（电气工程专业论文）风光氢联合式独立发电系统应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 伴随着人类社会的发展和文明程度的进步，人类对能源的需求在迅猛膨胀。2 1 世纪的今天，人类在有限资源和环境保护要求日益严格的制约下发展经济，面临着 实现经济和社会可持续发展的严重挑战。随着现有能源结构的不断优化，各种新能 源的开发和应用越来越受到各国政府的重视，其中对太阳能和风能方面的应用最具 潜力。 目前国内外对风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源的投入都比较大，使可 再生能源的建设发展迅速。国内外对风能、太阳能等发电形式并网问题研究的较多， 但对于独立应用的可再生能源发电系统研究的却较少，对于以西藏地区为典型代表 的边远偏僻地区采用可再生能源发电解决当地人民用电需求的应用研究就更少。目 前，我国还有很多地区受地理位置、自然环境和历史等因素的影响，电力能源十分 匮乏，无电、缺电问题十分突出，人民生活水平的提高和经济发展受到制约。然而， 这些地区普遍具有丰富的可再生能源可供开发利用，大力开展可再生能源的开发利 用研究，是解决广大无电偏远地区能源问题的必由之路，是值得我们不断探索和研 究的重大理论实践课题。 为了向边远偏僻地区提供可靠、稳定的电能供应，论文设计了一种风光氢联合 式独立发电系统。由于风能、太阳能在自然能源充足时会产生大量过剩的电能，如 何将这些电能有效的储存起来，以各自然能不足时使用是目前需要解决的课题。本 文提出利用氢能储能的方式，解决由于可再生能源季节性差异对发电系统供电质量 和效率的影响，较好的提高可再生能源的利用率。为克服燃料电池对瞬间和短期内 峰值功率需要的响应相对较弱的缺点，论文采用在燃料电池端并联使用超级电容堆 辅助燃料电池向负荷提供电能的方式，实现系统运行的经济性与可靠性。 论文利用m a t l a b - - s i m u l i n k 仿真软件对提出的风光氢联合式独立发电系统 进行了系统建模。 论文详细分析了西藏高原的地理、环境及气候特点，重点对风力发电在这一地 区应用存在的问题进行了研究，并提出了相应的解决方案。对于风光氢联合式独立 发电系统在这一地区的应用进行了详细的系统设置。 通过对设计的风光氢联合式独立发电系统的暂态响应仿真，证明了在风光发电 系统中使用燃料电池，超级电容系统能够较好的克服由于风能和太阳能随机变化对 发电系统的不利影响。系统在风速和用户负荷发生变化时，保持了较好的供电质量。 同时证明了该独立发电系统具有较强的供电可靠性，可以被用于西藏边远地区及风 速和光能变化较大的地区。 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 本文立足于解决边远偏僻无电地区人民用电需要，并以西藏高原这一特殊地区 为代表，开展由风能、光能等可再生能源发电形式构成的联合式独立发电系统的应 用研究，具有很强的针对性和应用性，理论和现实意义极强。 关键词：风力发电，光伏发电，氢能，西藏，动态仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fh u m a 血s o c i e t ya n dp r o g r e s so fc i v i l i z e dd e g r e e ，t h ed e m a n dt o 印e 喀yb yb 岫锄i si n c r e a s i n gs w i f t l ya n dv i o l e n t l y , n o w a d a y si nt h e2 1 s tc e n t u r y , m e h u m a n i t yd e v e l o p st h ee c o n o m yu n d e rt h eg r a d u a n ys t r i c tr e s t r i c t i o no fl i m i t e dn 麓耵u r c e s 雒dm v h - 呲m m lp m t e c t i o nr e q u e s t s , f a c e dw i t hg r e a tc h a l l e n g e sb yr e a l i z i n gt h e e c o n o m i c a la n ds o c i a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta st h ep r e s e n ta l 哪姗c t 宅b e i n g o p t i m i z e d , t h ed e v e l o p m e n t sa n da p p f i c a f i o n so fn e we l l e t g yr e s o u r h a v eb e e np a i d n 加a n dm o r ea t t e n t i o nb yg o v e n m m n