风力发电讲义_20131208_第5章.ppt

2020 1 17 上海第二工业大学 1 一 同步发电机并网的并网运行同步发电机的主要优点 可以向电网或负载提供无功功率 它不仅可以并网运行 也可以单独运行 满足各种不同负载的需要 同步发电机的缺点 它的结构以及控制系统比较复杂 成本相对于感应发电机也比较高 同步发电机并网方法1 自动准同步并网准同步并网必须满足以下四个条件 l 发电机的电压等于电网的电压 且电压波形相同 2 发电机的电压相序与电网的电压相序相同 3 发电机频率fs与电网的频率f1相同 4 并联合闸瞬间发电机电压相位与电网电压相位一致 准同步并网时 不会产生冲击电流 及电网电压的下降 也不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损坏 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 2 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 3 起动和并网过程如下 风向传感器测出风向 使偏航系统动作 使机组对准风向 当风速超过切入风速时 桨距控制器调节桨距角 风力机起动 当发电机被风力机带到接近同步转速时 励磁调节器动作 向发电机供给励磁 并调节励磁电流使发电机端电压接近电网电压 在发电机被加速 几乎达到同步转速时 发电机的电动势或端电压的幅值将大致与电网电压相同 它们频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0 和360 的范围内缓慢地变化 检测出断路器两侧的电位差 当其为零或非常小时 就可使断路器合闸并网 由于自整步的作用 合闸后只要转子转速接近同步转速就可以将发电机牵入同步 使发电机与电网的频率保持完全相同 以上过程可以通过微机自动检测和操作 2020 1 17 上海第二工业大学 4 2 自同步并网自同步并网就是同步发电机在转子未加励磁 励磁绕组经限流电阻短路的情况下 由原动机拖动 待同步发电机转子转速升高到接近同步转速 约为80 90 同步转速 时 将发电机投入电网 再立即投入励磁 靠定子与转子之间电磁力的作用 发电机自动牵入同步运行 自同步并网方法的优点 不需要复杂的并网装置 并网操作简单 并网过程迅速自同步并网方法的缺点 1 合闸后有电流冲击 通常冲击电流不会超过同步发电机输出端三相突然短路时的电流 2 电网电压会出现短时间的下降 应用 当电网出现故障并恢复正常后 需要把发电机迅速投入并联运行时 经常采用这种并网方法 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 5 自同步过程注意点 如果发电机是在非常接近同步转速时投入电网 则应迅速加上励磁 以保证发电机能迅速被拉入同步 而且励磁增长的速率愈大 自同步过程也就结束的愈快 在同步发电机转速距同步转速较大时投入电网 应避免立即迅速投入励磁 否则会产生较大的同步力矩 并导致自同步过程中出现较大的振荡电流及力矩 调速系统是用来控制风力机转速 即同步发电机转速 及有功功率的 励磁系统是调控同步发电机的电压及无功功率的 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 6 二 异步发电机的并网运行当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种 1 直接并网 只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下 并网过程 当风速达到起动条件时风力发电机组起动 感应发电机被风力机驱动带到同步转速附近时 一般为同步转速的98 100 即可自动并入电网 并网时发电机的相序与电网的相序相同 自动并网的信号由测速装置给出 而后通过自动空气开关合闸完成并网过程 显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单 因为发电机并网时本身无电压 所以并网时必将伴随一个过渡过程 流过额定电流5 6倍的冲击电流 一般零点几秒后即可转入稳态 虽然感应发电机并网时的转速对过渡过程的时间有一定影响 但一般来说问题不大 所以对风力发电机并网合闸时的转速要求不是非常严格 并网比较简单 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 7 风力发电机组与大电网并联时 合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网的安全运行不会有太大的影响 对于小容量的电网系统 并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌 从而影响电网上其他电器设备的正常运行 甚至会影响到小电网系统的稳定与安全 为了抑制并网时的冲击电流 可以在感应发电机与三相电网之间串接电抗器 使系统电压不致下跌过大 待并网过渡过程结束后 再将其短接 2 降压并网 适用于百千瓦级以下 容量较大的机组这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器 