分布式发电与微电网技术1

1 11.1分布式发电 11.1.1分布式发电的概念 1.1.2分布式发电技术 21.1.3分布式发电并网技术 31.1.4分布式发电的研究与发展 41.2微电网 51.2.1微电网的概念 51.2.2微电网技术 61.2.3微电网的研究与发展 7 12.1概述 12.2太阳能光伏发电 2.2.1光伏发电基本原理 2.2.2光伏电池数学模型 2.2.3光伏发电功率特性 2.2.4光伏发电运行失配现象及机理 2.3风力发电 212.3.1风力发电基本原理 2.3.2风力发电机分类 22.3.3感应发电机型风电机组 2.3.4双馈恒频型风电机组 252.3.5直驱型风电机组 302.4燃料电池发电 2分布式发电与微电网技术2.4.1燃料电池发电基本原理 2.4.2PEMFC数学模型 2.4.3PEMFC运行特性 402.5微型燃气轮机发电 2.5.1微型燃气轮机发电系统 2.5.2微型燃气轮机动态数学模型 42.5.3微型燃气轮机运行特性 452.5.4不同结构MT运行特点比较 46 483.1概述 483.2光伏发电并网及控制 3.2.1并网系统描述 3.2.2并网方式 3.2.3并网控制策略 3.3风力发电并网及控制 3.3.1并网方式 3.3.2控制系统 3.4燃料电池发电并网及控制 3.4.1并网系统结构 3.4.2并网控制策略 3.5微型燃气轮机发电并网及控制 3.5.1并网系统结构 3.5.3控制方式 第4章含分布式发电的配电网潮流计算 4.2传统配电网数学模型 4.3传统配电网潮流计算方法 4.3.1牛顿类潮流计算方法 4.3.2母线类潮流计算方法 4.3.3支路类潮流计算方法 4.3.43类潮流算法的比较 4.4分布式电源在潮流计算中的节点处理方法 4.5含分布式发电的配电网潮流计算方法 4.6算例分析 83目录第5章分布式电源在配电网中的优化配置 5.1概述 5.2分布式电源的选址和定容 5.2.1目标函数 5.2.2约束条件 955.3基于图示的优化配置方法 5.3.1功率分布 5.3.2馈线电压分布 5.3.3目标函数与约束条件 95.4基于“功率圆”的优化配置方法 5.4.1假设条件与目标函数 5.4.3DG最佳接入位置 5.4.4算例分析 第二部分微电网 6.1概述 6.1.1微电网产生的背景 6.1.2微电网的定义 6.1.3微电网的典型结构 6.1.4微电网的特点 6.1.5储能技术 6.2国内外发展现状 6.2.1国外微电网的发展现状 6.2.2国内微电网的发展形势 7.1微源接口类型 7.2微电网基本控制策略 7.2.1微电网控制的特殊性 7.2.2主从控制法 7.2.3对等控制法 7.3典型主从控制法介绍 7.3.1微电源控制器 分布式发电与微电网技术4 8.1孤岛效应 8.2孤岛检测的基本问题 8.2.1注意事项 8.2.2检测标准 8.2.3测试电路 8.2.4基本原理 8.2.5检测盲区 8.3孤岛检测方法 8.3.1基于通信的孤岛检测方法 8.3.2基于同步发电机的本地孤岛检测方法 8.3.3基于逆变器的本地孤岛检测方法 8.3.4各种孤岛检测方法的比较 9.1微电网参与市场 9.2竞价流程 9.3MCP规则 9.4.1单边竞价市场 9.4.2双边竞价市场 9.5案例分析 9.5.1需求恒定时的线性供给竞价 9.5.2需求线性变化时的线性供给竞价 9.6对电力市场的影响 1547技术标准主要内容(中英文对照) 附录2其他分布式发电相关技术标准 参考文献 从分布式发电到微电网近年来，以电力为中心的新一轮能源革命的序幕已经拉开，其目的是实现以智能电网为核心的低碳能源。在此背景下，电网的形态和功能定位正在发生深刻的变化，电网的发展面临着前所未有的机遇与挑战：能源与环境问题、安全可靠与经济高效问题、电网开放与优质服务问题、技术创新与高效管理问题等。面对新形势、新挑战，必须大力开发低碳技术、推广高效节能技术、积极发展新能源和可再生能源，从而加强智能电网建设。可再生能源与电网的有机结合是智能电网的重要标志之一，利用可再生能源发电的形式可以是分布式发电的形式，也可以是集中式发电的形式。集中式发电(如大规模风电场、大型光伏电站等)通常并入高压输电网，进行统一调度；分布式发电通常接入低压配电网(380V或10KV配电网，一般低于66kV电压等级)。由于分布式发电技术具有投资小、清洁环保、随着分布式电源渗透率的提高，分布式电源对配电网的一些不利影响也逐渐显现出来。为了最大限度地发掘分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势，同时协调配电网与分布式电源之间的矛盾，有学者提出了三级电网的概念，即输电网、配电网和微电网，将密切相关的分布式电源、负荷、储能装置及控制装置结合起来作为一个微电网。通俗地讲，微可以对大电网提供有力补充和有效支撑，是未来电力系统的重要发展趋势之一。总而言之，分布式发电是解决未来能源短缺的必经之路，而微电网作为“网中网”的形式是解决分布式发电无缝接入大电网的发展趋势。目前，对“分布式发电”这一新的发电形式的正式称谓还不统一。在英属国家，习惯叫式发电”的定义也尚未得到统一。一般认为：分布式发电(DistributedGeneration,DG)指的是为满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在2用户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到50MW的小型、与环境兼容的发电系统。现在新出现的很多分布式发电大部分采用的是天然气、沼气、太阳能、生物质能、风能(小风电)或者水能(小水电),通常采用热电联产或者热冷电联产的方式。1.1.2分布式发电技术光伏发电技术是一种将太阳辐射能通过光伏效应、经光伏电池直接转换为电能的发电技术，它向负荷直接提供直流电或经逆变器将直流电转换为交流电。光伏发电系统的建设成本至今仍然很高，发电效率也有待提高。目前商业化单晶硅和多晶硅的电池效率为13%~17%,影响光伏发电技术的大规模应用。但由于光伏发电是在白天发电，与负荷的最大电力需2.风力发电技术风力发电技术是一种将风能通过风力发电机转换为电能的发电技术。我国自20世纪50年代开始发展风力发电，最初是用于农村和牧区的家庭自用小风力发电机，之后在新疆、内蒙古、吉林、辽宁等地建立了一些容量在10kW以下的小型风电场，还在西藏、青海等地建立了一些由小型风力发电、光伏发电和柴油机发电共同构成的联合发电系统。在国外，也有在城市郊区建设少量(几台)大单机容量(1MW以上)的风力发电机组，并入低压配电网。这些靠近负荷的小型风电场属于分布式发电的范畴。3.燃料电池发电技术燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效地将反应物的化学能转换为电能，燃料电池尽管国外已有各种类型和容量的商品化燃料电池可供选择，但目前在国内基本上处于实验阶段，尚无大规模的国产化、商业化产品可用。燃料电池发电技术在电动汽车等领域中广泛应用，这种静止型发电技术的发电效率与容量大小几乎无关，因此在小规模分布式发电的应用中有一定的优势，是一种很有前途的发电技术。燃气轮机/内燃机/微型燃气轮机发电技术是以天然气、煤层气或沼气等为常用燃料，以燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机为发电动力。燃气轮机由压缩机、燃烧室和涡轮发电机组组成，燃气轮机技术已经十分成熟，其性能也在逐步改善。