t so fa l lk i n d so fc o u n t r i e s a m o n ga l lk i n d so f n e we n e t - g yr e s o u r c e , t w ok i n d so ft h em o s tp o t e n t i a le e t e r g i e sa r es o l a re l i e r g ya n dw i n d e n e r g y a th o m e 盔l da b r o a dm u c hi n v e s l m e n ti sd e v o t e dt ot h ew i n dp o w 盯a n ds o l a r p h o t o v o l t a i ca n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g y t h er e n e w a b l ee n e l g ya p p l i c a t i o nc o n s u i l c t i o n i sd e v e l o p i n gr a p i d l y i nf l a i sp a p e rl h e r ei sn m e hr e s e a r c ha b o u tt h ew i n dp o w e ra n ds o l a r e n e r g ya n do t h e rf o r m so fp o w e fg e n e r a t i o na n d 班d r e l a t i v e l yl e s sa b o u tt h e i n d e p e n d e n ta p p f i c a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m , l e a s ta b o u th o w 协u s e t h ei n d e p e n d e n ta p p l i c a t i o no f r e n e w a b l e e n e r g yt os o l v et h ep o w e rs h o r t a g ep r o b l e m sf o r t h et y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft i b e t a na r e a st ot h er e m o t ea n di s o l a t e dm - e a s a tp r e s e n t m 栅yr e g i o n si n 嘶g o s h o r to fp o w e re n e r g yd u et oi t sg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n , n a t u r a l h i s t o r ya n do o l e ff a c t o r s ，1 1 0e l e o r i e i t yo rl a c k a g eo fe l e c t r i c i t yi sc o n s p i c u o u sa n dt h e i m p r o v e m e n t o f t h e p e o p l e s l i v i n g a n d d e v e l o p m e n t o f e c o n o m i c w i l l b e r e s t r i c t e d b y t h e s i n l a f i o n s h o w e v e r , 出豇ei sa b u n d a n tr e n e w a b l em e r g yf o rd e v e l o p m e ma n du s ei nt h e s e 缸蛐a p p l i c a t i o nr e s e m c ha b o u th o wt od e v e l o pa n du s et h er e n e w 龇e n e r g yi st h e o n l yw a yt os o l v es h o r t a g ei nt h ep o w e r i nt h er e m o t e 锄嘲a n da l s om a j o ra n d p r a c t i c a l i s s u e st h a 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r i m p l d v e st h eu t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e l g y t oo v a o 辩t h es h o r t c o m i n g so ff u e l m 重庆大学硕士学位论文英文摘要 