以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度 因为电阻 电抗器等元件要消耗功率 在发电机并入电网以后 进入稳定运行状态时 必须将其迅速切除 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 8 3 通过晶闸管软并网对于较大型的风力发电机组 目前比较先进的并网方法是采用双向晶闸管控制的软并网法 如图所示 这种并网方法是在感应发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来 三相均有晶闸管控制 双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联 接入双向晶闸管的目的是通过控制晶闸管的导通角 将发电机并网瞬间的冲击电流值限制在规定的范围内 一般为1 5倍额定电流以下 从而得到一个平滑的并网暂态过程 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 9 并网过程如下当风力发电机组接收到由控制系统内微处理机发出的启动命今后 先检查发电机的相序与电网的相序是否一致 若相序正确 则发出松闸命令 风力发电机组开始启动 当发电机转速接近同步转速时 约为99 100 同步转速 双向晶闸管的控制角同时由180 至0 逐渐打开 双向晶闸管的导通角由0 至180 逐渐增大 此时并网自动开关未动作 动合触头未闭合 感应发电机即通过晶闸管平稳地并入电网 随着发电机转速继续升高 电机的滑差率渐趋于零 当滑差率为零时 并网自动开关动作 动合触头闭合 双向晶闸管被短接 感应发电机的输出电流将不再经双向晶闸管 而是通过已闭合的自动开关触头流入电网 在发电机并网后 应立即在发电机端并入补偿电容 将发电机的功率因数提高到0 95以上 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 10 三 双速异步发电机的并网运行 一 双速异步发电机双速异步发电机是指具有两种不同的同步转速 低同步转速及高同步转速 的电机 一般1000r min和1500r min异步电机的同步转速与异步电机定子绕组的极对数及所并联电网的频率的关系 只要改变异步电机定子绕组的极对数 就能得到不同的同步转速改变电机定子绕组的极对数的三种方法 1 两台异步电机 它们定子绕组极对数不同的 2 定子绕组采用双绕组的双速电机 3 单绕组双速电机 即靠改变一台电机的定子绕组的连接方式获得不同的极对数转子为鼠笼式的 因鼠笼式转子能自动适应定子绕组极对数变化 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 11 三 双速异步发电机通过晶闸管软并网1 晶闸管软并网的方法作用 1 限制启动并网时的冲击电流 2 限制功率切换时的瞬变电流 在低速 低功率输出 与高速 高功率输出 绕组相互切换过程中 双速异步发电机启动并网及高低输出功率的切换信号皆由计算机控制 如图所示 2 双速异步发电机的并网过程 l 低速启动并网过程 当风速传感器测量的风速达到启动风速 如3 0 4 0m s 以上 并连续维持达5 10min时 控制系统计算机发出启动信号 风力机组开始启动 发电机为小容量低速绕组 例如6极 l000r min 根据预定的启动电流值 当转速接近同步速时 通过晶闸管接入电网 异步发电机进入低功率发电状态 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 12 2 高速启动并网过程 若风速传感器测量的1min平均风速远超启动风速 如7 5m s 则风力机组启动后 发电机被切换到大容量高速绕组 如4极1500r min 当发电机转速接近同步转速时 根据预定的启动电流值 通过晶闸管接入电网 异步发电机直接进入高功率发电状态 3 双速异步发电机的运行控制双速异步发电机的运行状态 即高功率输出或低功率输出 是通过功率控制来实现的 1 小容量电机向大容量电机的切换当小容量发电机的输出功率在一定时间内平均值达到某一设定值 例如小容量电机额定功率的75 左右 通过计算机控制将自动切换到大容量电机 切换过程 发电机暂时从电网中脱离出来 风力机转速升高 根据预先设定的启动电流值 当转速接近同步速时通过晶闸管并入电网 由低速向高速的切换 故该过程在电动机状态下进行 第四章风力发电系统的构成及运行分析第二节并网运行的风力发电系统 2020 1 17 上海第二工业大学 13 2 大容量电机向小容量电机的切换当双速异步发电机在高输出功率 即大容量电机 运行时 若输出功率在一定时间内 如5min 平均下降到小容量电机额定容量的50 以下时 通过计算机控制系统 双速异步发电机将自动由大容量电机切换到小容量电机 即低输出功率 运行 切换必须注意 当大容量电机切出 小容量电机切入时 异步发电机将处于超同步转速状态下 小容量电机在切入 并网 时所限定的电流值应小于小容量电机在最大转矩下相对应的电流值 否则异步发电机会发生超速 导致超速保护动作而不能切入 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 14 四 转子电流受控的异步发电机与电网并联运行1 普通滑差恒定的异步发电机在风速变化时为了维持发电机的输出功率不超过额定值 