第2章分布式发电技术.ppt

1、2020/8/7,第二章 分布式电源,2-1 微型涡轮发电机,2-2 光伏电源,2-3 燃料电池,2-4 风力发电,2-5 能量存储系统,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,微型涡轮发电机是由微型涡轮发动机驱动发电机组成的发电系统，是提供分布式电能生产的最佳选择之一，它结构简单，开发研制所需的技术已取得突破性进展。,容量：轴上的净输出功率小于200kW，不同的工程设计人员对微型涡轮发电机的容量定义不一样，有些包括200kW以上的发动机，但一般的严格定义均为100kW以下。,简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。,一、单轴微型涡轮发动机,现代的微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外，还具

2、有下述4个方面的特点：,压缩比：一般为3:14:1。,转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。,Capstone、Elliott和Honeywell等公司已开发了数种额定容量为20150kW的单轴涡轮发动机。,微型涡轮发动机最紧凑的流程为具有环行燃烧室的环绕回流换热器，流程的配置取决于具体的应用。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,优化设计的微型涡轮发动机具有涡轮压缩机，其喷嘴只有数英寸，转速在额定功率时为60100kr/min，类似于小型的涡轮增压器。,微型涡轮发动机和涡轮增压器的主要空气动力学差异在于涡轮的设计。对于实际可行的微型涡轮

3、发动机，其障碍不是涡轮机的技术而是其他因素：,成本：总的每千瓦价格和回流换热器的成本。,废气的排放水平。,天然气的注入方法和它们的安全性。,轴的动力学特性和轴承的设计。,回流换热器的可靠性、效率和成本。,微型涡轮发动机主要的设计特征是使用了辐流式压缩机和膨胀器。采用辐流式压缩机可得到很高的压缩比，与6级轴流式压缩机相比，单级辐流式压缩机的压缩比一般为3:1或4:1。为取得更高的压缩比，可采用多级辐流式结构，但将使得设计相当复杂。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,无论微型涡轮发电机是并网运行还是对单独的负荷供电，都需要控制发电机的转速和输出电压。微型涡轮发电机通常使用变转速的永磁交流发

4、电机，其输出的交流电的频率非常高，必须首先对输出电压整流，再逆变为工频交流电。,1.设计特点,微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环(Brayton Cycle)或称为等压循环产生，有些具有回流换热器，有些没有。,微型燃烧室设计一般不能根据大型涡轮机的燃烧室按比例缩放，主要是因为受到下述因素影响：表面积/体积随燃烧室的大小而变化；室壁淬火的影响；燃料流量较低，只能使用较少的喷嘴和节流面积；漏泄间隙的增加等。,燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率(HRR)，即,较低的HRR可增加滞留时间，有益于减少CO的排放。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,接触反应式燃烧室可取得较高的HRR，为完成

5、燃料的氧化，它们需要某种形式的预燃烧室和额外的后阶段的燃烧室空间，总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。,对于小型企业和居民用的微型涡轮发动机，一般选择天然气作为燃料，但是需要将天然气的压力从周围管道的压力加压到超过微型涡轮发动机的压缩机传送的压力。压缩机出口的压力一般为34atm。,回流换热器能够回收涡轮机排放的热能并为燃烧空气预热，其外壳通常为金属，也可采用陶瓷外壳。,回流换热器基本上是空气和空气之间的热交换，而空气到其表面的热传递系数充其量也只是比较适中，所以热交换需要相当大的表面积。,若将回流换热器的压力适当降低4%5%，并采用一般的表面结构，则其重量和成本与其效率之间的关系如下：

6、,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,轴承：为增加微型涡轮发动机冷起动能力，降低其造价，一般采用空气轴承而不采用磁性轴承。,微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。,将小型的涡轮发动机与高速永磁发电机集成在一起对设计人员是一个挑战，因为需要解决高速动力学特性和平衡、磁性的保持和温度限制、冷却系统的选择和附加损失的计算、保养和日常零部件的维修、发生内部故障时电压的调整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。,高速永磁发电机主要的特征是能够为涡轮发动机机提供高速起动或点火速度，避免了采用专门的起动电动机和专门的起动燃料喷射器，因而简化了燃料控制系统。,永磁发电机输出功率P与转子转速和转子

7、体积之间的关系如下：,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,发电机输出功率与转速之间的关系示意图,为获得相应的功率，转速和直径应折衷选择。,2.单轴微型涡轮发动机循环分析,微型涡轮发电机的效率和输出电能、热能基本上为循环峰值温度、回流换热器入口温度、压缩机压缩比率以及组件效率的函数。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。,回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器进气温度。压缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。,下述技术参数可应用于2.5100kW的微型涡轮发动机：,压缩比率大于3.5时对

8、热效率的改善没有任何作用，因此应采用较低压缩比的压缩机和涡轮效率以及对涡轮圆周速度的限制。,2.5kW和5.0kW的微型涡轮发动机，其峰值热效率分别为27%和25%，大型的涡轮发动机效率可达30%。,将回流换热器的效率从85%增加到90%可使热效率增加1.9%，但是回流换热器的尺寸和价格将增加60%。,当涡轮接近优化的转速时，热效率基本不变，因此设计时应选择比优化转速低的转速，为将来性能改善留下空间。,功率/重量和速度的函数关系以及成本/功率和速度函数关系也相对平坦。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,在最终的设计中，还需要进一步分析和综合的内容有：应力、热力学性能、动力学特性等因素。