b a t t e r y sw e a kr e s p o n s et ot h es h o r tt e r ma n di n s t a n t a n e o u sp e a kp o w e r , t h i sp a p e r p r o v i d e se l e c w i c i t yt ot h el o a di ns u c haw a yt h a tt h e r ems u l x fc a p a c i t o ra n ds u p e r c a p a c i t o rr e a c t o ra u x i l i a r yf u e lc e l l sp a r a l l e lt ot h ef u e lc e l l si nt h et e r m i n a l t h ep 辨b u i l d ss y s t e mm o d e l sf o rw i n d p h o t o v o l m i c t h y b r i dp o w e r s y s t e mb yu s e o f t h es i m u l a t i o ns o f t w m em 棚a b s i m u l i n k t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e d a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e o g r a p h y , e n v i r o n m e n ta n dc l i m a 把i nt h et i b c 物mp l a 眦f o c u s e so nt h ea p p f i c a t i o no fw i n dp o w e , 缸t h i sr c g i o aa n dp r o p o s e sc o r r e s p o n d i n gp l a n s t h ec o n f i g u r a i o aa n di t so p e r a t i o n m o d eo f l h ev , 血d s o l a r f ch y b r i dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h et r a n s i e n tr e s p o i l s i m u l a t i o n 幻t h ew i n d p h o t o v o l t a i c f u e lc e l lp o w e r s y s t e m , i tp r o v e st h a tf c _ a cs y s t e mc mb eu s e di nt h ew i n d p h o t o v o l t a i cg e n e l a t i n g s y s t e mt oo v 蝴m et h ea d v e l s ee f f e c t sb r o u g h tb yt h er a n d o mc h a n g e so f 也ew m da n d s o l a rp o w e r t h es y s t e mc o u l dp r o v i d eag o o dq u a l i t yo f p o w e rs u p p l ye v e l lf f w i n ds p e e d a n du 孵sl o a dc h a n g e m e a n w h i l es t r o n gp o w e r s u p p l yr e u a b i h t yo ft h eh y b r i dp o w e z s y s t e mh a sb e e nd e m o n s t r a t e d , a n dt h es y s t e mc o u l db eu s e di nt h er e m o t e 蝴o f 曩b c t w h e r et h e r ea r em a n yc h a n g e si nt h el i g h ta n dw i n d t h i sp a p e ra 拙e m p t s 幻s o l v et h ee l e c t r i c i t yn e e d so f t h ep e o p l ei nr e m o t ea r e a sw h e r e l h e r ei sn op o w e ra n das p e c i a l 部鼢f o rr e p r e s e n t a t i v e so ft h et i b e t a np l a t e a u , d o e ss o m e a p p l i c a t i o nr e s e a r c h e sa b o u ta l e