郭家虎学术报告-未来的电力能源系统PPT课件.ppt

安徽理工大学电气与信息工程学院 未来的电力能源系统 郭家虎 1 能源的四次革命 煤炭 18世纪石油 19世纪核能 20世纪可再生能源 21世纪 2 3 世界上的可再生能源基于智能电网的电力系统框架具有挑战的领域控制技术的挑战可再生能源中的技术问题其它技术 4 世界上的可再生能源 水力发电2007年 水电占有全部能源的16 2010年 我国水电总装机容量突破2亿千瓦大关光伏发电光伏发电以每年30 的速度增长 预计2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1 风力发电 2009年 风能已经占世界能源的1 2011年风力发电预计可达200GW潮汐发电生物质能发电低温余热发电小水电 小于10MW 小水电发展中国家具有非常重要的潜力 5 世界上的可再生能源 拉丁美洲 具有最高的可再生能源比例 达到全部电力的58 其中主要是水力发电 欧盟 2010年目标是在2020年可再生能源达到全部能源的20 世界领先的德国计划到2050年100 使用可再生能源 美国 即要将可再生能源的比例提高到20 中国 2010年可再生能源达到总装机容量的10 6 世界上的可再生能源 光伏发电 发展状况 光伏发电在发达国家的发展非常快 德国和西班牙装机容量最大 其中德国占整个欧洲安装容量的85 超过了1500MW 目前世界上正在规划建设的大型光伏发电站有西班牙Olmedella的60MW 德国Waldpolenz的40MW 韩国的Sinan Gu的25MW 美国Nellis空军基地的14 2MW 发展方向 更高效率的电力变换装置最大功率跟踪算法太阳能面板和电力变换器集成更先进的孤岛检测算法 7 世界上的可再生能源 风力发电 发展状况 德国和西班牙是世界整个风电利用的领先者 2007年的装机容量分别为20622MW和11615MW 预计 到2020年 整个欧洲的装机容量将占所有电力供应的16 美国风力发电的应用在2008年为20000MW 据估计美国的风力发电将以每年107770亿千瓦增长 三倍于当前全国的电力供应 发展方向 单台风机容量的提升小型风机系统的增加仿效传统的油 气发电的电网行为的风电场的建设 基于模块化结构和大功率电力变换装置高可靠性的控制策略 专业的风电人才的培养 8 基于智能电网的未来电力系统结构 9 基于智能电网的未来电力系统结构 可再生能源不能代替原有的电力能源包含多种发电形式由电力能量流和信息流两个同心圆组成电力能量流的管理依赖于电力变换器 PEBBs 信息流的管理依赖于现代通信技术 10 基于智能电网的未来电力系统结构 电力电子 处理能量流 电力变换技术能够使得智能电网中的不同角色之间有一种柔性的相互作用 如电力生产者与消费者 电能储存装置 以及负荷之间 电网的三种运行模式单独运行模式微电网运行模式集群运行模式 11 基于智能电网的未来电力系统结构 电网中的几种角色电能生产者主要由可再生能源组成 数量巨大电能消费者需要规范自己的用电方式 以有利于电网的稳定 或者提供间接储能 储能系统在具有高穿透率的可再生能源电网的运行中具有至关重要的作用输电系统柔性输电方式 12 基于智能电网的未来电力系统结构 FEBBs PowerElectronicBuildingBlocks 可再生能源的高穿透率需要能量转换系统并且要他们协调运行PEBBs具有能量双向流动的能力 满足大功率电力密度 高可靠性和柔性运行的要求 MEBBs MechanicalBuildingBlocks 机械传输最优化 连续变量传输MEBBs和PEBBs机电一体的控制算法 13 基于智能电网的未来电力系统结构 通信系统 传统电网只有几个很少的电力生产点 而且电力消费是无序的 电网的相关参数可以通过集中监控来实现 而智能电网的情况是完全不同的 数量巨大的分布式电力生产 生产和消费的能源匹配 对更好的能源匹配的要求提供负载尖峰电流 都需要电力生产者和消费者之间进行协调 而这种协调在分布式控制系统中是无法完成的 在智能电网中 信息扮演着十分重要的角色 通信系统是连接所有分布式电力系统的关键部分 可以完成各部分的信息交换 使电网变成名符其实的智能 14 基于智能电网的未来电力系统结构 15 基于智能电网的未来电力系统结构 智能电网中的三种形式SCADA主动分布式电网智能测量 16 基于智能电网的未来电力系统结构 高压系统的通信方式自有网络 光纤连接 中低压系统的通信方式公共电话网无线网络 地面集群无线电电力载波通信 