9、,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,微型涡轮发电机经常不是满负荷运行，设计人员、经济分析人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。,典型的具有回流换热器的微型涡轮发动机在恒速和可变涡轮入口温度运行时或在变速和恒定回流换热器入口温度运行时，带部分负荷的效率曲线图不同，如图所示。,变速运行模式提高了带部分负荷时的运行性能，但需要控制系统能够测量负荷的变化并优化运行速度，且高循环疲劳故障将增加。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,二、双轴微型涡轮发动机,双轴微型涡轮发动机的设计一般采用金属径向涡轮机组件,使用坚固的涡轮增压器组件，润滑系统采用增压的润滑油系统，运行在相对较低的

10、压缩比，一般为3:1，使用一级压缩和两级涡轮。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点：,引擎寿命长：将发动机的输出功率分配到两个涡轮可降低涡轮叶片的应力，进一步采用相对低的压缩比和引擎的涡轮入口温度可延长涡轮的寿命。,可直接输出机械功率：任何旋转的机械部件都可以由电力涡轮驱动，因此双轴微型涡轮发动机可以应用于更广泛的领域。,具有灵活的设计工作点：对于电力涡轮，双轴引擎结构允许设计者更灵活地选择设计的工作点。,轴的机械设计简单：与电力涡轮和负荷相关的轴的设计问题与汽化器涡轮轴无关，因此这些简单轴的设计没有单轴引擎轴的设计复杂，因为后者必须考虑转子的

11、动态特性、负载特性以及将所有旋转器件安装在一个轴上所引起的密封的复杂性等因素。,机械的安全性提高：电力涡轮转速的降低减少了系统中旋转设备发生灾难性故障的危险性。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,良好的转矩/转速特性：由于通过引擎的质量流位于第一级涡轮，对电力涡轮的运行条件没有影响，因此电力涡轮在低速运行时可输出更大的转矩，改善了引擎处理变化负载和维持运行稳定性的能力。,双轴微型涡轮发动机由于具有可直接驱动机械设备的灵活性，故可应用于各个领域。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,微型涡轮发电机输出为高频交流电，需要通过电力电子接口和控制器将其转换50Hz、380V的交流。,三、

12、微型涡轮发电机电力电子接口和控制,1.电力电子接口,常用的开关器件：大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 等。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,大功率的开关器件可以构成不同的拓扑结构，实现所要求的电能转换功能，如DC - DC、AC - DC或DC - AC等。为了得到所要求的输出电压和频率，通常采用脉宽调制技术来改变晶体管的导通和截止时间。,因为晶体管工作于开关工作状态，转换器的输出波形包含很高频率的谐波分量，因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波，并允许有用的基波电能分量通过。,现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换，其转换效率可高达96%(包括了滤波器的损耗)。即使可达到非

13、常高的转换效率，转换器中的电能损耗也是非常可观的，因此器件的散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。,2.数字控制技术,典型的分布式发电系统必须考虑三个方面的控制：,微观控制：即电力电子转换器中大功率开关的开关控制，开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,宏观控制：即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这方面的控制取决于所采用的特定的发电技术，其采样速率为毫秒级。,分布式发电系统与外部设备之间的通信控制：先进的分布式发电系统可提供各种数字通信接口，因此系统可以实现远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集成为较大的发电系统时，远程

14、通信控制是不可少的。,3.应用,并网运行,电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这种模式下，微型涡轮发电机系统跟随电网的电压和频率变化，可等效为可控的电流源。,并网工作时微型涡轮发电机主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。并网分布式发电系统包括同步、继电保护和反孤岛等。为将微型涡轮发电机系统与电网安全可靠地连接，可将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,分布式发电系统中电力电子转换和控制器的另一个作用是在不需要任何外部设备前提下，改善供电质量。,单机运行,电力电子转换和控制器可以设计为单机运行工作模式，当系统在这种模式下运行时，整个系统相当于

15、一个电压源，输出电流由负载的需要确定。,双模式运行：电力电子转换器既可工作于并网运行模式，也可工作于单机运行模式，还可设计成在上述两个工作模式之间自动切换。,多机运行：为将分布式发电系统构成一个较大的电力系统，电力电子转换器可设计为与其他分布式发电系统并联运行的工作模式，这一功能可直接在系统中设置，而不需要任何其他的同步设备。,可变燃料运行模式：最先进的电力电子转换器允许分布式发电能在很宽的燃料范围运行，因为数字控制软件的灵活性和适应性使得不需要对硬件作较大的改变即可实现此功能。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,先进的离心式压缩机叶片装置可采用直排式元件，这些直排式元件的安排可形成称

16、为直纹曲面的三维叶片形状。采用此方法可创建相当复杂的曲面，并可得到很好的设计效果。采用三维计算流体动力学等新技术，使得设计工作者能够定义更复杂的叶片形状，为改善系统的性能提供了更好的机会。,四、微型涡轮发动机性能改善,1.涡轮机组的性能,若微型涡轮发动机采用离心式压缩机，转速的标幺值为0.71.0，则某些种类的压缩机可得到87%89%的效率。,微型涡轮发动机中，压缩机效率一般仅能达到稍低于80。,微型涡轮发动机中的压缩机尺寸较小，其直径只有数英寸，由于雷诺数效应引入了空气动力学方面的限制、由于轴承加工时的实际限制使得间隙比相对较大等限制了压缩机的效率。,为满足市场价格要求，成本的限制也强加到微