内燃机的工作原理是将燃料与压缩空气混合、点火燃烧，使其推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。目前，内燃机发电技术已广泛应用在燃气、电力、供水、制造、医院、教育以及通信等行业。微型燃气轮机是指发电功率在几百千瓦以内(通常为200kW以下),以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的小功率燃气轮机。微型燃气轮机可长时间工作，且仅需很少的维护量，可满足用户基本负荷的需求。另外，微型燃气轮机体积小、重量轻、结构简单、安装方便、发电效率3第1章从分布式发电到微电网高、燃料适应性强、燃料消耗率低、噪声低、振动小、环保性好、使用灵活、启动快、运行5.生物质能发电技术生物质能(Bio-Energy)是太阳能以化学能形式储存在生物质体内的一种能量形式，它以二氧化碳(CO₂)和土壤中的水(H₂O),最终合成碳水化合物(CH₂O),转化为化学能而固定6.储能技术分布式发电并网方式运行时，一般不需要储能系统，但在孤岛运行时，为保持小型供电系统的频率和电压稳定，储能系统往往是必不可少的。分布式发电的储能技术主要包括蓄电池储能、飞轮储能、超级电容储能、压缩空气储能和抽水蓄能等。分布式电源接入配电网时，除基本要求外，还需满足一些其他要求，主要包括对配电网事故情况下的响应要求、电能质量方面的要求、控制和保护方面的要求等。(1)与配电网并网时，可按系统能接受的恒定功率因数或恒定无功功率输出的方式运行。公共连接点(PointofCommonCoupling,PCC)处的电压调节不应由分布式电源承担，该点的电压调节应由电网企业来负责，除非与电网企业达成专门的协议。(2)采用同期或准同期装置与配电网并网时，不应造成电压过大的波动。(3)分布式电源的接地方案及相应的保护应与配电网原有的接地方式相协调。(4)容量达到一定大小(如几百千伏安至1MVA)的分布式电源，应将其连接处的有功功率、无功功率的输出量和连接状态等信息传送给配电网的控制调度中心。(5)分布式发电应配备继电器，以使其能够检测何时应与电力系统解列，并在条件允许时以孤岛方式运行。与分布式发电相关的电能质量问题主要应考虑以下几个方面。(1)供电的短暂中断。当分布式电源作为主供电源的备用电源时，主供电源向备用电源的转移往往不是一种无缝切换，所以可能仍存在极短时间的电力中断。(2)电压调节。分布式电源可以提高配电馈线的电压调节能力，而且调节的速度可能比调节变压器分接头或投切电容器快。但是电网企业一般不希望分布式电源参与公共连接点的电压调节，因为分布式电源的启停往往受用户控制，若要承担PCC处的电压调节任务，一旦分布式电源停运，该点处的电压调节就成问题。(3)谐波问题。采用晶闸管和线路换相逆变器并网的分布式电源会产生谐波问题，但随着绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)和电压源换相逆变器的增分布式发电与微电网技术4多，谐波问题得到大大缓解。(4)电压暂降。分布式发电是否有助于减轻电压暂降，取决于其类型、安装位置以及容量的大小。3.分布式电源的并网标准为了尽可能发挥分布式发电的优势，降低其并网带来的不利影响，同时也为保证分布式电源本身的正常运行，制定分布式发电的并网标准，使分布式电源按统一的并网标准并网发电显得尤为重要。为此，世界各国及标准化委员会纷纷制定相应的并网导则和规程。国际标准中获得最广泛认可的是《分布式电源与电力系统互连标准》IEEE1547—2003,于2003年由电气和电子工程师协会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)正式出版，并作为美国国家层面的标准。IEEE1547规定了10MVA及以下分布式电源的并网技术和测试要求，涉及所有有关分布式电源互连的主要问题，包括电能质量、系统可靠性、系统保护、通信、安全标准、计量等。美国除了IEEE标准外，许多州都有自己的互连准则，例如加州能源委员会规定了分布式电源与电网互连时，必须遵守加州电力法第21条的规定。IEEE1547包含7个子标准：IEEE1547.1规定了分布式电源接入电力系统的测试程序，于2005年7月颁布；IEEE1547.2是IEEE1547的应用指南，提供了有助于理解IEEE1547的技术背景和实施细则，于2008年颁布；IEEE1547.3是分布式电源接入电力系统的检测、信息交流与控制方面的规范，于2007年颁布，该标准促进了一个或多个分布式电源接入电网的规定了分布式电源独立运行系统设计、运行以及与电网连接的技术规范，该标准提供了分布式电源独立运行系统接入电网时的规范，包括与电网解列和重合闸的能力；IEEE1547.5规定了容量大于10MVA的分布式电源并网的技术规范，提供了设计、施工、调试、验收、测试运行、测试、安全以及维护方面的要求；IEEE1547.7是研究分布式电源接入对配电网影响的方法。IEEE1547.4～IEEE1547.7目前还是草案，尚未颁布实施。加拿大在2003年7月制定了微电源的发展临时准则，这一准则着重基于逆变器的微电源，额定电压在600V以下。目前加拿大有两个主要的互连标准，包括C22.2No.257《基于逆变在2003年9月完成了全国电力市场微电源连接指南的编制，该指南提供了微电源连接到电网的过程和要求。日本于2001年制定了《分布式电源系统并网技术导则》JEAG9701—2001。欧洲机电标准化委员会讨论出台了公共低压配电网连接微小发电机的草案。英国已制定了连接新一代配电网络的技术指南，其贸易和工业部提出了在英国分布式发电连接到地方配网的指南。新西兰在2005年完成了基于逆变器的微电源标准AS4777.1、AS4777.2和AS4777.3。1.1.4分布式发电的研究与发展5第1章从分布式发电到微电网随着分布式发电技术水平的不断提高，分布式发电的成本将会不断降低，应用范围也将不断扩大，可以覆盖到包括工业区、农业区、学校、楼宇等多种场所。目前，分布式发电在我国应用较少，但可以预计未来分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要补充，而且将在能源综合利用上占有十分重要的地位。从系统的观点看，微电网是将分布式发电、负荷、储能装置及控制装置结合，形成一个它采用了大量的现代电力电子技术，将微型电源和储能装置并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为一个可控单元，可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足特定的需求，如降低馈线损耗、增加本地可靠性、保持本地电压稳定、通过余热提高能量利用的效率等。微电网与配电网之间通过PCC进行交换，双方互为备用，从而提高了供电可靠性。在微电网中，为防止微电网与配电网解列时对微电网内负荷的冲击，微电网的配电结构需要重新设计。美国可靠性技术解决方案协会(CERTS)提出的微电网结构如图1.1所示，3条馈线呈辐射状结构，将可中断负荷接在同一条馈线上(如馈线C),重要负荷或敏感负荷接在另外的馈线上(如馈线A和馈线B),并安装分布式电源、储能装置及相应的控制、调节和保护设备。安装在每个微电网出口处的功率和电压控制器可在能量管理系统或本地控制下调整各自的输配及馈线潮流控制。外部配电网故障时，微电网解列，并通过隔离装置甩去一些可中断负荷，保证重要负荷或敏感负荷的正常运行；故障消失后，微电网重新并网运行。馈线B馈线C热负荷图1.1CERTS提出的微电网结构隔离装置分布式发电与微电网技术6微电网或与配电网并网运行，或孤岛运行。