一般通过风轮叶片失速效应或调节风力机叶片的桨距来维持机组转速不变实现 但是根据风能利用系数与叶尖速比的关系曲线可知 这将导致风电机组的效率降低2 转子电流受控 滑差可调 的绕线式异步发电机的作用 通过改变滑差率 使发电机在一定的风速范围内 以变化的转速运转 同时发电机输出额定功率 即不调节风力机叶片桨距而维持其额定功率输出 即 1 避免了风速频繁变化时的功率起伏 改善输出电能的质量 2 同时也减少了变桨距控制系统的频繁动作 提高了风电机组运行的可靠性 延长使用寿命 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 15 风能利用系数CP与叶尖速比 TSR 的关系曲线 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 16 3 变桨距风力机 滑差可调异步发电机的启动与并网 变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态 即风力发电机组的起动状态 转速控制 欠功率状态 不控制 和额定功率状态 功率控制 1 起动状态变距风轮的桨叶在静止时 节距角为90 这时气流对桨叶不产生转矩 整个桨叶实际上是一块阻尼板 当风速达到起动风速时 桨叶向0 方向转动 直到气流对桨叶产生一定的攻角 风轮开始起动 在发电机并入电网以前 变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制 转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值 变桨距系统根据给定的速度参考值 调整节距角 进行所谓的速度控制为了确保并网平稳 对电网产生尽可能小的冲击 变桨距系统可以在一定时间内 保持发电机的转速在同步转速附近 寻找最佳时机并网 在主电路中也采用了软并网技术 2020 1 17 上海第二工业大学 17 2 欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后 由于风速低于额定风速 发电机在额定功率以下的低功率状态运行 早期的变桨距风力发电机组 对欠功率状态不加控制 这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同 其功率输出完全取决于桨叶的气动性能 近年来 新型变桨距风力发电机组 为了改善低风速时桨叶的气动性能 根据风速的大小 调整发电机转差率 使其尽量运行在最佳叶尖速比上 以优化功率输出 这种优化只是弥补了变桨距风力发电机组在低风速时的不足之处 2020 1 17 上海第二工业大学 18 3 额定功率状态当风速达到或超过额定风速后 风力发电机组进入额定功率状态 在传统的变桨距控制方式中 将转速控制切换到功率控制 即变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制 控制信号的给定值是恒定的 即额定功率 功率反馈信号与给定值进行比较 当功率超过额定功率时 桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度 反之则向迎风面积增大的力向转动一个角度 缺点 响应速度受到限制 对快速变化的风速 通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想 最新设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中 变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制 通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制 当风速高于额定风速时 允许发电机转速升高 将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来 速转降低时 再将动能释放出来 使功率曲线达到理想的状态 2020 1 17 上海第二工业大学 19 三 滑差可调的异步发电机的功率调节具有转子电流控制器的滑差可调异步发电机与变桨距风力机配合时的控制原理如图所示 变桨距风力机 滑差可调异步发电机的启动并网运行状况如下 1 图中S代表机组启动并网前的控制方式 属于转速反馈控制 当风速达到启动风速时 风力机开始启动 随着转速的升高 风力机的叶片节距角连续变化 使发电机的转速上升到给定转速值 同步转速 继之发电机并入电网 2 图中R代表发电机并网后的控制方式 即功率控制方式 当发电机并网后 发电机的转速由于受到电网频率的牵制 转速的变化表现在电机的滑差率上 风速低于额定风速时时 发电机的滑差率较小 通过转速控制环节 功率控制环节及RCC控制环节将发电机的滑差调到最小 滑差率在l 即发电机的转速大于同步转速l 同时通过变桨距机构将叶片攻角调至零 并保持在零附近 以便最有效地吸收风能 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 20 变桨距风力机 滑差可调异步发电机控制原理框图 发电机转子电流控制器 高于ns3 4 并网前控制 并网后控制 2020 1 