17 可再生能源的接入规模挑战 传统的发电形式规模巨大美国阿拉巴马州的JosephM Farley核电站 装机容量超过1700MW 中国的三峡水电站 装机容量达700MW 拥有32个发机机组 可再生能源发电规模较小目前最大的商用风电机组也只有6MW 最常用的机组只有2MW 能量场 成百上千的机组被安装在一起 通常占有很大的土地面积 从而使得他们的能量聚集在一起 以达到足够大的要求 美国得克萨斯州的HorseHellow风电场是目前世界上最大风电场 其装机容量达成协735MW 有GE制造的420台风电机组组成 占地面积为19000公顷 风电场建立了自己独立的电网 无论是在传输范围还是在动态特性上都不同于传统的电网 18 可再生能源的接入规模挑战 电网接入将成百上千的可再生能源发电厂接入到电网中 给电网带来了许多问题 如果这些可再生能源发电都是不可控的 电网将会变得十分不稳定 从而导致崩溃 将可再生能源发电接入到电网是一个巨大的挑战 解决方法 高性能的电力变换器 19 可再生能源的接入规模挑战 1 最大功率传输和功率限制控制发电端 控制负荷特性 以求获得最大能量 在特殊情况下 如电网故障 电气和机械控制系统联合进行功率的限制 2 有功功率 无功功率以及电能质量控制电网端 控制注入的有功功率 包括频率控制 谐波控制 电磁干扰控制 漏电流控制 电网故障时的控制 20 可再生能源的接入规模挑战 控制器结构 双闭环反馈控制 内环为电流环 控制注入电网的电流 同时控制电能质量 外环为电压反馈控制环 控制功率的流向 通过控制有功功率和无功功率来控制功率流向 以及接入点的电压和频率 21 可再生能源的接入规模挑战 同步 锁相环技术电压过零点检测非线性变换的联合滤波方法 电能质量 可再生能源的功率的瞬时接入和切除谐振闪变电网故障 22 可再生能源的接入规模挑战 微电网各种可再生能源结合在一起 组成一个独立的电网微电网中的课题 负荷分配功率因数控制电能质量管理 23 可再生能源的接入规模挑战 微电网各种可再生能源结合在一起 组成一个独立的电网微电网中的课题 负荷分配功率因数控制电能质量管理分离控制集中控制 24 控制上的挑战 PV和WT的控制系统 25 控制上的挑战 最大功率跟踪 光伏发电光伏电池板的电流 电压特性是光照和温度的函数 最常用的两种最大跟踪方法有扰动观察法和电导增量法 其本质是相同的 只是在实现方法上不同 其主要原理是根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压 26 控制上的挑战 最大功率跟踪 风力发电转矩和转速刚是风速和温度的函数 通常采用风速计 利用查表法来得到转矩 从而控制转矩 其它还有爬山法等等 27 控制上的挑战 电机与电网的解耦控制 电机直接与电网相连电气控制系统调整风机的变化风速并保持系统发出固定频率的电和电网相连 电机通过电力变换器与电网相连将发电机发出的交流电整流后 送到直流母线 然后再转换成交流电连接到电网 28 控制上的挑战 混合电力能源系统控制 29 控制上的挑战 动态稳定性和电能质量 辅助设施 30 可再生能源发电技术 电力电子 电力变换器是可再生能源发电必须应用的 光伏发电电气控制系统调整风机的变化风速并保持系统发出固定频率的电和电网相连 三种连接形式 31 可再生能源发电技术 新型电力变换器的使用 无变压器的电力变换器基于新器件 如SIC 的变换器多电平逆变器A 较好的电能质量B 更低的噪声C 更低的漏电流 32 可再生能源发电技术 风力发电 输电系统 33 可再生能源发电技术 电机 定子绕组直接接到电网上 而其转子连接上可变电阻 加补偿电容 34 可再生能源发电技术 电机 双馈感应发电机 DFIG 35 可再生能源发电技术 电机 鼠笼式感应发电机 36 可再生能源发电技术 电机 永磁同步发电机 37 可再生能源发电技术 储能系统 电池飞轮超级电容压缩空气 即使可再生能源接入到电网中 可再生能源发电仍然需要和其他能源与结合来提高其鲁棒性以应对其本质上的间歇性 38 其他可再生能源发电 光热发电 先将光能转换成热能 再驱动发动机进行发电 39 其他可再生能源发电 海浪和潮汐发电 美国电力研究院2005年的报告称 海浪发电是具有最高环境友好性的能量转换方式 同时预言了能量收集的方法 美国可利用的海洋波浪能源可达每年2100TWh 几乎十倍于整个国家2003年水力发电总量 高价值的海浪能源还存在于北欧的东海岸 智利南海岸 澳大利亚和阿拉斯加的西南海岸 生物质能发电 40 相比于传