微电网的灵活运行方式使其不但可以避免分模拟、控制、保护、能量管理系统和能量存储技术等与常规分布式发电技术有较大不同，需专门研究。相对于电力系统而言，微电网类似于一个独立的控制单位，其中每一个微电源都具有简单的即插即拔功能。对每一个微电源，最关键的是它本身的接口、控制、保护以及对微电网的电压控制、潮流控制和维持其运行稳定性，其次是它的并网运行和孤岛运行方式的无缝切换控制。微电网的控制、保护、管理功能分别由微电源控制器、保护协调器、微电网管理系统来实现。1.微电网的控制技术微电网主要依靠微电源控制器来调节馈线潮流、母线电压以及与配电网的解列或并网运行。由于微电源具有即插即拔功能，其控制主要依赖于就地信号，且响应是毫秒级的。微电(1)P-Q控制。微电源大多通过逆变器并网，其有功功率和无功功率可以解耦控制。(2)电压控制。当微电网中接入大量分布式电源时，为防止微电源间出现大的无功环流，需要对各个微电源进行就地电压控制。根据微电源所发电流是容性的还是感性的来决定电压的整定值，发容性电流时电压整定值要低些，发感性电流时电压整定值要高些。(3)快速负荷跟踪和储能。由于微电网中发电机的惯性较小，有些微电源(如燃料电池)的响应时间常数又很长，因此当微电网与主网解列成孤岛运行时，必须提供储能设备，相当于增加了系统的惯性，使微电网维持正常运行。(4)频率调差控制。在微电网孤岛运行时，要采取频率调差控制，改变各个微电源承担负荷的比例，使其在调节中按一定的比例各自出力且都不超标。2.微电网的保护技术分布式发电以微电网的形式并入配电网，会对配电网中原有的继电保护产生影响，影响的因素主要有以下几点：①辐射状的配电网在并入微电网之后，保护装置上流经的电流可能由单向变为双向；②微电网孤岛运行时，短路容量会有较大变化；③分布式发电构成微电网运行的目的之一是尽可能地维持一些重要负荷在电网故障时能正常运行，这些重要负荷往往对电压敏感，即不允许电压变动过大、时间过长，为此必须采用一些快速动作的开关代替原有的动作相对慢的开关。微电网运行时，要根据对电压变化的敏感程度和控制标准来配置保护，而且微电网中保护装置的协调尤为重要。保护协调器既适用于主网的故障，也适用于微电网的故障。若故障就应将微电网重新并网运行。若故障发生在微电网中，该保护应使隔离的故障区尽可能小。由于微电网中的电源大多通过逆变器并网，短路电流较小，难以启动常规过电流保护装置，因此，保护装置和策略应相应修改。此外，微电网的接地系统必须仔细设计，以免微电网解列时继电保护误动作。还必须配置反孤岛保护装置，对于微电网内部的非计划孤岛运行，必须及时切除。第1章从分布式发电到微电网3.微电网管理系统能量管理系统(EnergyManagementSystem,EMS)是以计算机为基础的现代电力系统的量管理系统技术发展的配电管理系统(DistributionManagementSystem,DMS)主微电网管理系统是为整个微电网服务的，它的功能首先应针对微电网内的需求，如可靠性、优质性、经济性等，但长远来看，它还可以对配电网提供一些辅助服务。此外，由于微电网本身位于用户侧，这些用户可能是商业区、学校、工厂等，它们本来就有供热、通风、空调等过程控制系统，未来的MMS有可能成为这些系统以及当地发电、储能等的总调度系统。1.2.3微电网的研究与发展微电网作为大电网的有益补充，其应用潜力巨大。目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟和日本等，都开展了对微电网的研究。当前国内外关于微电网发展的前沿和热点问题主要是：①分布式电源和储能单元的综合建模与仿真：②分布式电源和储能单元美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性，其次是降低成本和提高智能化等方面。欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多关注于多个微电网的互连问题，保证欧洲电网的稳定性。欧洲所有的微电网计划都围绕着可靠性、可接入性和灵活性来考虑，电网的智能化、能量利用的多元化将是欧洲未来日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度高于其他国家，但很多新能源具有随机性，穿透功率极限限制了新能源的应用，所以日本在微电网方面的研究更强调控制与储能。中国微电网的发展尚处在起步阶段，在今后微电网的研究和发展中，以下几个方面的问题需要给予更多的关注：①微电源的响应时间；②微电源间的协调控制；③对微电网中电力电子设备的智能控制和最优控制；④微电网与主网之间的协调控制；⑤微电网在并网运行和孤岛运行下的稳定性分析；⑥微电网的谐波问题：⑦现有小发电机组并入微电网的可行性分析。自20世纪初以来，电力行业普遍把以“大机组、大电厂和大电网”为主要特征的集中式单一供电系统作为现代电力工业的发展方向。经过100多年的发展，这种集中式的单一供电系统已经具有相当大的规模，为世界经济的繁荣和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。然而，随着经济的发展和社会的进步，人类对电能的需求量越来越大，对供电质量和供电可靠性提出了越来越高的要求，这种形式的电力系统的不足也逐渐显现出来。从20世纪80年代末开始，世界电力工业出现了由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。近年来，以可再生能源利用为主的新型发电技术，主要是太阳能光伏发电和风力发电，还包括燃料电池发电、微型燃气轮机发电、生物质能发电、小水电等，凭借发电方式灵活、与环境兼容等优点得到了快速发展。第1章中提到，一般认为，分布式发电指的是为满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在用户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到50MW的小型、与环境兼容的发电系统。从更广泛的定义来看，分布式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施，包含热电联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等，而不论这种发电形式的规模大小和一次能源的使用类型。它与电网联合运行可以提高系统的经济性、安全性、可靠性和灵活性，并且满足了可持续发展的要求，大大减轻了环保的压力。降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。这一部分主要介绍典型分布式电源的运行特性、分布式电源与配电网的接口形式、含分布式发电的配电网潮流计算和分布式发电接入位置的优化。本书涉及的典型分布式电源主要包括太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池发电和微型燃气轮机发电4种形式。分布式发电是指将电力系统以小规模(发电功率在数千瓦至50MW的小型模块)、分散式方式布置在用户附近，可独立输出电能的系统。分布式电源的类型有很多，包括太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池发电和微型燃气轮机发电等。分布式电源的类型不同，导致它们与电网并联运行时采用的接口设备及控制策略都不一样，所以有必要对各种不同类型的分布式电源运行特性予以详细研究。