17 上海第二工业大学 21 3 当风速达到额定风速时 发电机的输出功率达到额定值 4 当风速超过额定风速时 如果风速持续增加 风力机吸收的风能不断增大 风力机轴上的机械功率输出大于发电机输出的电功率 则发电机的转速上升 反馈到转速控制环节后 转速控制输出将使变桨距机构动作 改变风力机叶片攻角 以保证发电机为额定输出功率不变 维持发电机在额定功率下运行 5 当风速在额定风速以上 风速处于不断的短时上升和下降的情况时 发电机输出功率的控制状况如下 当风速上升时 发电机的输出功率上升 大于额定功率 则功率控制单元改变转子电流给定值 使异步发电机转子电流控制环节动作 调节发电机转子回路电阻 增大 增大异步发电机的滑差 绝对值 发电机的转速上升 发电机转子的电流将保持不变 发电机输出功率也将维持不变 由于风力机的变桨距机构有滞后效应 叶片攻角通常来不及变化 反之亦然 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 22 五 变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采用风力机叶片桨距可以调节及变速运行的方式 必须采用在变速运转时能发出的恒频恒压电能的发电机 才能实现与电网的连接 变速恒频发电系统 将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用最新电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来的系统 一 系统组成 如图所示 1 频率的控制 控制发电机转子电流的频率大小来实现当风速降低时 风力机转速降低 异步发电机转子转速也降低 转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速ns 定子绕组感应电动势的频率f低于f1 50Hz 同时测速装置立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路 使转子电流的频率增高 则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速ns 使定子绕组感应电势的频率f又恢复到额定频率f1 50Hz 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 23 同理 当风速增高时 则使转子电流的频率降低 使定子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率f1 当异步电机转子转速等于同步转速时 此时转子电流的频率应为零 即转子电流为直流电流 此时双馈异步发电机变为普通同步发电机运行 2 电压的控制 控制发电机转子电流的大小来实现当发电机的负载增加时 发电机输出端电压降低 此信息由电压检测获得 并反馈到控制转子电流大小的电路 也即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角 使导通角增大 从而使发电机转子电流增加 定子绕组的感应电动势增高 发电机输出端电压恢复到额定电压 反之 当发电机负载减小时 使转子电流减小 定子绕组输出端电压降回至额定电压 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 24 二 变频器及控制方式在双馈异步发电机组成的变速恒频风力发电系统中 异步发电机转子回路中可采用不同类型的循环变流器作为变频器 1 采用交一直一交电压型强迫换流变频器2 采用交一交变频器3 采用脉宽调制 PWM 控制的由IGBT组成的变频器 三 系统的优越性 l 该变速恒频发电系统控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化 实现优化风力机叶片的桨距调节 可减少风力机叶片桨距的调节次数 2 可降低风力发电机组运转时的噪声水平 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 25 3 可以降低机组剧烈的转矩起伏 减小所有部件的机械应力 为减轻部件质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证 4 风力机的运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值 使风力机的Cp值得到优化而提高系统效率 5 可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出 达到优化系统内的电网质量 同时减小发电机温度变化 6 与电网连接简单 并可实现功率因数的调节 7 可实现独立 不与电网连接 运行 几个相同的独立运行机组也可实现并联运行 8 该变速恒频系统内变频器的容量一般为发电机额定容量的1 4 1 3 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 26 六 变速风力机驱动交流发电机经变频器与电网并联运行如图所示 该风力发电系统中 风力机为变速运行 因而交流发电机发出的为变频交流电 经整流 逆变装置 AC DC AC 转换后获得恒频交流电输出 