17、型涡轮发动机中，使得设计人员必须采用高容量/低成本的制造技术。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,2.引擎运行条件,提高微型涡轮发动机效率的一个方法是使涡轮机组工作于更能发挥其性能的运行条件，如更高压缩比或涡轮入口温度。,2020/8/7,微型涡轮发动机运行在高压缩比时需要燃料的喷射压力高，因此需要燃料气体增压器，从而使得附加的功率损耗增加。,2-1 微型涡轮发电机,严格的成本约束使得人们只能使用金属部件，并且不能使用昂贵的燃气涡轮引擎所使用的技术，如空气冷却叶片。,增加系统的压缩比会增加系统的应力。当要求提高系统效率同时又提高压缩比和温度时，将使引擎的寿命进一步缩短。,3.余热回收,

18、提高引擎效率最有效的方法是通过回热器或回流换热器作为引擎循环的一部分将微型涡轮发动机排放的热能回收利用。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,回流换热器效率的不同对性能会有不同的影响。,回流换热器效率为91时的效率图,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,回流换热器效率为85时的效率图,若要得到更高的效率，意味着回流换热器需要更大的表面积，因此重量和体积将更大。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,兰金循环是指通过加热液体使其气化生成气体，并利用气体做功，再通过冷凝器将气体冷却为液体的热力循环。,五、兰金循环微型涡轮发动机,最简单的兰金循环原理如图所示，由锅炉，涡轮，冷凝器和循

19、环供给泵等组成。热能传送到锅炉中的液体，为涡轮产生饱和的或过热的气体，低密度的气体通过冷凝器冷却为液体，然后通过循环供给泵对液体加压并回送到锅炉，从而完成整个循环。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,在分布式发电市场，兰金循环发动机可以用来改善涡轮发动机和往复发动机的运行成本。,1.工作流体,由于水蒸发时吸收大量的热能，并具有良好的传输特性和广泛的有效性，因此在高温兰金循环系统中，水为主要的工作流体。,在余热回收应用的低温热源兰金循环中，由于水的蒸发需要大量的热能，使得沸腾温度低，并且循环效率也很低。因此在低温热源兰金循环中，一般采用有机流体而不采用水。,设计低温有机流体兰金循环时必须

20、考虑流体的特性，如热分解限制、可燃性、成本以及有效性等。,2. 兰金循环发动机的性能,热源和吸热设备的温度影响兰金循环的效率，当系统热源温度为90时有机流体兰金循环发动机的效率为7%10%，当温度为315650时，效率为25%30%。,2020/8/7,2-1 微型涡轮发电机,根据下图给出的循环效率信息，可估计出低温有机流体兰金循环发动机的输出功率。,3. 兰金循环发动机制造费用,废热回收的兰金循环发电系统的制造费用的变化非常高，这一变化主要取决于输出电功率的大小、产品的数量、有效的温度范围以及热交换的需要等因素。,2020/8/7,2-2 光伏发电,光伏发电系统直接将太阳能转换为电能，光伏发

21、电装置由半导体器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。,一、光伏电池原理,用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。,p-n结的光生伏特效应,光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，在内部构成自n区流向p区的光生电流，在p-n结短路情况下构成短路电流密度。,在p-n结开路情况下，p-n结两端建立起光生电势差，即开路电压。,将p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p-n结起了电源的作用。,2020/8/7,2-2 光伏发电,太阳能电池的电流和功率特性,为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使

22、其运行在这一最大功率点 。,可采用电子控制器实时地调节PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。,2020/8/7,2-2 光伏发电,受太阳辐射和负载大小影响的PV电池的电压-电流特性,电池的温度影响太阳能电池的性能，随着温度的增高，其输出电压和功率将线性减小，因此PV电池最好运行在太阳辐照度高，气温较低的时候。,不同太阳辐射情况下，最大功率点的电压基本上相同，与电池受到的辐照度无关。,2020/8/7,2-2 光伏发电,二、PV电池等效电路,IL ：光能产生的电流；,Id ：二极管电流；,Ish：旁路漏电流；,串联等效电阻Rs表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于p-n结深

23、度、半导体材料的纯度和接触电阻；,旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比。,常规的高质量的PV电池，一平方英寸的硅电池其Rs在0.05到0.10之间，Rsh在200到300之间。,PV电池转换效率对Rs的变化非常灵敏，而对Rsh的变化不灵敏，当Rs的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。,二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：,ID为二极管饱和电流；Uoc为开路电压；Q为电子电量；,A为曲线拟合常数；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。,2020/8/7,2-2 光伏发电,负载电流：,实际的PV电池，Ish与IL和ID相比非常小，可以忽略。,在黑暗条件下，将电压Uoc加到电池两端，

24、并测量流入电池的电流即可求得二极管饱和电流，因此该电流常称为黑暗电流或反向二极管电流。,描述PV电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压Uoc和短路电流ISC。,在满照度的条件下，将PV电池的输出端短路测量得到的电流即为短路电流。,在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。,忽略旁路电流。,开路电压具有负的温度系数。,2020/8/7,2-2 光伏发电,PV电池的电气特性一般采用电流-电压(i-v)曲线表示。,左边阴影区，电池工作于理想电流源工作状态，其输出电压取决于负载电阻；,右边工作区，当电压少量增加时，将引起输出电流急剧增加。在此区域，电池相当于具有内阻的电压源。,在两个