l g yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go fw i n d , u g h t a n do t h e rf o r m sr e n e w a b l ee n e r g yw i t hs p e c i f i cp l l l p o s 4 0a n da p p l i c a t i o na n das t r o n g t h e o r e t i c a l 趾dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：w i n dp o w e r ，s o l a r ，h y d r o g e n ， t i b e t ，d y n a m i cs i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者躲删彳签字眺铲7 年r 月幻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 靴做储群删彳 签字日期：7 尹7 年r 月厂7 日 导师签名： 了蜂一 签字日期：四年j _ 月f 矿日 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 可再生能源发展概况 1 1 1 可再生能源发展的“全球性” 1 ) 全球关注可再生能源的发展 随着全球能源和环保形势的日益严峻，国际社会对可再生能源的重视程度达到 了前所未有的高度，世界各国不仅在本国内积极鼓励可再生能源的发展，还联合起 来为了全世界的可持续发展而共同努力，尤其是2 0 0 5 年京都议定书的正式生效 及“2 0 0 5 年北京国际可再生能源大会”的召开，将世界对可再生能源的重视推向了 高潮i l j 。国际上大力发展可再生能源有如下6 条理由：1 ) 能源安全和能源供应多元 化；2 ) 减少温室气体排放；3 ) 减少化石燃料引起的城市环境污染；4 ) 替代核能；5 ) 创造就业机会和发展中小企业的动力；6 ) 扩大技术和装备出口。 2 ) 各国积极推进可再生能源事业的发展 目前，世界上已有5 0 多个国家制定了各种形式的激励可再生能源发展的政策， 其中包括1 4 个发展中国家；3 2 个国家和部分大国的州政府出台了强制上网政策；6 个国家以及部分国家的地方政府出台了强制配额政策；3 0 多个国家对可再生能源发 展提供了直接的政府财政补贴或其他经济激励措旆。各个国家和世界性组织在可再 生能源方面的资金投入明显加大，政府每年直接或间接投入在1 0 0 亿美元以上。各 类投资基金都积极介入可再生能源项目，世界银行、欧洲银行、全球环境基金等国 际金融组织也增加了这方面的投入。 3 ) 全球可再生能源加速发展 中国可再生能源专业委员会统计显示，截至2 0 0 5 年底，世界可再生能源发电装 机达到1 8 0 g w ，其中风力发电5 9 g w ，小水电8 0 g w ，生物质发电4 0 g w ，地热发 电1 0 g w ，光伏发电5 g w ，生物液体燃料如乙醇则达到3 3 0 亿升，柴油达到2 2 0 万 吨。世界能源供应中，传统生物质能大约占9 o ，水电占5 7 ，新的可再生能源 达到2 o 以上。世界可再生能源发展速度加快，其中，并网光伏发电增长6 0 ，风 力发电增长接近3 0 ，生物柴油增长约2 5 ，太阳能供热、独立光伏发电、地热供 热、生物酒糟等的增长也超过了1 0 。 1 1 2 可再生能源发电形式的“多样性” 1 ) 太阳能发电技术 太阳能发电的方式主要有通过太阳能热发电的塔式发电、抛物面聚光发电、太 阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等和不通过热过程发电的光伏 发电、光感应发电、光化学发电及光生物发电等。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 2 ) 风力发电技术 风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是一种清洁能源。风力发电 机的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化 商业开发前景的发电方式。 3 ) 生物质能发电技术 生物质，就是所有来源于植物、动物和微生物的除矿物燃料外的可再生的物质。 利用生物质本身的能量，将其转化为可驱动发电机的能量形式，如燃气、燃油、酒 精等，再按照通用的发电技术发电，然后直接提供给用户或并入电网提供给用户。 4 ) 地热发电技术 所谓地热能，就是来自地下的热能，即地球内部的热能。地热发电是利用地下 热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械 能，然后带动发电机发电。 5 ) 潮汐能发电技术 潮汐能是海洋能的一种，是指海水涨潮和落潮形成的水的动能和势能。