本章主要介绍4类典型分布式电源的基本原理及运行特性。本节简要介绍太阳能光伏发电的基本原理，给出一种常用的太阳能电池的数学模型，并对太阳能电池的运行特性进行分析，得到不同温度和不同光照条件下的I-V曲线和P-V曲线。太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池(一种类似于晶体二极管的半导体器件)的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生“电子一空穴”对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动(如图2.1所示),N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷(电子)积累，而在电池的背光面有大量正电荷(空穴)积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。标准光照条件下，额定输出电压为0.5V左右。为了获得较高的输出电压和较大的功率容量，往往要把多片太阳能电池连接在一起使用。太阳能电池的输出功率随光照强度不同呈现随机性特征，在不同时间、不同地点、不同安装方式下，同一块太阳能电池的输出功率也是不同的。P型硅一+N型硅—电流图2.1太阳能电池的工作原理太阳能光伏发电系统的第一个入口点是太阳能电池。如图2.2所示，由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体(Cell);多个太阳能电池单体组成的构件称为太阳能电池模块(Module);多个太阳能电池模块构成的大型装置称为太阳能电池阵列(Array),阵列有公共模块阵列图2.2太阳能电池单体、模块和阵列太阳能电池的模型有多种，常见的一种如图2.3所示。图2.3单个太阳能电池的数学模型示意图图2.3所示为单个太阳能电池的数学模型，其输出电压一般为0.5～0.6V,否则图中的二两个二极管),有相应的串联电阻Rs与并联电阻RsH。一般来说，质量好的硅晶片1cm²的串第2章典型分布式电源联电阻Rs为7.7～15.3mQ,并联电阻Rsa为200～300Ω。太阳能电池的伏安特性指的是图2.3中模型的I-V关系曲线。从图2.3中可以看出，在外I=1-Ip-1sH负载电压V与二极管电压VD的关系为：式(2-1)中：IeH为太阳能电池的电流，同时是太阳能电池的短路电流，也是太阳能电池所能产生的最大电流，它在外接负载为0,即V=0时得到，短路电流用Isc(SC——Short注意，在一般的模型中，通常忽略并联电阻Rsn的影响，只考虑串联电阻Rs的作用，所1.环境温度Ta与太阳能电池温度Tc的关系多数情况下环境温度Ta与太阳能电池的温度Te并不相同，但大多数的文献都是假定两者是一样的，也有文献给出了一个由环境温度简便计算出太阳能电池温度的表达式：式(2-5)中：下标a表示环境(Ambient);下标c表示太阳能电池(PhotovoltaicCell);T为温度；G为光照强度；C₂是一个系数，单位为(K·m²)/W,通常取值为0.03。2.短路电流/sc式(2-6)中：Isc(T)为在参考温度T₁(通常取为25℃)时的太阳能电池短路电流；T为当前的环境温度；K₀为太阳能电池电流温度系数，(通常T₁为25℃,T₂为75℃),对单晶硅太阳能电池，典型值为500μA℃;α为参考日照下太阳能电池短路电式(2-7)中：G为太阳光照强度，单位为W/m²,很多文献用Suns作为单位来表示，1个Suns为1000W/m²。般为1.38×10⁻²³J/K;T为环境温度(℃),需要转换成绝对温度(+273.15K);n为二极管的理想因数(IdealityFactor),数值为1～2,在大电流时靠近1,在小电流时靠近2,通常取为式(2-11)中求解条件为：采用的参考环境温度为T,负式(2-12)中：称为热电压(ThermalVoltage,一般取值25.68mV,T=25℃)。4.开路电压Voc的表达第2章典型分布式电源对于性能理想的光伏电池，FF值应该大于0.7,随着温度增加，FF值会下降。最后可得，PV电池I-V曲线的表达式为：2.2.3光伏发电功率特性1.太阳能电池的电流—电压特性太阳能电池把接收的光能转换成电能，其输出电流—电压的特性，即I-V曲线如图2.4所示。在图中标注的各点在标准状态下具有以下含义。最大输出功率(Pm):最大输出工作电压(Ypm)×最大输出工作电流(Ipm)。开路电压(Voe):正负极间为开路状态时的电压。短路电流(Isc):正负极间为短路状态时流过的电流。最大输出工作电压(Vpm):输出功率最大时的工作电压。最大输出工作电流(Ipm):输出功率最大时的工作电流。图2-4中的最佳工作点是得到最大输出功率时的工作点，此时的最大输出功率Pm是Im和Vpm的乘积。在实际的太阳能电池工作中，工作点与负载条件和光照条件有关，所以工作点偏离最佳工作点。注：许多文献中经常提及的标准测试条件(StandardTestingCondition,STC)是指太阳能电池表面温度25℃,光照强度1000W/m²。2.太阳能电池的温度和照度特性利用表2.1所示的光伏电池模型参数，对太阳能电池在不同环境温度和光照条件下的运行特性进行分析，得到的I-V和P-V曲线如图2.5所示。分布式发电与微电网技术光伏电池温度KK光照强度Ta1=298.15Kaβq电荷量knVg=1.12VΩΩ电池表面的温度比外界气温高20～40℃,所以此时电池的输出功率比标准状态的输出功率低。另外，由于季节和温度的变化输出功率也在变化。如果光照强度相同，冬季比夏季输出功率大。光照特性和温度特性如图2.5所示。由图可见，温度不变、光照强度变化的场合，短路电流(Isc)与光照强度成正比，最大功率与光照强度大致成正比；当光照强度不变、温度上升时，开路电压(Voc)和最大输出功率(Pm)下降。VV(a)不同光照强度(b)不同环境温度图2.5不同光照强度和不同环境温度下的-V和P-V特性3.太阳能电池的分光感度特性对于太阳能电池来说，不同的光照射时所产生的电能是不同的。例如，红色的光转换生成的电能与蓝色的光所生成的电能是不一样的。一般用光的颜色(波长)与所转换生成的电能的关系，即用分光感度特性来表示。不同的太阳能电池对于光的感度是不一样的，在使用太阳能电池时特别重要。荧光灯的放射频谱与非晶硅太阳能电池的分光感度特性非常一致，由于非晶硅太阳能电池在荧光灯下具有优良的特性，因此在荧光灯下(室内)使用的太阳能电池设备采用非晶硅太阳能电池较为合适。光伏电池接受阳光光照产生能量的过程，有时会由于局部光照强度的减弱(树、云层或者建筑物的阻碍造成的阴影等)或者生产工艺的问题，造成模块中某个单体光伏电池的电流小于其他单体光伏电池的电流，该电池可能在某一情况下带上负电压，即在电路中不再作为电源，而是作为负载消耗其他正常电池(未被遮蔽)产生的功率，模块性能骤降，这就是典造成失配的原因主要有以下几种。(1)产品问题：成品自带的一些允许误差或模块间的不匹配。(2)环境问题：光伏电池周围环境(温度、气压等外界条件)改变，电池出现故障，导致整个电路部分或全部开路。(3)阴影问题：光伏电池的性能受限于阴影效应。例如不可预测的小鸟掉下来或树叶的凋落，一片树叶的凋落很有可能导致整个系统的功率降至额定功率的一部分，使得电池性能降低。受阴影影响的电池和正常的电池串联在一起会促使整个电路产生反电压，而造成局部(4)模板老化问题；光伏电池的老化会带来一定能量的损失。对于光伏模块或阵列来说，在一个模块中如果各个光伏电池参数不一致，易发生失配现象，造成一定的功率损失，并会降低模块的转换效率。