25、阴影区域的中间部分，i-v曲线有一个转折点。,PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。,当输出电压处于i-v曲线的转折点时，输出功率达到最大。,PV电池的电路应工作于靠近i-v曲线的转折点的左边。,在分析系统的电气特性时，可将PV电池等效为近似理想电流源的模型。,2020/8/7,2-2 光伏发电,光照为2流明，空气质量为2.5时， 22瓦的PV电池的i-v特性：,定义外太空的空气质量为0，太阳辐射可达1350瓦/平方米。,当空气质量为1时为纯净的空气且在中午的时候，可将其定义为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。,一般的白天，空气质量为1.5，可定义为空气质量的参考值。,2020

26、/8/7,2-2 光伏发电,PV电池的光电转换效率：,三、PV电池阵列设计,影响PV电池阵列设计的主要因素如下：,太阳光强。,太阳的入射角度。,最大功率的负荷匹配。,PV电池阵列的运行工作温度。,1.太阳光强度,当太阳辐射处于全照度(1.0太阳辐射)情况下，PV电池产生的光电流将达到最大值，而在多云的天气，光电流将随太阳光强成比例地减小。,2020/8/7,2-2 光伏发电,实际工作情况下，PV电池的转换效率对太阳辐射的强度变化不灵敏。,2.太阳入射角,光伏电池的输出电流可由下式表示：,太阳入射角在050之间，电流I与之间的余弦关系能够很好地满足，超过50，输出电流与太阳入射角之间的关系将显著

27、地偏离余弦函数关系，超过85，光电池将不能输出电能。,2020/8/7,2-2 光伏发电,2020/8/7,2-2 光伏发电,3.阴影的影响,PV电池阵列可由光电池串联成组然后并联组成,2020/8/7,2-2 光伏发电,消除串联回路中太阳阴影影响的一般方法是将较长的串联光电池分成几段，每一段并联一个旁路二极管。,4.温度效应,随着光电池的运行温度的升高，其短路电流将增加，而开路电压将减小。,2020/8/7,2-2 光伏发电,对于结晶硅电池，为500W/，为5mW/，因此其输出功率为,2020/8/7,2-2 光伏发电,5.负荷匹配,任何电力系统的工作点均为电源特性曲线和负荷特性曲线的交点。

28、,PV电池阵列稳定工作的必要条件为,2020/8/7,2-2 光伏发电,6.太阳跟踪,太阳跟踪器可分为两类：一类为单轴跟踪器，它可以在一天中从东到西跟踪太阳的运动；另一类为双轴跟踪器，它不仅在一天中可以跟踪太阳从东到西的运动，还可以在一年中从北到南跟踪太阳的运动。,小型的单杆PV电池板可采用单杆的太阳跟踪器，大型的PV电池板可分解为较小的模块，每个模块安装在自己的单轴或双轴跟踪器上，这样简化了系统结构，并消除了与之相关的大位移问题。,2020/8/7,2-2 光伏发电,四、最大功率点运行,PV电池必须工作于一定的电压，从而保证在一定的条件下工作于最大功率点。,实现PV电池工作于最大功率点的方法

29、：,第一种方法：将一个很小的电流信号按一定的周期注入到PV电池阵列的母线上，然后测量母线上的动态电阻Zd=dU/dI和静态电阻Zs=U/I，调整电池的工作电压直到Zd= Zs，当电池运行在这一点时，其输出功率可达最大值；,第二种方法：根据dP/dU的正负调节工作电压，当dP/dU为正时增加PV电池工作电压，为负时减小工作电压。如果dP/dU在一定的死区范围内接近于零则保持其工作电压不变；,2020/8/7,2-2 光伏发电,大多数PV电池，最大功率点的电压与开路电压的比值(Ump/Uoc)近似为常数K。,第三种方法：将一个不带负载的光电池安装在PV电池板上，使其与输出电功率的PV电池处于同一环

30、境，并不断测量其开路电压，如果将输出电功率的PV电池的工作电压设定为KUoc，则其输出功率将达到最大值。,五、PV系统组成,独立运行的PV系统组成：,并网运行PV系统，耗电加热器不需要，剩余的电能可以送入电网，蓄电池也可取消掉，若系统中有重要的负载如计算机和起动控制器等，则应保留蓄电池。,2020/8/7,2-3 燃料电池,燃料电池是一种不经燃烧直接将燃料的化学能转换为电能和热能的电化学装置。,一、燃料电池工作原理,1.燃料电池组,单个燃料电池仅仅能产生1V左右的电压，因此一般的燃料电池系统将多个燃料电池串联起来组成燃料电池组，为用户提供所需要的电压。,燃料电池组可以采用很多组电池串联和并联，

31、得到不同的电压、电流和功率。,2020/8/7,2-3 燃料电池,燃料电池组的基本组成如图所示，包含的元件除了电极和电解质外，另外还有提供电气连接和绝缘、燃料和氧化剂流通的一些元件。,关键的元件有电流集电器和分离器板，电流集电器将电子从阳极传导到分离器板。分离器板在两个电池之间提供电气串联连接，并将流过一个电池的氧化剂与相邻电池的氧化剂隔离开。电流集电器中的通道作为燃料和氧化剂的分配路径。,两个电流集电器和一个分离器板结合成一个单元，称为双极板。,2020/8/7,2-3 燃料电池,2.燃料电池系统,燃料处理器将碳氢化合物燃料转换为富含氢气的混合气体，然后根据燃料电池的需要，再将混合气体去掉杂