再与电网并联 因此这种风力发电系统也是属于变速恒频风力发电系统 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 27 七 风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行特点 采用了低速 多极 交流发电机 不需要安装升速齿轮箱 为无齿轮箱的直接驱动型 如图4 14所示 优点 l 不采用齿轮箱 大大减小了机组水平轴向长度 缩短了机械传动路径 避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗 噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题 延长机组的工作寿命 2 避免了齿轮箱部件的维修及更换 不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控 因而提高了投资的有效性 3 发电机具有大的表面 散热条件更有利 可以使发电机运行时的温升降低 减小发电机温升的起伏 第5章风力发电机组运行5 1风力发电机组的并网运行 2020 1 17 上海第二工业大学 28 一 风力一柴油发电联合运行的目的 目标 影响因素目的 向电网覆盖不到的地区 如海岛 牧区等 提供稳定的不间断的电能 减少柴油的消耗 改善环境污染状况 目标 l 能提供符合电能质量标准的电能 2 有较好的柴油节油效果 3 优化系统的运行工况 尽可能多地利用风能 避免柴油机低负荷运行 减少柴油机启停次数 4 设备管理维护良好 减少故障停机 降低成本及电价 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 29 影响因素 1 系统建立地点的风能资源状况 包括风速 风频 紊流等情况以及其他气象条件 如气温 湿度 沙尘 盐雾等 2 系统内负荷的性质及变化情况 3 系统选用的风力发电机及柴油发电机的性能 4 系统内有无蓄能装置 5 系统的运行方式及控制策略 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 30 二 风力 柴油联合发电系统的结构组成基本结构组成框图如图4 17所示但根据不同地区 不同负荷性质 不同供电方式而演化成几种不同形式 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 31 一 风力 柴油发电并联运行系统优点 结构简单 可实现连续供电缺点 由于柴油机始终不停地运转 即使在风力较强 负荷较小的情况下也必须运转 以供给异步发电机所需要的无功功率 故柴油的节省效果低 系统要求 柴油发电机的容量与异步风力发电机的容量之比应大于或等于2 l 此比值愈大 则柴油机并网瞬间电网电压的下降幅度愈小 系统愈安全稳定 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 32 二 风力一柴油发电交替运行系统及负载控制如图所示为风力一柴油发电交替运行系统图用户负荷分类 优先负荷 一般负荷及次要负荷等三类系统运行方式 根据风力的变化实行负载控制 自动接通或断开某些负荷 以维持系统的平衡 当风力较弱 对第一类负荷也不能保证供给时 则风力发电机退出运行 柴油发电机自动启动并投入运行 风力增大并足以供给第一类 优先 负荷的电能时 则柴油机退出运行 自动停机 风力机自动启动 投入运行 优点 可以充分地利用风能 柴油机运转的时间被大大减少 能达到尽可能多地节约柴油的目的 缺点 交替运行会造成短时间内用户供电中断 而柴油机的频繁启停易导致磨损加快 负荷频繁通断可能造成对电器的危害 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 33 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 34 三 集成的风力一柴油发电并联运行系统如图所示优点 风力机可以在变速下运行 优化风力机运行的Cp值 有效利用风能 可以实现恒频恒压输出及平抑功率起伏的作用 缺点 AC DC AC装置中的电力电子器件的费用较高 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 35 四 具有蓄电池的风力 柴油发电联合运行系统结构特点 1 在系统组成中增加了蓄能电池及与之串接的双向逆变器 2 在柴油机与同步发电机之间装有一个电磁离合器 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 36 系统运行 在风力变化时能自动转换 实现不同的运行模式 1 当风力较强时 来自风力及柴油发电机的电能除了向用户负荷供电外 多余的电能经双向逆变器可向蓄电池充电 2 当短时内负荷超出系统总功率时 则可由蓄电池经双向逆变器向负荷提供所缺欠的电能 3 当风力很强时 电磁离合器使柴油机与同步发电机断开 并停止运转 同步发电机由蓄电池经双向逆变器供电 变为同步补偿机运行 向网络内的异步风力发电机提供所需的无功功率 4 当风力减弱时 电磁离合器使柴油机与同步发电机连接并投入运行 优点 蓄电池短时投入运行 可弥补风电的不足 