如果光伏电池老化，那么模块和阵列的失配损失也会随着电池的老化变得越来越严重。另外，当光伏阵列的输出功率给负载或者蓄电池时，由于负载不匹配也容易造成失配损失。失配带来的危害首先表现为引起光伏阵列的效率降低，甚至会使整个阵列停止工作。2.失配的机理正常情况下光伏电池串/并联输出特性曲线如图2.6所示。一般来说，当一个模块中有电池被遮蔽的话，其特性曲线将会发生改变。图2.7所示为将可能会使整个模块的功率损失高达75%。当然也有一些模块受遮蔽的影响小于此例。通常，为了减小在光伏电池出现阴影情况下对模块性能的影响，往往对多个串联的电池配置一个或几个旁路二极管，以消除与其他电池串联在出现阴影时造成的功率失配。下面对两个特性曲线不一样的电池串联是否接有旁路二极管进行对比，由图2.8分析可知，当旁路二极管存在时，合成功率以及串联电池性能均得到改善。50%被遮蔽1个电池的 75%被遮蔽电池全部此外，每个串联支路在和其他支路并联之前，需要先串联一个阻断二极管(如图2.9所示),阻断二极管在正常模块输出电压高于受阴影模块的最大输出电压时发挥作用，它给受阴影的模块提供一个电压补偿作用，使两并联支路的电压得到匹配，从而防止电压倒流、电流环流现象的产生。这两种减轻功率失配损失的措施，在增加了设备成本的基础上，避免了个别光伏电池消耗其他光伏电池产生的能量。(1)旁路二极管当光伏电池模块直接串联时，随着某个电池所受光照强度的降低(遮蔽率的增加),电池输出电流将逐渐减小，而被遮蔽的电池的电流决定着整体的输出电流，所受光照强度低的模块限制了整个电路的电流。阴影严重时，当电路中的电流比被遮蔽电池所能提供的最大电流(短路电流)还要大时，被遮蔽的电池会带负电压，相当于一个负载，随着耗能的增加，将会产生大量的热量，形成一个局部“热点”,即热斑现象。如果电池被完于开路，电路中就没有电流。图2.10所示为二极管与电池特性曲线对比图。一个理想的二极管可以经受任何反向电压，当光伏电池模块存在反向电压时，它将作为一个恒流负载工作。造成了一定的能量损失(自身散发热量),但电路的电流运行范围扩大了，两个性能相似的模块串联到一起时，电流保持不变，电压将加倍。然而，当两个性能不同的模块串联到一起时，电压仍叠加。但是电流将被限制在略高于串联模块中电流较小的模块产生的电流值，如图2.12所示。比如说，一个由48个单体光伏电池串联的光伏模块中，每12个或24个单体光伏电池会旁路二极管可以把被遮蔽部分短路，使得只有很少的电流流过被遮挡部分电路，从而避免失配现象带来的功率损失的影响。(2)阻断二极管叠加无旁路二极管合成曲线电流范围减小电压范围增加电流、电压范围基本不变I-V曲线多峰电池2曲线走向合成曲线转折点图2.12不同性能组件串联曲线合成添加阻断二极管后的电路模型如图2.13所示。每个串联支路在和其他支路并联之前，需要先串联一个阻断二极管，以防止全模块输出电压过低时功率倒送对太阳能模块造成损坏。当两个相同的模块并联到一起时，电压保持不变，电流将加倍。然而，当两个性能不同的模块并联到一起时，一般来说，在小系统的干路上用一个二极管就够了，因为每个阻断二极管会引起电压降低0.4～0.7V,其电压损失是一个20V系统的3%,这也是一个不小的比例。图2.13添加阻断二极管后的电路模型叠加有旁路二极管1-V曲线多峰电池1+2曲线电池1+2曲线合成曲线转折点(电压为C处)图2.14不同性能组件并联曲线合成2.3.1风力发电基本原理分布式发电与微电网技术Betz和Glauert在1926年发现，对于自由运行(无罩)的风机，当来流风速v₁在远离风轮之后被阻滞到时，获得的功率最大。而在叶轮面，风速则为在这种情况下，理论上可获得的最大功率为；式(2-25)中，Cpmax为功率系数最大值，可见，在完全没有损失的情况下，风能的最高利用率为59%,即风力机从自然风中能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以理解为留在尾流中的旋转动能。贝兹理论的风能利用系数只是在理想情况下取得的，实际中根据叶片的数量、叶片翼形以及叶片表面粗糙度等情况，Cp还要小一些，一般取式(2-28)中：@为风轮角速度，单位为rad/s;n为风轮转速，单位为m/s。由式(2-26)～式(2-28)可以得出保持m不变，就可实现风力机组在最佳效率Cp.mx下运行。2.3.2风力发电机分类目前，风力发电机广泛采用笼型感应发电机、双馈(绕线转子)感应发电机和同步发电机。发电机的选型与风力机的类型以及控制系统的控制方式直接相关。当采用定浆距风力机和恒速恒频控制方式时，应选用感应发电机；为了提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型，可以采用双绕组双速型，但更多采用单绕组双速型。采用变桨距风力机时，应采用笼型感应发电机或双馈感应发电机；采用变速恒频控制时，应选用双馈感应发电机或同步发电机。同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为了降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁(既有电励磁又有永磁)的同步发电机。对于直驱式风力发电机组，一般采用低速(多极)永磁同步发电机。所谓定桨距就是风力机风轮的桨叶与轮毂之间为刚性连接，桨叶的迎风角度不能随风速的变化而变化。定桨距(失速型)风电机组要求配套的发电机具有恒转速特性，并网运行的感应发电机能够满足这一要求。采用感应发电机并网运行有一系列优点：①笼型感应发电机的结构简单、价格便宜；②不需要严格的并网装置，可以较容易地与电网连接；③感应发电机并网运行时，转速近似是恒定的，但允许在一定范围内变化，因此可吸收瞬态阵风能量。采用感应发电机的主要缺点是需要从电网吸收感性无功电流来励磁，加重了电网对感性无功功率的负担，因此，常常需要对感应发电机进行无功补偿。在低风速运行区域，定桨距风电机组还面临着效率低下的问题。这种效率低下反映在两个方面：①定桨距风力机的转速不能随风速的变化而自动调整，使风轮在低风速时的风能一机械能转换效率很低；②感应发电机轻载时的机械能—电能转换效率也很低。这样一来，使得整个风电机组在低风速区域的效率十分低下。为了充分利用低风速区域的风能，常采用双速感应发电机。双速发电机常做成4极或6极，在高风速区域，发电机在4极下运行：在低风速区域，发电机在6极下运行。2.笼型感应发电机的结构特点笼型感应发电机结构上主要由定子和转子两部分构成，定子与转子之间有一个不大的气隙。目前，感应发电机大多采用双速型，有双绕组双速型和单绕组双速型之分。双绕组双速型是在定子铁芯槽中嵌放两套相互独立的绕组，4极和6极绕组。在高风速区域，发电机运行在4极绕组下，输出功率较大；在低风速区域，发电机运行在6极绕组下，输出功率较小。也就是说，表面上双绕组双速电机是一台发电机，实际上是两台额定功率和额定转速不同的发电机切换运行。显然，对于其中的每一个转速的发电机而言，其有效材料和空间都没有得到充分利用，因此，双绕组双速型感应发电机的经济性较差，也很难获得理想的运行特性。单绕组双速型是在定子铁芯中只嵌放一套绕组，构成一种极数的感应发电机，当按照一定规律将其中一半线圈反向，而线圈在电机槽中的空间位置保持不动，就可以使这套绕组变成另一种极数的发电机。这种将一半线圈反向连接，因而将发电机从4极改变为6极(或反之)的变极方法称为反向法变极，可以方便地通过改变绕组的外部接线来实现。与双绕组双速发电机相比，单绕组双速感应发电机的缺点是6极时感应电动势的波形稍差，即电动势中分布式发电与微电网技术的谐波含量稍大，因此供电质量稍差。