32、质或其他气体成分，为燃料电池提供纯净的氢气。,燃料电池系统还需要一个具有输出功率调节功能的逆变器系统，因为分布式发电系统中的负载为交流负载，而且还需要与电力系统并网运行，而燃料电池直接输出的是直流电。,2020/8/7,2-3 燃料电池,根据电池使用的电解质材料分类：碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)，熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)，磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)和固

33、体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。,二、燃料电池种类和性能比较,1.碱性燃料电池,AFC的电解质为氢氧化钾(KOH)，运行温度为100250C。,高温AFC采用的KOH浓度高，可达85，而低温AFC采用更稀释的KOH，其浓度在3550之间。,电解质包含在填充材料如石棉中，通过毛细作用将电解质传送到电极的表面。,电极中可加入的电催化剂的种类很多，如镍、银、尖晶石、金属氧化物和贵金属等。,2020/8/7,2-3 燃料电池,AFC的燃料必须是纯净的氢气，一氧化碳可使AFC中毒，二氧化碳与电解质相互作用将形成碳酸钾(K2CO3)，即使空气中有少量的二氧化碳也将

34、影响燃料电池的正常运行。,2.熔融碳酸盐燃料电池,MCFC中的电解质为碱性碳酸盐，如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO2)或碳酸锂(Li2CO3)等。若采用二氧化铝锂(LiAlO2)的陶瓷填充材料，电解质可采用碱性碳酸盐的化合物。,MCFC的运行温度为600700C，碳酸盐溶解后形成很多碳酸盐离子(CO3负离子)，这些负离子通过电解质填充材料形成离子传导。,MCFC比低温燃料电池转换效率高，可达60，而且其所使用的燃料种类也更灵活。,3.磷酸燃料电池,PAFC是最成熟的燃料电池技术，它采用的电解质是浓度为100的磷酸(H3PO4)，填充材料为碳化硅，运行温度为150200C。,2020/

35、8/7,2-3 燃料电池,如果温度很低，阳极的电催化剂(通常为铂)将产生一氧化碳中毒，并且电解质中的离子传导性能变低。电极通常由特氟纶粘合的铂和碳组成。,4.质子交换膜燃料电池,PEMFC也称为固体聚合物或聚合物电解质燃料电池。,PEMFC的电解质为固体聚合物，通常为硫酸聚合物，质子可从电解质的一面到达另一面。,PEMFC的运行温度比其他燃料电池的运行温度低得多，在90C左右，这主要是因为受到其交换膜的热特性的限制。,5.固体氧化物燃料电池,PEMFC可被一氧化碳污染，使其性能降低、损坏电池催化剂，为使其正常工作，PEMFC需要冷却系统和排水系统。,SOFC的电解质为无毛孔的金属氧化物，如稳定

36、的氧化钇氧化锆(Y2O3-stabilized ZrO2)，其运行温度在6501000C之间。,离子传导是通过氧离子实现的。SOFC的阳极一般为氧化锆钴(Co-ZrO2)或氧化锆镍(Ni-ZrO2)，阴极为亚锰酸盐镧杂质锶。,2020/8/7,2-3 燃料电池,SOFC具有所有固体状态的陶瓷结构所特有的稳定性和可靠性，由于运行温度可达1000C，燃料的选择范围很大，因此将SOFC与热力循环应用相结合。,6.燃料电池的性能比较,2020/8/7,2-3 燃料电池,燃料电池理论上的性能取决于发生在燃料电池内部的电化学反应。,2020/8/7,2-3 燃料电池,燃料电池理论上的性能由它理论上产生的电

37、动势大小决定，此电动势称为能斯特电动势，对于一般的化学反应，有：,能斯特方程可写为,2020/8/7,2-3 燃料电池,氢氧燃料电池的理想标准电动势为1.229V。,值得注意的是某些燃料电池的化学反应产生的电动势随温度降低而增大，这与其他基于热力发动机的发电技术完全不同，这些发电机的性能随着温度降低而减小。,2020/8/7,2-3 燃料电池,由于某些具有损耗的物理处理过程如燃料的传输和化学反应将限制着燃料电池的性能。,具有损耗的物理处理过程有：反应物在气体/电解质交界面的输送；反应物在电解质中的融解；反应物由电解质到电极表面的输送；相同或相异的预电化学反应；电极上活性带电物质的吸附；吸附物质

38、的表面移动；电气充电物质的电化学反应；后期电化学反应表面迁移；产物的吸附；后期电化学反应；产物在电极表面的传送；电解质中产物的变化以及电解质/气体中气体产物的传送等。,与上述化学和物理过程相关的损耗主要出现在燃料电池的三种主要损耗中。,三种主要过电动势损耗是：激励过电动势、欧姆过电动势和浓度过电动势。,激励过电动势极化一般将导致化学反应变慢，抑制化学反应的激励能量；,2020/8/7,2-3 燃料电池,通过燃料电池的电流将受到阻挡而产生欧姆过电动势极化损耗；,浓度过电动势极化由燃料的传送所引起，将导致在电化学反应的表面反应浓度降低。,2020/8/7,2-3 燃料电池,由热力学分析可知，当电极

39、表面的电化学反应的速率受到慢速的电极过程动力学控制时，将发生激励极化。,在电化学反应情况下，激励能量范围为50100mV，由塔斐(Tafel)方程决定：,欧姆极化由离子在电解质中流动和电子通过电极时的阻挡作用引起，主要的损耗是由于离子通过电解质时的阻碍作用，这些损耗可通过缩短电极间距离和增加离子在电解质中的传导来减小。,浓度极化由在电极表面的反应浓度梯度的形成所引起。由于在电极的表面，反应物迅速地消耗掉而不能及时地补充燃料时，将形成浓度梯度。,2020/8/7,2-3 燃料电池,电池总的性能与上述方程中的基本过电动势有关。一般情况下，阴极损耗远远超过阳极损耗，主要是因为在阳极的电化学反应的基本