潮汐发 电，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机 来发电。 6 ) 燃料电池发电技术 铲 燃料电池发电是在一定条件下使燃料( 主要是h 2 ) 和氧化剂( 空气中的0 2 ) 发 生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池不同，只要有燃 料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出，它不受卡诺循环限制，能量转换效 率高。 一个燃料电池系统 2 1 由六个基本的子系统组成如图1 1 ，燃料电池堆、燃料处 理、空气管理、水管理、热量管理和功率调节子系统。其中，燃料电池堆是燃料电 池系统的主要部件，各个独立的电池堆组成的模块可进行串联或并联组装。 圈l 1 燃料电池系统示意图 f i g u m1 1f u e l 鲫s y s t e ms c h v m a f i c 燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。它由阳极、阴极和两极中间的电解 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 质所组成。对外部电路来讲，阳极称作负极，阴极称作正极。它的发电方式与常规 化学电池一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料( 如氢等) 的氧化过程，阴 极催化氧化剂( 如氧等) 的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电 子通过外电路做功并构成总的电的回路。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而 贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐决定。燃料电池的工作原理如图1 2 所示。 图1 2 燃料电池工作原理示意图 f i g u r e1 2s c h e m a t i co f f u e lc e l lb o r 9 8 7 ) 超级电容器储能技术 超级电容( s u p e r c a p a c i t o r ) 又称作电化学电容器( e l e c l r o c h e m i c a lc a p a c i t o r , e c ) ， 超大容量电容器( u l t r a c a p a e i t o r ) ，是一种介于传统的电容器和电池之间的新型储能 元件。与普通的电容器相比。超级电容器具有更高的比容量，可存储的比能量为传 统电容器的1 0 倍以上。与电池相比，具有更高的比功率、可瞬间释放特大电流、充 电时间短、充电效率高、循环使用寿命长、无记忆效应以及基本无需维护等特点p l 。 因而受到日本、美国、欧盟、俄罗斯等国家的高度重视。 超级电容结构类似于电池。它有两个浸入电解液中的电极，电极间有绝缘层。 电极由具有大表面面积的多孔材料制成。超级电容中使用的电极的表面积为5 0 0 2 0 0 0 m 2 g ，远远大于电池中使用的电极的面积。超级电容是低压元件，额定电压为 2 5 v 。目前，超级电容与各类动力电池配合使用组成的复合电池在电动汽车领域已 经进入实用化阶段，已经被用于需要短期峰值电能的电力系统中从其发展趋势来 看，超级电容主要是用来取代或部分取代电池1 4 - 6 1 。 表1 1 是超级电容器和静电电容器及蓄电池的特性比较。与电池相比，超级电 容具有许多电池无法比拟的优点： ( 1 ) 功率密度高。电容器的功率密度为电池的1 0 1 0 0 倍，可达到1 0 k w k g 左右， 可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得电容器非常适合用于短 时间高功率输出的场合。 ( 2 ) 充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的 快速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电 重庆大学硕士学位论文i 绪论 过程，是真正意义上的快速充电。而蓄电池则需要数小时完成充电，即使采用快速 充电也需几十分钟。 ( 3 ) 使用寿命长。超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆 性，不易出现类似电池中活性物质那样的晶型转交、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的 寿命终止的现象，碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达1 0 0 0 0 0 次以上，比 电池高1 0 1 0 0 倍。 ( 4 ) 低温性能优越。