而不需启动柴油发电机发电来满足负荷所需电能因此节油效果较好 柴油机启停次数可减少 缺点 投资高 发电成本及电价皆比常规柴油发电要高 第5章风力发电机组运行5 2风力发电柴油发电联合联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 37 一 中国的太阳能资源太阳的能量是从四面八方 不断向宇宙空间辐射出巨大能量 每秒钟投射到地球上的能量约为1 757 10 17J 相当于6 l0 6t标准煤 中国的太阳能资源十分丰富 据估算 我国陆地面积接收的太阳辐射量在3 3 10 3 8 4 10 6KJ m2 a 之间 中国陆地每年的太阳辐射能约为50 10 18千焦 相当于2 4 10 4亿t标准煤 全国总面积2 3以上地区年日照时数大于2000h 日照在5 10 6kJ m2 a 以上 中国太阳能资源分布状况如表5 1所示 P135 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 38 2020 1 17 上海第二工业大学 39 二 太阳光电池太阳光电池是一种利用光电效应直接将太阳辐射能转换成电能的金属半导体器件 它直接将太阳辐射能转换成直流电 是光伏发电的最基本单元 光电效应是金属半导体在光的照射下释放出电子的现象 太阳光电池结构 如图 目前应用最广的属晶体硅太阳光电池太阳光电池原理 如图 它由P型 空穴型 半导体和N型半导体材料组成 其厚度大约0 35mm 相应分为两个区域 一个正电荷区 一个负电荷区 P型与N型半导体连接在一起时 在其交界处发生电子和空穴的扩散运动 形成内电场 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 40 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 41 当太阳光照到此PN结半导体器件上时 半导体内的原子由于接受太阳辐射能而释放电子 并相应地产生空穴 电子和空穴在内电场作用下 聚集到N区和P区 产生光生电场 形成电动势 即太阳光电池 当用金属线将太阳光电池的正负极与负载相连时 在外电路就形成了电流 每个太阳光电池基本单元p n结处的电动势大约0 5V 此电压值大小与电池片的尺寸无关 太阳光电池的输出电流受自身面积和日照强度的影响 太阳辐射强 面积较大的电池能够产生较强的电流 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 42 目前大多数太阳光电池是硅半导体器件 硅太阳光电池在使用时有四种安排方式 硅太阳光电池单体 0 5v 硅太阳光电池组件太阳光电池板硅太阳光电池方阵 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 43 太阳光电池组件的串联和并联 混联 2020 1 17 上海第二工业大学 44 太阳光电池方阵 2020 1 17 上海第二工业大学 45 太阳光电池方阵太阳光电池方阵由多个太阳光电池组件用导线连接而成 以产生所需要的电压和电流 安装方阵时应面板朝南 在地球的北半球 并与地平面保持一定的角度 在晴天太阳正午时 每平方米方阵能接收的太阳辐射强度最多为1000W 太阳光电池方阵可将大约10 20 的太阳辐射转变为电能 即每平方米方阵面积的峰值功率接近100 200w 地球相对于太阳的位置每天都在改变 方阵接收到的太阳日辐射量也随之变化 因此输出功率不是一个稳定值 产生最大功率的几率比较小 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 46 太阳光电池方阵二极管的作用当太阳光电池组件在方阵中组合时 阴影的存在会减少组件的输出 这将严重地影响整个方阵的输出 通过使用二极管可以将这一影响减到最小 多数厂商在太阳光电池组件里安装了旁路二极管 以旁路被遮光的太阳光电池的电流 这样可减少阴影的影响 二极管是一个半导体器件 只允许电流在一个方向通过 在光伏系统中 二极管有着不同的用途 1 阻塞二极管阻塞二极管 亦称屏蔽二极管 置于组件或电池板和蓄电池之间的正极性线路上 见图 夜间或阴天时防止蓄电池电流回流到方阵 有些控制器已经装有二极管或可实现这一功能的防反充电路 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 47 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 48 2 旁路二极管旁路二极管 亦称分路二极管 同太阳光电池或组件并联 见图 当电池板出现阴影或损坏时用来旁路该电池或组件 转移流经该电池或组件的电流 多数组件在出厂前已预联旁路二极管 当方阵电压不高于48V时 一般已能满足要求 在大型方阵中当一个电池板的一串组件发生故障时 其他正常电池板的电流可经由旁路二极管形成通路 以保证整个方阵仍可正常工作 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 49 3 隔离二极管在方阵工作电压较高 大于48V 时 应安装隔离二极管 如图所示 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 