40、反应物如氢没有氧分子的稳定性好，另外激励过电动势一般大于欧姆过电动势损耗，而在一般的燃料电池的常规工作条件下，欧姆过电动势损耗将大于浓度过电动势损耗。,2020/8/7,2-3 燃料电池,燃料电池的工作参数如温度、压力、反应气体浓度、反应物的利用率和电流密度等参数不仅影响燃料电池的理论电动势，也影响其损耗的大小。,三、燃料电池运行参数分析,2020/8/7,2-3 燃料电池,一般情况下，要求燃料电池运行在满意的工作点，即输出电压高、功率密度低，使燃料电池的运行效率高，运行费用低，即满足高输出功率和低电压，减少电池的运行区域。,燃料电池的工作温度影响着与电池内部发生的电化学反应相关的热能扩散与消

41、失的变化。,当其他参数不变时，工作温度的升高将使燃料电池的性能变差，效率降低。,实际的电池电压由于温度升高，使得某些过电动势减小，从而输出电压增大。,燃料电池的工作压力直接影响着电极表面反应物的浓度变化。,随着工作压力的增加，反应物的部分压力增加，可逆电动势也将增加。,随着电池工作压力的增加，气体燃料的可溶解和燃料的传送速率增加，与反应过程相关的某些过电动势将减小，由于极化引起电解质的损耗将减小，总的系统效率将增加。,2020/8/7,2-3 燃料电池,反应气体的成分对燃料电池性能的影响也很大。,寄生损耗，特别是与空气和燃料的流量相关的寄生损耗将随着工作压力的增加而增大。,反应气体的利用率也强

42、烈影响着燃料电池的性能。,燃料电池一般不设计为100地利用所使用的燃料，而是允许一定比例的燃料出现在整个发生反应的表面区域，否则，燃料将在通过电池的流通管道的尽头之前消耗掉，电池的最后部分将不能产生电压从而降低了总的性能。,燃料电池的工作电流密度也影响电池的性能。,当工作电流小时激励损耗高，并且在电流密度非常大时，浓度损耗也高，而欧姆损耗与工作电流大小成比例。,2020/8/7,2-4 风力发电,风力发电机的主要组成部分为支撑塔、两个或三个叶片的风力涡轮、调向装置、齿轮箱、发电机以及速度测量和控制装置等。新型的风力发电系统还包括电力电子转换控制器、计算机、为改善单机运行性能的蓄电池以及与电网并

43、联运行的传输和并列装置。,一、风电机组工作原理及设计考虑,1.系统组成,风机的支撑塔支撑风轮，包含齿轮箱、发电机、转向机构的机舱以及停止控制装置等。塔的高度约为2050m。,风机叶片可用高密度的木质材料或玻璃纤维和环氧树脂制造，现代的风机一般有两个或三个叶片，由于叶片旋转时产生的离心力和不断的振动引起的叶片疲劳产生的稳定的机械应力使得叶片成为系统中最薄弱的环节。,风机的偏航控制使风轮总是处于迎风位置。理论上应使风机尽可能不偏离迎风位置。在风机偏离风向时，旋转叶片具有很大惯性，将产生很大的回转扭矩，从而产生很大的噪声。,2020/8/7,2-4 风力发电,评估风机额定容量全球还没有统一的标准，这

44、主要是因为风机的输出功率取决于桨叶直径的平方和风速的三次方，在桨叶直径给定的情况下，不同的风速将输出不同的功率。,2.风机的容量,额定容量SRC通常作为风机设计的一个比较指标，其定义为,风机的额定容量是一个重要的参数，它为如何确定发电机、变压器、连接变电站的输电线以及与电网并列的接口等的容量计算提供了依据。,3.电力负荷的匹配,2020/8/7,2-4 风力发电,将机械功率转换为电功率的大小取决于转矩T和风轮角速度的乘积，因此当转速为零时输出功率为零，而在很高的转速但转矩为零时输出功率也为零，在两种情况之间有一个最大输出功率。,风力发电系统应使其负荷与发电机的最大输出功率匹配，使得风轮的转速运

45、行于接近最大功率点的转速。,4.风机的变速运行,叶尖速度比可定义为,风能利用系数Cp是表征风轮机效率的重要参数，它表明风轮机从风中获得的有用能量的比例。风能利用系数Cp定义为,对于给定的风速，风能利用系数Cp随着TSR的变化而变化。,2020/8/7,2-4 风力发电,为实现强风的条件下，获得大的输出功率，风轮也必须高速运转，保持TSR为常数。,系统的三个性能特性与TSR有关：,桨叶中的离心机械应力与TSR的关系成正比例，风轮运转时TSR越大则桨叶承受的离心应力也越大。,带负载时风机的起动能力与TSR成反比，随着TSR的增加，桨,叶产生的起动转矩将减小。,2020/8/7,2-4 风力发电,T