超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性 物质表面进行，所以容量随温度的衰减非常小。电池在低温下容量衰减幅度却可高 达7 0 。 由负荷质量导致的电能质量问题往往具有持续时间短、出现频繁的特点，应用 超级电容作为储能设备进行快速补偿是理想的技术方案。研究表明，目前虽然超级 电容单位容量制造成本高于蓄电池，但在短时间应用领域，超级电容的性能和综合 成本均优于电池及其他储能技术。 表1 1 静电电容器、超级电容器与蓄电池的性能比较 t a b l e l 1c a p a b i l i t y c o m p a r e o f s t a t i c a p a e i t o r , s q c a 羿d t o f a n d 霸鼬g e c g n 性能比较静电电容器超级电容器蓄电池 放电时间1 0 4 1 0 3 ( s )1 3 0 ( s )0 3 3 ( s ) 充电时间1 0 1 1 0 。3 ( s )1 3 0 ( s ) 1 5 ( h ) 能量密度小于0 1 ( w h k g )l 1 0 ( w h k g )2 0 1 0 0 ( 1 1 k g ) 功率密度大于1 0 0 0 0 ( w k g )1 0 0 0 2 0 0 0 ( w k g )5 0 2 0 0 镰 k g ) 循环效率 1 o 0 9 0 o 9 5 0 5 o 8 5 循环寿命不限大于1 0 0 0 0 0 次5 0 0 2 0 0 0 次 1 1 3 可再生能源发电技术的“经济性” 一直以来，缺乏经济性使得可再生能源这种有利于人类可持续发展的清洁能源 未得到应有的迅速发展。随着技术的进步，可再生能源的这种尴尬局面正在改变。 根据德国环境自然和安全部2 0 0 5 年公布的可再生能源报告统计，风能、太阳能 集热和生物质能等发电方式的绝对成本正在向传统的火力、水力靠近，光伏发电的 能源回收期已经从1 0 年以上缩短至3 5 年，而这些可再生能源的建设周期比传统 的电厂建设周期短了一个数量级。 世晃观察研究所的资料显示，风力发电机的装机成本随着风机单机容量的增长 己从1 9 8 1 年的2 6 0 0 美元教w 降到2 0 0 3 年的7 5 0 美元删【”。风力发电技术日臻成 熟，使风电价格不断下降，已从1 9 8 0 年的约3 2 美f f ( k w ”降到2 0 0 3 年的约5 美分( k w h ) ，一些美国电力公司的风电优惠售价已经降到2 o 2 5 美分( k w 1 1 ) i 卅。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 据专家估计，2 0 2 0 年以后风力发电成本的平均竞争力可达到洁净煤发电厂的水平嗍。 目前，在国际市场上，太阳能光伏电池的价格大约为3 1 5 美元，w ，并网系统价 格为6 美元，w ，发电成本为0 2 5 美y r j ( k w h ) u 田。光伏电池的光电转化效率也不 断提高，晶体硅光电池转化率达到1 5 ，单晶硅光电池转化率是2 3 3 ，砷化镓光 电池是2 5 ，在实验室中特制的砷化镓光电池已达3 5 3 6 t n 3 。太阳能光伏电池 组件使用寿命大大增长，可用3 0 多年。 1 2 可再生能源发电中需要进一步髌决的问题 1 ) 进一步研究可再生能源发电系统的体系结构，寻找更好的蓄能方式和备用发 电装置，合理配置互补发电场，降低建设费用； 2 ) 研究可再生能源发电系统的能量管理控制，实现可再生能源发电场设备的动 态优化组合，降低系统运行成本，提高电场运行质量； 3 ) 建立分布式可再生能源发电场，实现可再生能源发电的独立运行与并网运行 同步发展； 4 ) 积累可再生能源发电的实验数据，储备可再生能源发电场独立运行与并网发 电的相关经验和技术任务，制定可再生能源发电系统技术标准，形成较完善的可再 生能源技术支撑体系，为可再生能源的大规模开发和利用奠定基础。 1 3 西藏可再生能源发展概述 1 3 1 西藏基本状况概述 西藏自治区位于中国的西南边疆，青藏高原的西南部，南起北纬2 6 5 2 ”。北 至北纬3 6 3 2 ”，西自西经7 8 2 4 ”，东到东经9 9 0 6 ”，南北最长约1 0 0 0 公里， 东西最宽达2 0 0 0 公里，全区土地面积为1 2 0 万多平方公里，约占全国总面积的 1 2 8 ，居中国第二位，全区共7 1 个县，1 个县级市( 日喀则市) ，6 个地区和1 个 地级市，主要城镇有拉萨、日喀则、昌都、泽当、那曲、八一镇等，2 0 0 3 年末常住 人口2 7 0 1 7 万人“2 1 。 1 3 2 西藏电力发展现状 自1 9 5 1 年和平解放以来，先后兴建了5 0 0 多座水电站，开发建设了规模较大的 羊八并、那曲、郎久三个地热电站，以及我国水头最高的抽水蓄能电站一羊卓雍 湖电站【1 3 】。目前，全区总装机容量已达近5 0 万l 【w ，发电量达1 2 亿k w ，其中地市 电力装机容量约3 3 万k w ，年发电量1 0 亿k w h 。地市电网外小水电及光伏与风光 混合发电等离网发电装机容量约1 6 万k w 。