双速发电机的转子均为笼型绕组，这是因为笼型绕组的极数是不固定的，能够随定子极数的改变而改变，当定子绕组进行极数切换时，转子的极数也随之自动切换。3.笼型感应发电机的运行原理与特性电动启动是指风电机组从静止状态启动时，把感应发电机当作电动机接到电网上驱动风力机旋转。起初，在电动机驱动转矩和风力机的双重作用下，风电机组快速启动，在感应电机转速加速到同步转速之前，始终处于电动机运行状态。随着机组转速的升高，感应电机转速很快超过了同步转速，这时，在风力机的作用下，感应电机从电动机状态自动转变为发电机状态。感应电机的基本运行状态如表2.2所示。发电机运行状态转差率s能量转换电能一机械能电磁功率=0电磁转矩性质驱动性质电磁转矩=0制动性质的运行状态。转差率s:4.笼型感应发电机的数学模型如图2.16所示，感应发电机的等效电路与感应电动机的等效电路基本相同，只是定转子电流的正方向改变了，即采用发电机惯例。为了不给电网增加感性无功功率的负担，通常在感应发电机端口设置补偿电容器。感应发电机的输出功率与转差率之间的关系如图2.17所示。可以看出，感应发电机的正率明显下降，这是因为发电机的无功电流和内部损耗增加得更快，使输出功率不增反降。的风—电转换效率大幅度提高。2.3.4双馈恒频型风电机组1.采用双馈风机的变速恒频风电机组为了使机组转速能够快速跟踪风速的变化，必须对发电机的转矩实施控制，为此，只需在发电机与电网之间接入变流器，使发电机与电网之间解耦，就允许发电机变速运行了。由于变流器通过的是发电机的全部输出功率，因此，变流器的容量较大、成本较高。当变速恒频风电机组不需要大范围的变速运行，而只需在较窄的范围内实现变速控制时，分布式发电与微电网技术可选择双馈(绕线转子)感应发电机，发电机的定子绕组直接与电网相连，用于变速恒频控制的变流器接到发电机转子绕组与电网之间。这时，需要对双馈感应发电机实行转速和转矩的IV象限控制。采用双馈感应发电机的变速恒频风电机组原理图如图2.19所示。G实际上，采用双馈感应发电机的方案在原理上与感应电动机串级调速相类似，当电机运行于第Ⅱ象限时，电机运行于发电机状态，其电磁转矩为制动特性；当调节转子附加电动势它(即变流器的电机侧电压)的大小或相位时，就改变了发电机的转子电流和电磁转矩，同时，也就改变了发电机的转速。只要令变流器的电机侧电压跟踪风速变化，发电机的转速就可以快速跟踪风速的变化了。型发电机组中的应用日益广泛的主要原因。双馈(绕线转子)感应发电机的定子结构与笼型感应发电机基本相同，二者在结构上的主要差别表现在转子绕组的结构不同，前者为绕线型转子绕组，后者为笼型转子绕组。绕线型转子绕组的结构与定子绕组没有区别，也是用绝缘导线绕制成线圈后嵌入转子铁芯槽中，其相数和极数都与定子绕组相同。为了改善转子的动、静平衡，常采用波绕组，三相绕组大为了使三相转子绕组与外部控制回路(回馈变频器)相连接，需要在非轴伸端的轴上装设3个集电环，再通过电刷引出。双馈型发电机的结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，电机定转子极数相同，它与普通异步电机的最大区别是其外加了连接在转子滑环与定子之间的IV象限变换器。通过调节变换器使转子绕组具有可调节频率的对称三相电源激励，电机的转速由定转子之间的转差频率确定，电机的气隙磁场一般是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特性。力电子变换器进行调节，产生一个相对转子旋转的磁场，相对转子转速为n。。转子实际转实时调整交流励磁，以保证其转速之和为同步转速，这样从定子侧来看，这与通过直流励第2章典型分布式电源磁的转子以同步转速旋转时的磁场是等效的。定子、转子以及转子绕组励磁三者频率满足式(2-30)中：f、f₂、f分别对应定子、转子以及转子绕组三者频率；np则是电机的极对数。当转子转速低于气隙磁场旋转速度时，作亚同步运行，有f>0,变换器向转子提供正相序励磁；当转子转速高于气隙磁场旋转速度时，作超同步运行，f<0,变换器向转子提供反相序励磁。3.双馈感应发电机的运行原理与特性双馈(绕线转子)感应发电机的运行原理与笼型感应发电机基本相同，只是由于转子使用了绕线型绕组，才使之可以实现双馈运行。所谓双馈就是电机的定子和转子都可以馈电的一种运行方式，而馈电一般是指电能的有方向传送。对于双馈感应发电机来说，定、转子的馈电方向都是可逆的。在定子侧，当电能的传送方向为电机→电网方向时，电机为发电机运行，电能传送方向为电网→电机方向时，电机为电动机运行；在转子侧，在变流器的电机侧电压的控制下，电能传送的方向也是可逆的。因此，双馈感应发电机的运行状态可以用功率传递关系来加以说明，如图2.20所示。图中，P为发电机的输出功率、s为转差率、sP为转差功率，不计发电机和变频器的损耗。(c)超同步发电机状态(b)超同步电动机状态(d)亚同步发电机状态(a)亚同步电动机状态(d)亚同步发电机状态(a)亚同步电动机状态OO可以看出，双馈感应发电机并网运行时，可以有4种运行状态。第I象限为电动机运行状态，其中图2.20(a)为亚同步电动机状态，在这种状态下，定子从电网输入电功率P,分布式发电与微电网技术大部分(1-s)P转换成机械功率Pmec从轴上输出，另一部分转差功率sP通过变流器馈入电网；图2.20(b)为超同步电动机状态，在这种状态下，定子从电网输入电功率P,转子通过变流器从电网输入转差功率sP,二者之和(1+s)P都转换成机械功率Pmec从轴上输出。处于电动机运行状态的风电机组实际上变成了一台巨大的风扇，需要消耗电网的电能，风电机组不应运行在这一状态。第Ⅱ象限为发电机运行状态，其中图2.20(c)为超同步发电机状态，在这种状态下，风力机向发电机输入机械功率Pme=(1+s)P,大部分转换成电功率P从定子馈入电网，另一部分转差功率sP通过变流器馈入电网；图2.20(d)为亚同步发电机状态，在这种状态下，风力机向发电机输入功率Pmee=(1-s)P,转子通过变频器从电网输入转差功率sP,二者之和都转化成电功率P从定子端馈入电网。理论上，电机还可以运行在第IV象限的电磁制动状态，在这种状态下，定子从电网吸收电功率P,转子从轴上吸收机械功率(s-1)P,二者之和全部转化成转差功率sP通过变流器馈入电网。由于电磁制动运行时，转差率s>1,要求变流器容量大于发电机的额定容量，因此，一般不允许运行在这一状态。4.双馈感应发电机的数学模型(1)等值电路在对双馈发电机的分析中，可作如下几点假定：①只考虑定转子电流的基波分量，忽略谐波分量；②只考虑定转子空间磁势基波分量；③忽略磁滞、涡流损耗和铁耗；④变换器电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源，不计其阻抗与损耗。第2章典型分布式电源(2)动态模型对双馈发电机动态模型的分析通常是以同步旋转坐标系作为参考，习惯采用定子磁链或定子电压进行定向。由于双馈电机转子回路通过发电机滑环外接外部电压源，因此不同于异步电机，其转子电压u与u不等于零。通过控制转子外接电压值即可控制双馈发电机发出的有功功率与无功功率。双馈发电机基于同步旋转坐标系的方程如下。式(2-32)中：下标s、r分别对应定子侧和转子侧；下标d、q则对应同步旋转坐标系式(2-33)中：Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感以及定转子间互感。将式(2-32)、式(2-33)代入上式得：上式第一项为定子铜耗，第二项为电磁功率，第三项为暂态过程中的功率项，若忽略定子的电磁暂态过程，该项为零。