智能电网技术 课件 第四章 智能电网与清洁能源发电

智能电网技术“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第四章智能电网与清洁能源发电风力发电及入网控制技术太阳能发电及入网控制技术其他清洁能源发电分布式发电技术第一节风力发电及入网控制技术一、现代风力发电设备风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的设备。风力发电的原理是利用风能带动风车叶片旋转，将风能转化为机械能，再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。风力发电机组主要包含两大部分：一部分是风力机，将风能转换为机械能；另一部分是发电机，将机械能转换为电能。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.水平轴风力发电机组的主要结构一、现代风力发电设备

风力发电机组分类

1.根据风力机类型不同

按风机旋转主轴的方向：水平轴式风机和垂直轴式风机

按桨叶接受风能功率调节方式：定桨距机组和变桨距机组

按叶轮转速是否恒定:恒速型机组和变速型机组

按功率传递的机械连接方式:有齿轮箱风力机和无齿轮箱风力机

2.根据发电机类型不同

异步发电机型：鼠笼型异步发电机和双馈异步发电机

同步发电机型：电励磁同步发电机和永磁同步发电机“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术二、风力发电控制技术1.定桨距失速风力发电技术特点:桨距角在安装时已经固定，发电机转速由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制。当风速高于额定转速时，桨叶能够通过失速调节方式自动地将功率限制在额定值附近，其主要依赖于叶片独特的翼型结构。2.变桨距风力发电技术特点：当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使输出功率保持稳定，采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术

二、风力发电控制技术 3.主动失速/混合失速风力发电技术

特点：低风速时采用变桨距调节可达到最高的气动效率，当达到额定功率后，风机安装变桨距调节时调节桨距的相反方向改变桨距。

4.变速风力发电技术

特点：变速运行时风机叶轮跟随风速变化改变其选择速度，保持基本恒定的最佳叶尖速比、风能利用系数最大的运行方式。变速风力发电机技术具有低风速时能够根据风速变化在运行中保持最佳叶尖速比获得最大风能，高风速时利用风轮转速变化储存的部分能量以提高传动系统的柔性和使输出功率更加平稳，进行动态功率和转矩脉动补偿等优越性。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术三、风力发电机组并网技术（一）基于普通异步发电机的恒速风电机组并网控制

异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调节精确度要求不高，但也存在一些问题。如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降；本身不发无功功率，需要无功补偿等。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术基于普通异步发电机的恒速风电机组三、风力发电机组并网技术

1.直接并网方式

这种并网方式要求并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速的90%~100%时，即可完成自动并网。只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下。

2.准同期并网方式

在转速接近同步转速时，先用电容励磁建立额定电压，然后对励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。

该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流小，但必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成飞车。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术三、风力发电机组并网技术

3.降压并网方式

降压并网是在异步发电机和电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，以便降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。

这种并网方式要增加大功率的电阻或电抗器组件，其投资随着机组容量的增大而增大，经济性较差。

4.晶闸管软并网方式

这种并网方式是在异步发电机的定子与电网之间每箱串入一只双向晶闸管连接起来，实现对发电机输入电压的调节。

特点是通过控制晶闸管的导通角来连续调节加在负荷上的电压波形，进而改变负荷电压的有效值。三、风力发电机组并网技术

（二）基于双馈感应发电机的变速风电机组并网控制

整个并网过程由双馈异步电机和变频器组成的系统采用脉宽调制技术控制。风机启动以后，当发电机转速接近同步转速时，转子回路中的变流器通过转子电流的控制，实现电压匹配、同步和相位的控制，以便迅速地并入电网，并网时基本无电流冲击。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术双馈异步发电机与电网并联“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术三、风力发电机组并网技术

现有的双馈式异步发电机发出的电能经变压器升压后直接与电网并联，在转速控制系统中采用了电力电子装置，会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率。因此必须进行无功补偿，提高功率因数，通常都是在风电场母线集中处安装电容器组。但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约，无法实现最佳补偿状态。目前，一种基于电力电子逆变技术的无功补偿装置——静止同步补偿器——很有可能将取代传统的电容器补偿方式。

三、风力发电机组并网技术（三）基于直驱型永磁同步发电机的变速风电机组并网控制

在传统的变速恒频风力发电体系中，机械系统结构通常包含三个主要部分：即风力机、增速箱和发电机。在新型的变速恒频风力发电体系中，采用永磁同步发电机直接连接风力机，取消之间的增速箱，成为无增速箱的直接驱动型。即运行时风机转速等于发电机转速。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术基于同步发电机的变速风电机组三、风力发电机组并网技术