在总装机容量中，水电占9 0 以上，地 热发电占2 8 万k w ，光伏和风光互补发电占o 8 5 万k w 【。至2 0 0 4 年底，全区用电 人口1 6 0 多万人，约占总人口的6 0 ，乡( 镇) 、行政村通电率分别为7 1 和4 1 ， 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 还有3 9 的乡镇和5 9 ；f t 政村，大约有4 8 6 0 多个村2 5 万多农物业户，共计1 1 0 多 万人口尚未用上电“4 ，l ”。 1 3 3 西藏地区可再生能源的应用 西藏可再生能源十分丰富，主要有水能、地热能、太阳能、风能和以薪柴和畜 粪为主的生物质能。其中，西藏水能资源理论蕴藏量达2 亿多k w ，年电能可达1 7 6 0 0 亿k w 时，占全国的2 9 7 ，初步调查可开发水能5 6 6 0 万k w ，年发电量约3 3 0 0 亿 k w 时( 折合标准煤1 3 2 0 0 万吨) ，占全国的1 7 1 ；地热能和太阳能储量居全国之 首，是世界上最丰富的地区之一，年日照时数在1 5 0 0 3 4 0 0 h 之闻，辐射总量大部 分地区为6 0 0 0 8 0 0 0 m j m 2 。直射比例大，年际变化小，与水能在地域分布上有互 补特点。西藏推测年风能储量9 3 0 亿捌y 时，除藏东地区风能资源较贫乏外，大部分 地区属风能较丰富区和可利用斟坷。 从2 0 世纪年代开始，西藏相继实施了“阳光计划”、“科学之光计划”和“阿 里地区光电计划”等项目，推广太阳能发电，解决了部分农牧民的用电问题【1 7 l 。目 前，西藏是我国建设集中型太阳能光伏电站最多的地区，共建有县级和乡级光伏电 站近4 0 0 座，总容量近9 0 0 阪w ，拥有世界上海拔最高的太阳能光伏电站，双湖北 措折乡1 5 k w 的光伏电站( 海拔5 6 0 0 m ) 。这些太阳能的利用大大地弥补了西藏常规能 源短缺的缺陷。在开发利用太阳能资源的同时，西藏自治区也投入力量进行风光互 补型独立运行电站的研究，并于“九五”期间由中科院电工所建成了西藏第一个风 光互补电站，那曲地区纳色乡( 现为扎仁镇) 4 k w 风光互补电站，在阿里建成了1 8 k w 风光互补电站，拥有世界上海拔最高的风光互补电站，那曲安多县岗尼乡1 6 k w 风 光互补电站( 海拔5 2 0 0 m ) 。 西藏自治区发改委制定的西藏自治区能源发展“十一五”规划提出：2 0 0 4 2 0 1 0 年全区g d p g 均增长1 4 ，2 0 1 0 2 0 2 0 年年均增长1 0 ：到2 0 1 0 年能源消费 量将达到3 0 0 万吨标准煤( t e e ) ，为2 0 0 4 年的1 5 倍，到2 0 2 0 年能源消费量将达6 3 0 万t c 蟹，为2 0 1 0 年的2 1 倍，能源需求量巨大。 由于西藏常规性能源奇缺，矿物燃料能源资源如石油、天然气和煤炭等较少， 缺油少煤，而且开发困难。水力资源虽然丰富，但已开发利用的不多。生态环境又 十分脆弱，在这种特殊的地理环境下，如果以化石能源开发利用作为西藏能源工业 建设的基本方针，不但行不通，也是极不现实的。将大力开发利用可再生能源作为 西藏今后能源建设的基本方针不但符合西藏能源资源的实际，而且是实现经济社会 可待续发展，全面建设小康社会的最佳选择，同时也是保护生态环境、贯彻科学发 展观、建设和谐社会的必由之路。 目前，由于技术条件的限制，风能、太阳能资源在西藏地区还不能成为工业用 能的主要来源，地热能基本上还处在探索和初步发展阶段。同时西藏能源地区分布 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 非常不均匀，见表1 2 ，加上西藏地广人稀和高山大川特殊的自然条件，导致西藏 能源资源开发条件较内地差，建设任务艰巨，使西藏能源基础设施建设的难度要大 于全国任何其它省区。 表1 2 西藏能源资源评价 t a b l e l 2 e n e r g y n o u “m a p p l a i 站o f t i b e t 注：资料来源于西藏自治区农村能源建设规划( 草案) 2 0 0 3 2 0 1 0 年。 1 。4 论文的主要工作 1 ) 建立了一种风光氢联合式独立发电系统的结构，分析了联合式独立发电系统 的特点、运行方式，对独立发电系统的输配电、主电气接线、保护装置等问题进行 初步讨论，对保证该独立发电系统供电质量的控制方式进行了研究： 2 ) 建立了风机、光伏阵列、燃料电池、超级电容器等系统单元的数学模型，并 建立了相应的s i m u l i n k 仿真模块； 3 ) 研究了环境因素对风力发电系统的影响，提出了改进方案，并以西藏地区普 通乡村的应用为背景，对提出的混合发电系统的基本参数进行了分析计算； 4 ) 建立了风光氢混合发电系统仿真模型，对该发电系统的联合运行特性进行了 仿真研究，验证了系统的可靠性。 