类似可以得到转子的瞬时电磁功率：双馈发电机定子、转子总的电磁功率为：分布式发电与微电网技术p=Ps+P.按照双馈发电机原理，从定子传入转子的电磁功率p.可分为两部分：一部分是拖动转子的有效电磁功率p=(1-s)p,另一部分是传输给转子电路的转差功率p₁=-Sp,。由此可求得双馈电机的电磁转矩为：式中对定子瞬时电功率作了相关近似，忽略了定子铜耗和电磁暂态过程。1.采用永磁同步发电机的变速恒频风电机组同步发电机在水轮汽轮发电机、核能发电等领域已经获得了广泛应用，然而，早期应用于风力发电时却并不理想。同步发电机直接并网运行时，转速必须严格保持在同步转速，否则就会引起发电机的电磁振荡甚至失步，同时发电机的并网技术也比感应发电机的要求严格得多。然而，由于风速具有随机性，发电机轴上输入的机械转矩很不稳定，风轮的巨大惯性也使发电机的恒速恒频控制十分困难，不仅并网后经常发生无功振荡和失步等事故，而且经常发生较大的冲击甚至并网失败。这就是长时间以来，风力发电中很少应用同步发电机的原因。近年来，直驱式风力发电机组的应用日趋广泛，这种机组采用低速永磁同步发电机，省去了中间变速机构，由风力机直接驱动发电机运行。采用变桨距技术可以使桨叶和风电机组的受力情况大为改善，然而，要使变桨距技术的响应速度有效地跟随风速的变化是困难的。为了使机组转速能够快速跟随风速的变化，以便实行最佳叶尖速比控制，必须对发电机的转矩实施控制。图2,22所示为变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组原理图。G应用于风力发电的永磁直驱型风电机组采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍可工作，因此永磁直驱同步发电系统中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了风电机组的维护工作，并且降低了噪声。另外，永磁直驱型风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。同时，随着电力电子技术和永磁材料的发展，在永磁直驱风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也在不断下降，使得永磁直驱风力发电系统具有很好的发展前景。直驱型风机电气部分采用永磁同步发电机实现机械能向电能转换，永磁同步发电机的运第2章典型分布式电源行原理与电励磁同步发电机相同，但它是以永磁体提供磁通替代后者的励磁绕组励磁，使发电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了2.永磁同步发电机的结构特点永磁同步发电机的磁极结构大体上可分为表面式和内置式两种。所谓表面式磁极结构就是将加工好的永磁体贴附在转子铁芯表面，构成永磁磁极：而内置式磁极结构则是将永磁体置入转子铁芯内部事先开好的槽中，构成永磁磁极。低速永磁同步发电机普遍采用表面式磁极结构，从对电枢磁场影响的角度来看，与电励磁时的隐极式磁极结构相类似。为了提高永磁同步发电机的可控性，可以制成混合励磁同步发电机，这种发电机既有永磁体励磁，又设置了一定的励磁绕组，使其可控性大为改善。低速永磁同步发电机的极数很多，例如，当电网频率为50Hz时，假定发电机的额定转速为30r/min,则发电机的极数为200极。为了安排这些永磁体磁极，发电机的转子必须具有足够大的直径，如果仍然采用传统结构(外定子、内转子),则永磁磁极的设计上会有一定困难。实际上，采用低速永磁同步发电机的风力发电机组一般采用变速恒频控制，由于发电机已经与电网解耦，发电机的转速已经不受电网频率的约束，这就给发电机的设计增加了很大的自由度。例如，当风电机组采用直驱式结构，机组的额定转速为15r/min,如果将发电机的额定频率设定为10Hz,发电机的极数仅为80极，可以说，这是一个在技术上容易通过的可以让人接受的方案。因此，低速同步发电机常采用分数槽绕组，即其每极每相槽数q为：式(2-40)中：Q₁为电枢总槽数；p为极对数；m为相数。3.同步发电机的运行原理与特性与感应发电机不同，同步发电机是一种双边激励的发电机，其定子(电枢)绕组接到电网定子、转子的N、S极之间的磁拉力可以比喻成定子合成磁场B与转子主磁场Bo之间由一组弹簧联系在一起。当发电机空载时，弹簧处于自由状态，未被拉伸，这时B与Bo的轴线重合，电磁功率为0;当发电机负载后，B与Bo的轴线之间就被拉开了一个角度，从而产生了电磁功率。负载越大，B与Bo的轴线之间被拉开的角度越大，同步发电机从机械功率转换成电功率的这部分功率就越大，这部分转换功率称为同步发电机的电磁功率，与电磁功率对应的转矩称为电磁转矩。B与Bo之间的夹角称为功率角θ,它是同步发电机的一个重要参数。分布式发电与微电网技术显然，弹簧被拉伸的长度是有一定限度的，同样，随着功率角θ的增大，同步发电机电磁功率的增加也有一定的限度，超过了这个限度，同步发电机的工作就变得不稳定，甚至引起飞车，称为同步发电机的失步。同步发电机的等效电路如图2.23所示，与之相对应的向量图如图2.24所示。这两图中；子主磁场在电枢绕组中感应的电动势(V);U为发电机输出相电压(V);i为发电机的输出相电流(A);Xs为同步电抗，它综合表征了同步发电机稳态运行时的电枢磁场效应(Xa)和电枢漏磁场效应(X₆),且X=Xa+X。(Ω);Ra为电枢绕组的每相电阻(Ω)。电磁功率Pe与功率角θ之间的关系称为功角特性，可表示成式(2-41),对应的特性曲线如图2.25所示。可以看出，同步发电机的电磁功率Pe与功率角θ大值Pem,显然。进一步分析可知，当行越稳定，功率角θ越接近90°,运行的稳定性越差；额定运行时的功率角为30°~40°,以便在任何情况下，发电机都能运行在稳定运行区域并具有足够的过4.永磁同步发电机的数学模型(1)动态模型类似于双馈感应发电机，永磁同步发电机在d-q坐标系中建模。第2章典型分布式电源式中，ua、usq、isd、iq为发电机定子输出电压和电流的d轴和q轴分量；R、La、L₄为定子的电阻和电感；w,为发电机电角速度，单位为rad/s;4p为永磁磁链，单位为Wb;p为微分算子。将式(2-43)代入式(2-42),电压方程变为：与感应电机类似，式(2-45)等号右边第一项是暂态过程中的功率；第二项是定子绕组损耗；第三项是电磁功率，即式中，wm为机械转速；Pp为发电机极对数，₅=Pp·@m。由式(2-48)可见，永磁同步发电机电磁转矩可以通过定子电流的q轴分量进行控制。式(2-49)中：J为转子的转动惯量，单位为kg·m²;Tm为风力机加于电机轴的机械力矩，(2)稳态模型发电机稳态运行时，定子电压在d-q参考坐标系下的向量形式可以表示为：在稳态时，磁链是直流量，恒定不变，所以式(2-42)中的P4为零，将此式和式(2-43)代入式(2-50)中，得出永磁同步发电机的稳态模型。分布式发电与微电网技术U₅=(-Risa-②₃Lis)+j[-Ri+@₃(LaiE₀=j@4p,为主磁场产生的励磁电动势。式(2-51)右边前三项移到左边，方程整理为；永磁同步电机与电励磁凸极同步电机有着相似的内部电磁关系，故也可采用双反应理论来研究其稳态模型，也可以得出与式(2-52)相同的结论。将式(2-52)两边都减去jia(Xa-X₄),并设E₀-ji。(X。-X₄)=E,可得：图如图2.26所示。本节简要介绍燃料电池的基本原理及主要类型，并对使用较多的PEMFC进行数学模型和运行特性分析。