永磁同步风电系统中，在低于额定风速时，风轮转速根据最大风能获取曲线随风速变化而变化，最大限度的捕获风能，提高发电效率；在等于或高于额定风速时，由于发电机和变频器容量的限制，必须要控制桨距角以限制捕获的风能，使机组的输出功率在额定值附近运行。由于变频器的解耦控制，使得此种风电机组与电网完全解耦，在定子侧的变频器需要变换发电机所发出的全部功率，对于大容量的风电机组，其变频器的容量显著增加，与其所连接的发电机的容量相同。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术四、大规模风电并网面临的主要问题

（一）稳定性问题：由于受到风资源随机波动性和间歇性的影响，风电场输出功率会随机变化。（二）电压稳定性问题：主要分静态和动态两种电压稳定性问题。（三）频率稳定性问题：受风速波动影响，风电机组有功输出也是可发生变化，在备用容量不足的孤立电网中，问题月明显。（四）低电压穿越问题：指风电机组在PCC电压跌落时保持并网状态，并向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压，从而穿越低电压区域的能力。PCC的电压跌落会使风电机组产生一些列过电压、过电流问题，危及风电机组安全。（五）电能质量问题：风速的随机变化以及风电机组本身固有的塔影效应、风剪切、偏航误差等均会导致PCC的电压波动，进而引起闪变等电能质量问题。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第一节风力发电及入网控制技术第二节太阳能发电及入网控制技术一、太阳能电池的原理与分类（一）原理：太阳辐射的光子带有能量，当光子照射半导体材料时光能转换为电能---“光伏效应”。光伏发电系统一般由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池、逆变器等组成；

发电时，太阳能利用光伏效应将太阳能电池板上的光子转换为直流电，供直流负荷使用或蓄电池组进行储存。

当负荷为直流负荷----直接供负荷使用；

当负荷为交流负荷----利用逆变器转化为交流电送用户或电网。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第二节太阳能发电及入网控制技术（二）分类（1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅，多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.(a)单晶硅太阳能电池(b)多晶硅薄膜太阳能电池(c)非晶硅薄膜太阳能电池第二节太阳能发电及入网控制技术（二）分类（2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。由于元素毒性及材料的来源稀有等问题，这类电池的发展又必然受到限制。（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅开始，还有待于进一步研究探索。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第二节太阳能发电及入网控制技术（二）分类（4）纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。（5）染料敏化电池染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴，自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，最后回到色素。此类电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第二节太阳能发电及入网控制技术（二）分类（6）塑料电池塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但目前塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，此技术将走向成熟并大规模投入使用。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第二节太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电（一）离网型光伏发电系统

离网型光伏发电系统是指不与电力系统相连接，主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，又称独立光伏发电系统。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.

离网型光伏发电系统结构第二节太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电（二）并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统是指与电力系统相连接的光伏发电系统，逐渐成为光伏发电系统的主流发展趋势。在并网型光伏发电系统中，太阳能电池所发出的直流电通过逆变器转换成交流电，并与电网并联向负载供电。

并网型光伏发电系统可分为集中式并网光伏发电系统和住宅用并网光伏发电系统。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.并网型光伏发电系统结构第二节太阳能发电及入网控制技术二、并网发电和离网发电（二）并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统可分为集中式并网光伏发电系统和住宅用并网光伏发电系统。

集中式并网光伏发电系统的特点是光伏发电系统所产生的电能被直接输送到电网上，由电网统一把电能分配到各个用电负荷。

住宅用并网光伏发电系统的主要特点是所发出的电能直接用来供给住宅（用户）的负载，多余或不足的电能通过电网来调节。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第二节太阳能发电及入网控制技术三、光伏发电并网控制技术“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.两级式光伏并网逆变系统结构第二节太阳能发电及入网控制技术三、光伏发电并网控制技术“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.三种类型的光伏逆变系统第二节太阳能发电及入网控制技术四、最大功率点跟踪控制的方案目地：为了让太阳能电池在任何温度和太阳光辐照强度下始终工作在最大功率点，能够输出尽可能多的电能，而对其进行“最大功率点跟踪”，即MPPT。

方式：在太阳能电池方阵和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变其中功率开关的导通率，来调整、控制太阳能电池方阵的最大功率点，从而获得最大输出功率。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.光伏发电系统最大跟踪方式示意图第二节太阳能发电及入网控制技术四、最大功率点跟踪控制的方案商用光伏逆变器普遍使用的MPPT算法是扰动观察法；