46、SR还与输出最大功率的运行点有关，在特定的TSR值，风能利用系数Cp可达到最大，因此在进行风机的空气动力学设计时，TSR是必须考虑的一个特定参数。,进行风力发电系统设计时必须优化其年输出电能，若要使风机输出最大能量，必须根据风速变化来调节风轮转速，使得在所有运行时间内，TSR等于最大风能利用系数时的数值。,2020/8/7,2-4 风力发电,5.系统设计特征,风力发电系统设计时应综合考虑下述几个方面的问题：,桨叶数量：决定桨叶数量的主要因素有风能利用系数、叶尖速度比、成本、机舱重量、结构动力学特性以及为减少回转疲劳应力限制偏向率的方法等。,风轮迎风或顺风：使风轮在塔的迎风面运行可输出更大的功率

47、，因为消除了塔对桨叶的挡风作用。迎风运行产生的噪声小、桨叶的疲劳应力低且输出功率较平滑。另一方面，顺风运行可采用无偏向系统，且当负荷增加时使桨叶离塔更远。,水平轴或垂直轴：现在绝大多数风机采用水平轴方式。,塔间距离 当在一个风场中建立一组风力发电机时，为了优化总的输出功率，塔和塔之间必须留出一定的距离。塔间距取决于地形、风向、风速和风机的大小。,2020/8/7,2-4 风力发电,6.最大功率点运行,当风机在所有时间内都运行于最大功率点的恒定叶尖速度比时，其年发电量可增加2030，但是这需要一种控制方法使风机变速运行。,恒定叶尖速度比运行：该方法是基于当优化的叶尖速度比在所有风速情况下都保持不

48、变时，风机将输出最大功率。,优化的TSR存储在控制计算机中作为参考的TSR， 不断测,量风速并与叶尖速度比较，得到的误差信号再反馈回控制系统，从而改变风轮的转速，使得误差减小。,缺点：需要测量当地的风速，当风场较大时由于塔的挡风作用可能引起很大的误差。,2020/8/7,2-4 风力发电,峰值功率跟踪运行：风机的输出功率和转速的特性曲线上有一个轮廓非常清晰的峰值点。如果使风机运行在峰值功率点，在当风轮的转速微小地增加或减少时，输出功率将不会变化，这是因为峰值功率点附近曲线很平坦。,该方法对风速测量误差不灵敏，也与风机的风轮设计无关。,7.系统控制要求,转速控制：风力发电系统采用转速控制的主要原

49、因,为获得更大的输出功率。,在强风情况下，为了保护风轮、发电机和电力电子转换器件，使它们不超载。,2020/8/7,2-4 风力发电,当发电机由于故障或调度的需要不带负载时，如果不实现转速控制，将使风轮飞车，损坏机械设备。,2020/8/7,2-4 风力发电,速率控制：转速控制时必须考虑桨叶的转动惯量，为了限制风轮桨叶和轮毂的动态应力以及发电机和电力电子器件的负荷，必须控制风轮的加速度。,二、发电机的驱动,一般情况下，风轮转速低于发电机工作转速，因此，在绝大多数风力发电系统中，必须采用驱动系统将风轮的转速升高。,风机可获得的功率为：,2020/8/7,2-4 风力发电,风力发电系统的转速和功率

50、控制可分为三个不同的区域：优化的恒定Cp区、转速限定区和功率限定区。,1.转速控制区,2020/8/7,2-4 风力发电,单一固定转速驱动：发电机固定转速运行方式适合于感应式发电机，因为感应式发电机本质上为固定转速的发电机，但是风轮的转速较低，而发电机的工作转速则相当高，两者之间的速度匹配采用齿轮箱实现。,2.发电机驱动,缺点：几乎不能根据风能利用系数Cp进行调节使系统工作于Cp的峰值点。,2020/8/7,2-4 风力发电,双速驱动：采用双速驱动可增加发电机电能输出，减少转子电能损耗，发电机的转速随着齿数比的改变而变化，可根据风速的分布选择发电机的运行转速，使年发电量得到优化。,双速驱动经济

51、和有效的方法是采用双速感应式发电机，具有不同磁极数的两个独立的定子绕组的笼型发电机可以运行在两个或更多个具有整数倍关系的转速。,2020/8/7,2-4 风力发电,采用电力电子器件的变速驱动：,现代电力电子变速驱动控制采用电力电子器件将风力发电系统产生变化的电压和频率电能转换为固定的电压和频率，由于电力电子器件价格的降低，此方法得到了广泛的推广应用。,优点：,提供了远程控制功能，适合于近海的风力发电系统。,对于高级的并网可实现非常好的负荷调节，适合于与电网连接较弱的边远地区。,变转差率驱动：通过改变绕线转子感应式发电机的转子电阻或转子电压频率来调节发电机的转差率从而实现调速。,2020/8/7

52、,2-4 风力发电,三、风力发电机组的并网,2020/8/7,2-4 风力发电,将风力发电系统并网运行时其输出电压必须满足下述要求：,电压幅值和相位必须等于所要求的幅值和潮流方向。电压可通过调节变压器的变比或整流/逆变器的触发角来控制。,频率必须非常精确地等于电网的频率，否则系统将不能正常工作。,电网中的同步发电机可为风力发电系统中的感应式发电机提供励磁电流。,断路器合闸之前必须满足下述4个条件：,系统频率尽可能与电网频率接近，一般必须小于1/3Hz。,电压幅值必须与电网电压相匹配。,系统电压和电网电压的相序必须相同。,系统电压和电网电压的相位角必须小于5。,当合上断路器时，系统和电网电压差将