2.4.1燃料电池发电基本原理燃料电池由一个负充电的电极(阳极)、一个正充电的电极(阴极)和一个电解质膜组成。第2章典型分布式电源图2.28为质子交换膜燃料电池示意图。氢在阳极氧化，氧在阴极减少。质子经电解质膜从阳极传送至阴极，电子经外部电路传送至阴极。在阴极，氧与质子和电子发生反应，形成水并产生热量。阳极和阴极都含有催化剂，以加速电化学过程。氡反应物通过扩散和对流传送至含有催化剂的电极表面，在此之上发生电化学反应。目前，世界各国开发的燃料电池种类很多，根据所使用的电解质和燃料的聚合物电解质膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)、碱物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(Mol池(BiomassFuelCell,BF数，如工作温度、电池材料以及燃料电池和堆的设计等，这些差别带来了各燃料电池类型不同的重要特性和优缺点。1.聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)聚合物电解质膜燃料电池(也称为质子交换膜或PEM燃料电池)在提供高能量密度的同时，具有质量轻、成本低、体积小等特点。一个PEM燃料电池由一个负充电的电极(阳极)、一个正充电的电极(阴极)和一个电解质膜组成。氢在阳极氧化，氧在阴极还原。质子分布式发电与微电网技术通过电解质膜从阳极传送至阴极，电子经外部电路负载传送。在阴极上，氧与质子和电子发生反应，产生水和热量。在PEMFC中，从燃料流道到电极的传输通过电导碳纸进行，在其两面涂有电解质。这些衬层通常是多孔的，孔径大小为0.3～0.8mm,用于从双极板向反应堆以及从反应堆向双极板传输反应物和生成物。阳极上的电化学氧化反应产生电子，通过双极板/电池流向外部电路，同时离子通过电解质流向相反的电极。从外部电路返回的电子，参与阴极上的电化学还原反应。美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)已将碱性燃料电池(AFC)用于航天任务，发电效率高达70%。这些燃料电池的工作温度在室温至250℃之间，电解质为浸泡在槽中的碱性氢氧化钾水溶液(由于碱性电解质中阴极反应速度较快，意味着性能更高，因此这是它的一大优点),AFC通常具有300W～5kW的输出。气中含有的少量CO₂,随着时间的推移3.磷酸型燃料电池(PAFC)PAFC是一种非常高效的燃料电池，发电效率大于40%。PAFC产生的大约85%的蒸汽可用于共发电。PAFC的工作温度范围为150～220℃。在较低温度时，PAFC是一种不良的离子导体，阳极中铂的一氧化碳中毒现象会变得非常严重。PAFC的两个主要优点包括接近85%的发电效率以及它可以使用非纯氢作为燃料。PAFC可容忍的CO浓度大约为1.5%,这增加了可用的燃料类型数量。PAFC的不足包括使用铂作为催化剂(同大多数其他燃料电池),以及它的尺寸较大、质量较大。另外，相比其他类型的燃料电池，PAFC产生的电流和功率较小。4.固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池的化学成分是一种非多孔的固体电解质，如Y₂O₃稳定的ZrO₂,其导电性基于氧离子。阳极通常由Co-ZrO₂或Ni-ZrO₂黏合剂制成，而阴极由添加了Sr的LaMnO₃制成。现有3种主要配置形式来制造SOFC:管形配置、双极形配置和平面形配置。SOFC的工作温度可达1000℃,当电池输出高达100kW时，其发电效率可达5.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐型燃料电池使用的电解质是一种碳酸锂、碳酸钠或碳酸钾的液体溶液，电极浸泡在其中。MCFC的发电效率高达60%～85%,工作温度大约为620～660℃。工作温度高是一大优势，原因是它能获得更高的效率，以及可以灵活地使用各种类型的燃料和廉价催化MCFC的一个不足是高温易造成燃料电池组成部件的腐蚀和损坏。6.直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池使用与PEM燃料电池相同的聚合物电解质膜。不过，DMFC的第2章典型分布式电源燃料为甲醇而非氢，甲醇作为燃料流过阳极，并分解为质子、电子和水。甲醇的优点包括其广泛的可用性以及可轻易地从汽油或生物材料重整而来。虽然它的能量密度只有氢的1/5,但由于它是液态的，因此在250个大气压时，与氢相比，其单位体积的能量为氢的4倍。DMFC的一个主要问题是甲醇氧化会产生中间的碳氢化合物，它会使电极中毒。另一个限制是阳极上的甲醇氧化会变得像氧电极反应那么慢，并且为了实现大功率输出，需要大量的过电压。还有一个问题是，甲醇大量穿过电解质(燃料分子直接通过电解质扩散至氧电极),会造成功率的严重损耗，30%的甲醇会因此而损失。在锌空气燃料电池(ZAFC)中，有一个气体扩散电极(GDE)、一个电解质隔开的锌阳极以及某种形式的机械分隔器。GDE是一种具有渗透性的膜，允许氧化物穿过它。氧化锌由氢氧离子和水(来自氧)生成，它与锌在阳极发生反应，并因此产生电势，锌空气燃料电池可以连接在一起，以获得所需的电力。锌空气燃料电池的电化学过程与PEM燃料电池非常相似，但燃料加注过程具有电子，驱动负载。周边空气中的氧从负载接收电子，并通过该过程产生钾锌酸盐。通过电解对钾锌酸盐进行重新处理，以生成锌小球和氧。该再生过程由外部电源供电(如太阳能电池),并可无限地重复下去。质子陶瓷燃料电池(PCFC)是一种新型的、基于陶瓷电解质材料的燃料电池，在高温下显示了很高的质子传导性。这种燃料电池与其他燃料电池有根本区别，原因是它依赖于高温下氢离子(质子)对电解质的传导性，而这种高温比其他质子传导型燃料电池可能会遇到的工作温度要高得多。PCFC具有同熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化物燃料电池一样的热量的质子传导优势。PCFC产生电能的氢氧化反应发生于阳极上(燃料一侧),正好与其他高温燃料类型相反。在PCFC中，阴极的燃料通过空气流移动，使燃料的完全利用变为可能。燃料稀释现象不会出现在PCFC中。另外，PCFC用的是固体电解质，因此膜不会像PEM燃料电池那样发干，液体也不会像PAFC那样溢出。生物燃料电池是一种可直接将生化能转化为电能的设备。在BFC中，存在基于碳水化合物的氧化还原反应，如使用微生物或生化酶作为催化剂的葡萄糖和甲醇。BFC的工作原理同其他燃料电池的主要区别在于生物质燃料电池的催化剂是微生物或生化酶，因此，催化剂无需贵金属，并且，其典型的工作条件为中等环境和室温。BFC工作在液体媒介中，具有低温和接近中性环境等优点。此类燃料电池可能的潜在应用包括：①开发新的、实用的低功率能源：②制造基于直接电极相互作用的特殊传感器；③电化学合成某些化学物质。分布式发电与微电网技术对各种不同类型的燃料电池而言，有半个电池的反应(单独阴极或阳极)是不同的，但总的反应是类似的。必须持续不断地移去燃料电池产生的水和废热，这些可能是某些燃料电池工作过程中面临的关键问题。率高等燃料电池的一般特点外，还具有接近常温工作及启动迅速的特性，而且没有电解液腐蚀与溢漏问题。不仅可应用于航天、军事等特殊领域，在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面也具有很大的市场潜力。根据PEMFC的电化学反应方程式，可以用许多方法来对PEMFC的性能进行建模。燃料电池电压V可以定义为三项之和：热动力电势、极化过电势和欧姆过电势