7 重庆大学硕士学位论文2 风光氢联合式独立发电系统结构及选型 2 风光氢联合式独立发电系统结构及选型 2 1 联合式独立发电系统的结构 为满足离网边远偏僻地区的供电需要，充分利用这些地区的可再生能源优势， 提高供电可靠性、稳定性及效率等，提出一套风光氢联合式独立发电系统，设想结 构如图2 1 图2 1 混合发电系统结构图 f i g u r e 2 1t h e c o n f i g u r a t i o n o f h y b r i ds y s t e m 作为一个相对完整的独立的电力系统，风光氢联合式独立发电系统同样具备发 电、输配电和用电负载三个部分，同时，这一系统又有区别于常规电力系统的构成。 本文设计的独立供电系统主要组成单元有：发电设备( 包括风力发电机组、太 阳能光伏阵列、质子交换模燃料电池) ，储能设备( 电解池、氢储存罐) ，功率变换 器( a c d c 变换器，d c a c 逆变器等) ，以及控制器等部件。 2 2 发电设备选型设计 2 2 1 风力发电系统 风力发电机的选择与当地的风能资源密切相关，风能资源以年有效风能量密度 衡量。在采用多种能源供电的情况下，对风能资源丰富区，系统的总功率应主要分 配到风力发电机上，对于风能资源较丰富区，系统的总功率应根据其他可再生能源 资源( 如太阳能) 状况为风力发电机分配合适的功率1 1 8 - 2 2 j 。 充分考虑从风力发电机组输出端到用户端电能传输、变换及利用的效率。风力 重庆大学硕士学位论文2 风光氢联合式独立发电系统结构及选型 发电机组输出端提供的最小保证电量可由式3 1 计算。 e 。= e o k d | q q 1 、 式中e 风力发电机组年最小保证发电量，k w h ；毛负荷耗电量，k w - h ： 置。用户提出的风电供电百分比；r - - l g 能传输效率，0 6 0 9 。 在初选风力发电机组容量时，通常应假设一个设备年利用系数墨，对于1 0 0 k w 级风力发电机组来说，五值随当地风况在0 2 1 0 3 0 之间变化。 风力发电机组初选容量由式3 2 计算。 b = 点0 ( 8 7 6 0 k 。) ( 2 2 ) 此外，风力发电机的选择还要考虑其运行可靠性、安装维护的方便性、启动风 速等因素，风力发电机最好应具有自动调速、超速自动保护等功率，以提高整个系 统可靠性和安全性。 2 2 2 光伏发电系统 光伏发电系统容量的确定要以系统所在地区的地理环境、太阳总辐射量等因素 为依据，光伏发电系统的装机容量由下式决定 2 3 1 ； w 2 丝 0 2 7 7 8 q 。，砌 ( 2 3 ) h 一用户用电量( k w h ) ；w 一电站装机容量计算值( k w p ) ；q 广太阳 能年总辐射量( m m 2 ) ；r 方阵表面接收到的太阳能年总辐射量与水平面年总 辐射量比值( 取1 1 5 ) ；o 2 7 7 8 年总辐射量换算为相当与标准光强( 1 0 0 0 w m 2 ) 下的日照小时数( h m 2 m j ) ；p 用户提出的光伏阵列供电百分比。 t l 系统总效率。，7 = 0 - a o x ( 1 一u 2 ) x ( 1 一) ( 1 一吼) r o 系统总效率主要可从三方面考虑：光伏阵列安装匹配损失，主要包括有光伏 方阵表面灰尘遮蔽及玻璃盖板老化损失因子儡( 取0 0 4 ) 、光伏方阵组合损失因子 a 2 ( 取0 0 3 ) 、工作点偏离峰值功率点损失因子( 取0 0 3 ) ；设备效率，主要 为逆变器效率( 取0 9 5 ) ：线路损失因子吼( 取0 0 2 ) 。 2 2 3 储能系统 对于独立运行的风力发电和光伏发电系统，系统供电受季节与气象条件的影响 是其固有的弊端。通过储能单元来调整发电系统的发电与供电之间的时间差，是减 少自然条件影响，保证连续稳定供电的主要手段。因此，研制高密度、低成本、长 寿命、无污染的储能系统，减少发电系统对自然条件的依赖性，提高发电系统的供 电稳定性，是深入普及可再生能源发电技术的重大课题。到目前为止，人们已经探 索和开发了多种形式的储能方式，主要可分为化学储能、物理储能和超导储能，如 图2 2 ，图2 3 为各种储能技术的主要应用领域，分为电源质量调节和不间断电源 ( p o w e rq u a l i t y & u p s ) 、备用电源( b r i d g i n gp o w e r ) 、能源管理( e n e r g y m a n a g e m e a t ) 9 重庆大学硕士学位论文2 风光氢联合式独立发电系统结构及选型 三个层7 欠【弘2 6 】。 盒鲍电地 蚴 铺昔e 啪 触电油 撒嚏 盐s a a i 啸簟一予i 眦， 图2 2 目前存在的主要储能方式 h g u r e 2 2m o s t l ye a e r g ys j o i d g t $ m o d e 越p r e s e n t i i 淤ll 掣渊l 图2 3 各种储能技术的主要应用领域 f i g u r e 2 3e v e r ye n e r g ya o r a g yt e c l m o l o g i e sm o s t l ya p p l i a