53、产生冲击电流，随着风力发电系统进入与电网同步运行，此冲击电流将按指数规律衰减到零，其时间常数取决于等效电阻和等效感抗。,2020/8/7,2-4 风力发电,设U为断路器合闸瞬间系统电压和电网电压之间的差值，则冲击电流取决于发电机的次暂态电抗，即,冲击电流基本上是无功电流,冲击电流产生的同步功率在发电机振荡过程结束后可使发电机与电网同步运行。,在同步功率作用下，系统中微小扰动引起的发电机功角的摇摆将很快趋于稳定，如果发电机空载运行，同步功率的幅度将达到最大，如果发电机运行在稳定状态的极限稳定平衡点，则同步功率为零。,当风力发电系统与电网同步运行时，必须控制发电机的输出电压和频率。,若发电机采用感

54、应式发电机，则电网也可作为发电机的励磁电源，为发电机提供所需要的无功功率。,2020/8/7,2-4 风力发电,如果发电机采用同步发电机，则其输出电压由转子的励磁电流控制，而当风力发电系统工作于连续的并网工作方式时，不需要频率控制。,在变速感应式发电机风力发电系统中，通常采用逆变器接口与电网并网，逆变器的门控触发信号取自电网电压，这样可保证逆变器的输出电压与电网电压同步。,当风力发电系统所承担的负荷突然大量增加，或当风机起动时其感应式发电机工作于电动机状态时，会造成系统的频率和电压的降低。大型风力发电机采用软起动方式可将上述负荷的暂态响应最小化。,对于由很多风力发电机组组成的风电场，为减小起动

55、时的暂态响应，各发电机可按一定的顺序依次起动。,风力发电系统向电网送电的输电线路的运行极限应考虑电压调节和系统的运行稳定性限制。,2020/8/7,2-4 风力发电,设系统在特定功率因数下带额定负荷，然后将所有负荷移去，并保持始端电压恒定，则此时末端电压上升的百分比可定义为电压调节率，即,电压调节率与负荷功率因数有关，当功率因数不同的情况下若负载电流相同，则电压降相同，但将使始端电压的相位角不同。对于滞后功率因数，电压调节率随功率因数增大而增大，对于超前功率因数，随功率因数增大电压调节率将减小甚至为负。,线路上的潮流方向取决于始端和末端的电压和功角，但是为了保证系统的稳定运行，线路所能传输的最

56、大功率将受到限制。,2020/8/7,2-4 风力发电,线路传输的有功功率的幅值取决与功角。如果0，则潮流从风力发电系统传送到电网，反之，风力发电系统将从电网吸收功率。,线路传送的无功功率取决于始端和末端的电压差，如果UsUr，风力发电系统向电网输送无功功率，反之，风力发电系统将吸收电网的无功功率。,2020/8/7,2-5 能量存储系统,光伏系统和风力发电系统的主要缺点是其输出功率随着气象条件的变化而变化，并且为间歇性的，为保证对负荷的连续供电，必须在分布式发电系统中安装电能存储系统。,一、分布式发电系统中能量存储系统的作用,分布式发电系统中，由于发电机容量较小，因而其旋转动能也小。另外，光

57、伏发电系统和燃料电池系统根本没有旋转动能，因此如果分布式发电系统独立运行，则很难保证系统频率的动态稳定。,分布式发电系统中能量存储系统的主要的作用：,负荷调节作用：能量存储装置可在电力系统的负荷低谷期充电，负荷高峰期放电。,负荷跟踪：超导储能系统、蓄电池储能系统和飞轮储能系统等通过电力电子接口，能够快速跟踪负荷的变化，从而减轻了大型发电机跟踪负荷的需要。,系统稳定：储能装置输出的有功功率和无功功率的迅速变化，可有效地对系统中功率和频率振荡起到阻尼的作用。,2020/8/7,2-5 能量存储系统,自动发电控制：具有AGC的储能装置可有效地减小区域控制误差。,旋转动能存储：具有电力电子接口的储能装

58、置可迅速地增加其电能输出，可作为电力系统中的旋转动能，减少常规电力系统对旋转动能的需要。,VAR控制和功率因数校正：具有电力电子接口的储能装置，在快速提供有功功率的同时可提供迅速变化的无功。,黑起动能力：储能装置可为孤岛运行的分布式发电设备提供起动时所需要的电能。,增加发电设备的效率，减少其维护：储能装置跟踪负荷的能力可使分布式发电机运行于恒定输出功率状态，使发电设备运行于高效率的运行点，从而提高了总的发电效率、发电设备的维护间隔和使用寿命。,延缓了系统对新增的发电容量要求：当储能装置削平了负荷峰值后，即减少了系统对调峰机组的容量的需要。,2020/8/7,2-5 能量存储系统,延缓了系统对新增输电容量的需要：在系统中适当地区配置储能装置，在用电低谷期对它们充电，从而减少了输电线路的峰值负荷容量，有效地增加了输电线路的容量。,提高了发电设备的有效利用率：在用电高峰期，储能装置输出的电力可增加系统的总容量。,二、蓄电池储能系统,1. 蓄电池类型,2020/8/7,2-5 能量存储系统,2.蓄电池的等效电路,分布式发电系统中如果起动大容量的电动机等负荷，蓄电池将快速放电，因此要求蓄电池在短时间内输出可能的最大功率。,3. 蓄电池的性能特征,表征蓄电池的性能特征主要为充电/放电电压、充电/放电比、充放电总效率、充电效率、内阻、运行温升以及充放电次数等参数。,充电/放电电