优点---简单容易实现

缺点---不断扰动导致运行点在MPP附近震荡，降低了MPPT的效率其他常见的MPPT算法还有恒定电压发、参考电池法、电导增量法、最优梯度法。

“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第三节其他清洁能源发电一、潮汐发电（一）原理：潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.潮汐发电的原理图

第三节其他清洁能源发电一、潮汐发电（二）类型

1.单库单向潮汐电站

在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，将海湾与外海分隔，形成水库。在涨潮时开启闸门将潮水充满水库，当落潮外海潮位下降时，产生一定落差，利用该落差推动水轮发电机组发电。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.单库单向潮汐电站的布置这种电站只建造一个水库，而且只在落潮时发电.第三节其他清洁能源发电一、潮汐发电

2.单库双向潮汐电站

在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，采用双向发电的水轮发电机组使涨落潮两向均能发电。宜在大中型电站中采用。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.单库双向潮汐电站的布置第三节其他清洁能源发电一、潮汐发电

3.双库连续发电潮汐电站

在海湾或河口处建造相邻的两个水库，各与外海用一个水闸相通，一个水库（上水库）在涨潮时进水；一个水库（下水库）在退潮时泄水，在两个水库之间有中间堤坝并设置发电厂房相连通，在潮汐涨落中，控制进水闸和出水闸，是上水库与下水库间始终保持一定落差，从而连续不断发电。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.双库连续发电潮汐电站的布置第三节其他清洁能源发电二、地热发电（一）原理：热能机械能电能要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.（二）分类

按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。第三节其他清洁能源发电二、地热发电蒸汽型地热发电

1.背压式汽轮机发电系统----主要由净化分离器和汽轮机组成，其工作原理为：把干蒸汽从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空（或送热用户）。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.背压式汽轮机发电系统示意图第三节其他清洁能源发电二、地热发电蒸汽型地热发电

2.凝汽式汽轮机发电系统----提高了地热电站的机组输出功率和发电效率。在该系统中，做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器，被循环水泵打入的冷却水冷却后凝结成水，然后排出。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.凝气式汽轮机发电系统示意图第三节其他清洁能源发电二、地热发电热水型地热发电

1.闪蒸地热发电系统----也称为“减压扩容法”，就是把低温地热水引入密封容器中，通过抽气降低容器内的气压（减压），使地热水在较低的温度下沸腾生产蒸汽，体积膨胀的蒸汽做功（扩容），推动汽轮发电机组发电。

优点---设备简单，易于制造，可采用混合式热交换器

缺点---设备尺寸大，容易腐蚀结垢，热效率较低“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第三节其他清洁能源发电二、地热发电热水型地热发电

2.双循环地热发电系统----通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质，使之变为蒸汽，然后以此蒸汽去推动汽轮机，并带动发电机发电。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.双循环地热发电系统示意图优点---利用低温位热能的热效率较高，设备紧凑，汽轮机的尺寸小，易于适应化学成分比较复杂的地下热水。缺点---不便使用混合式蒸发器和冷凝器；需有相当大的金属换热面积；低沸点工质价格较高，来源有限，有些低沸点工质还有易燃、易爆、有毒、不稳定、对金属有腐蚀等特性。第三节其他清洁能源发电二、地热发电（二）地热发电的技术难题回灌技术---要求复杂，且成本高，至今未能大范围推广使用防止腐蚀---地热流体中含有许多化学物质，对各金属表面都会产生不同程度的影响，直接影响设备的使用寿命防止管道结垢---由于地热水资源中矿物质含量比较高，导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第三节其他清洁能源发电三、生物质能发电（一）直接燃烧发电生物质直接燃烧发电，就是直接将经过处理的生物质为燃料，用生物质燃烧所释放的热能产生蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮机进行发电。生物质直接燃烧发电是一种最简单也是最直接的方法“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.第三节其他清洁能源发电三、生物质能发电（二）沼气发电沼气发电是以沼气作为往复式发动机和汽轮机的主要燃料来源，以发动机的动力来驱动发电机发电的过程，是沼气能量利用的一种有效方式。“十二五”职业教育国家规划教材《智能电网基本知识》中国电力出版社.蒙牛生物质能沼气发电厂第三节其他清洁能源发电三、生物质能发电（三）垃圾发电对燃烧值较高的进行高温焚烧，将产生的热能转化为高温蒸汽，推动涡轮机转动，使发电机产生电能对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生沼气，再将沼气燃烧，产生热量用于发电（四）生物质燃气发电---将生物质先转换为可燃气体，在利用