中海其中海上风电装机容量上风电装机容量127MW)127MW)，累计风电机组装机容量，累计风电机组装机容量75564MW75564MW，均位居，均位居世界第一世界第一。地热能发电地热能发电我国地热发

28、电站总装机容量我国地热发电站总装机容量30MW30MW左右，其中西藏羊八左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。地源热泵利用快速发展。井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。地源热泵利用快速发展。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。40/842022-12-13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

29、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。与发展重大项目，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。水电站的热潮。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40

30、kMW40kMW，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。41/842022-12-131.3.3 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1.3.3.1

31、1.3.3.1 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接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、电力电子变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。换器、负载等构成。42/842022-12-13

32、太阳能电池阵列蓄电池组控制器电力电子负载变换器（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排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。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约为个光伏电池额定输出电压大约为0.45V.0.45V

33、.图图1-1 1-1 光伏发电系统组成光伏发电系统组成43/842022-12-13（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，是光伏发电系统的电能变换，是光伏发电系统的关键部分。关键部分。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

34、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44/842022-12-13（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

35、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 45/842022-12-132 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

36、变换器和控制器等组成。太阳能电池阵列蓄电池组控制器DC/AC交流负载直流负载逆变器图图1-2 1-2 户用光伏发电系统户用光伏发电系统46/842022-12-13（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：太阳能电池阵列蓄电池DC/DC变换器驱动电路PWM控制器电抗器电网变压器DC/DC斩波器DC/AC逆变器图图1-3 1-3 典型并网光伏发电系统典型并网光伏发电系统47/842022-12-133 3、电源变换系统结构、电源变换系统结构

37、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48/842022-12-13（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，逆变器输出经电容）储能，逆变器输出经电容C

38、C滤波后与电网并网。滤波后与电网并网。图图1-4 1-4 典型电流源逆变电路典型电流源逆变电路 49/842022-12-13（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，输出经三相滤波电感并入电网系统。）储能，输出经三相滤波电感并入电网系统。CUsa Usb UscUiii+-abcdcVT1VD1VT3VD3VT5VD5VT4VD4VT6VD6VT2VD2图图1-5 1-5 典型电压源逆变电路典型电压源逆变电路 50/842022-12-13（3 3）复杂逆变电路）复杂逆变电路 VBVBVCVCVAVAVBVCVAVBVCVACCU+ABCUV

39、Wdc12111122222211333444DADADBDBDCDC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 51/842022-12-13（4 4）级联式逆变器）级联式逆变器 C+光伏电源C+光伏电源Cn+光伏电源.anVT11VD11VT12VD12VT13VD13VT14VD14VT21VD21VT22VD22VT23VD23VT24VD24VTn1VDn1VT

40、n2VDn2VTn3VDn3VTn4VDn412多电平逆变器虽然可根据光伏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，但由于各级电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏阵列可能存电平中对应的光伏阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然在不均衡，电平平衡控制仍然是一个难题，限制了其广泛应是一个难题，限制了其广泛应用。用。图图1-7 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 52/842022-12-131.3.3.2 1.3.3.2 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：

41、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53/842022-12-131 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、电气及控制大系统组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。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

42、）、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54/842022-12-13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蓄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。能，再供应用户使用。交流发电机整流器控制器逆变器蓄电池负载图图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 55/842022-12-13储能方式：储能方式：蓄电池

43、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为存储在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池作为存储电能的装置。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56/842022-12-13、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，始终维持恒转速运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。转，从而输出恒定额定频率的交流电。采用笼形异步发

44、电机。风轮变速箱发电机变压器电网补偿电容图图1-9 1-9 恒速恒频并网发电系统恒速恒频并网发电系统 57/842022-12-13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

45、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。58/842022-12-13（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

46、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 59/842022-12-13a 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风轮变速箱发电机变压器电网滤波器33交直交变频器特点：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

47、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60/842022-12-13b 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风轮变速箱发电机变压器电网滤波器33交直交变频器双馈

48、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61/842022-12-13异步交直交并网发电异步交直交并网发电荷兰荷兰 WES5-2.5KWWES5-2.5KW62/842022-12-13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

49、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，由两变频器，由两套套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。63/842022-12-13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，而是根据转速信号控变速恒频

50、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。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，功率则随风速增加上升；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。高风速段为功率和转速均被限制区段，功率靠变频器限制。64/842022-12-13（1 1）双馈发电系统的变频器控制）双馈发电系统的变频器控制 图图1-12 1-12 双馈发电系统变频器控制原理框图双馈发电系统变频器控制原理框图65/842022-12-13（2