它的作用是当方阵中的某支路出现故障时 二极管将正常运行支路与故障支路隔离 以保证整个方阵仍可正常工作 方阵装有隔离二极管后 蓄电池充电回路或控制器不再设置防反充阻塞二极管 2020 1 17 上海第二工业大学 50 三 太阳光发电系统太阳光发电系统 由太阳光电池组成的太阳光电池方阵 阵列 供电系统太阳光发电系统的运行方式 并网连接运行独立运行与风力发电系统联合运行独立运行的太阳光发电系统组成 太阳光电池方阵 阳光跟踪系统 电能储存装置 蓄电池 控制装置 辅助电源及用户负荷等 如图所示电源 由阳光电池方阵 电能储存装置 蓄电池 辅助电源电能调节及保护装置 防反充阻断二极管 斩波器 向直流负荷供电 逆变器及配电设备等 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 51 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 52 风力与太阳光发电联合运行系统1 风力与太阳光联合发电的优缺点风 光联合发电即是一种多能互补的发电方式 特别是我国属于季风气候区 一般冬季风大 太阳辐射强度小 夏季风小 太阳辐射强度大 正好可以相互补充利用 1 优点1 风力与太阳光联合发电系统同时利用太阳能和风能发电 因此对气资源的利用更加充分 可实现昼夜发电 在合适的气象资源条下 联合发电系统可提高系统供电的连续性 稳定性和可靠性 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 53 2 单位容量的系统初投资和发电成本均低于独立的光伏系统 如果太阳能与风能资源互补性好 则可适当减少系统的蓄电池组容量 3 在太阳能 风能资源比较丰富 且互补性好的情况下 对系统的部件配置 运行模式及负荷调度方法等进行优化设计后 系统负载只靠光伏 风力互补发电即可获得连续 稳定的供电 备用柴油发电机组可以不启动或很少启动 这样的光 风互补发电系统会有更好的经济和社会效益 2 缺点l 风力与太阳光联合发电系统与单一风力发电或光伏发电相比 系统设计复杂 对系统的控制和管理要求较高 2 由于风力与太阳光联合发电系统存在着两种类型的发电单元 与单一发电方式相比 增加了维护工作的难度和工作量 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 54 2020 1 17 上海第二工业大学 55 2 风力与太阳光联合发电系统的构成光伏 风力互补发电系统的主要部件包括 1 太阳光电池方阵 在金属支架上用导线连在一起的多个太阳光电池组件的集合体 产生负载所需要的电压和电流 2 风力发电机组 可独立运行的风力发电机系统 风电机组 3 耗能负载 持续大风时 用于消耗风电机组发出的多余电能 4 蓄电池组 由若干台蓄电池经串联组成的储存电能的装置 5 控制器 对蓄电池进行充电控制和过放电保护 调节与分配系统输入输出功率 以及系统赋予的其他监控功能 6 逆变器 将直流电转换为交流电的电力电子设备 7 交流负载 以交流电为动力的装置或设备 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 56 根据太阳能和风能资源的不同 在光伏 风力互补发电系统光伏与风力发电容量的配置不同 主要有以下几种类型 1 光伏 风力联合发电系统 光伏发电为主 风力发电为辅 适合于太阳能资源丰富 风能资源仍可利用的地区 2 风力 光伏互补发电系统 风力发电为主 光伏发电为辅 适合于风能资源非常丰富 阳能资源仍可利用的地区 3 带有备用柴油发电机的风力 光伏 柴油机互补发电系统 称风 光 柴互补系统 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 57 四 风力一太阳光发电联合运行系统的设计步骤设计风力一太阳光发电系统的步骤如下 1 汇集及测量当地风能资源 太阳能资源 其他大气及地理环境数据 2 当地负荷状况 3 确定风力发电及太阳光发电分担的向负荷供电的份额 4 由确定的负荷份额计算风力发电及太阳光发电装置容量 5 选择风力发电机及太阳光电池阵列的型号 确定及优化系统结构 6 确定系统内其他部件 蓄电池 整流器 逆变器及控制器 辅助后备电源等 7 编制整个系统的投资预算及计算电度 kwh 发电成本 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 58 五 太阳光电池方阵容量的确定一般应按用户负荷所需电能全部由光电池供给来考虑确定太阳光电池方阵容量 一 确定太阳光电池方阵内太阳光电池组件的串联个数设太阳光电池对蓄电池的浮充电压值为UF 则有式中 Uf为根据负载的工作电压确定的蓄电池在浮充状态下所需电压 Ud为线路损耗及防反充二极管的电压降 Ut为太阳电池工作时温升导致的电压降 假设太阳光电池单体 或组件 的工作电压为Um 则太阳光电池组件的串联数为 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 59 二 确定太阳光电池方阵内太阳光电池组件并联个数太阳光电池单体 或组件 的并联个数NP可按右式计算 即式中 QL为负载每天耗电量 H为平均日照时数 Im为太阳光电池单体 或组件 平均工作电流 为蓄电池的充 放电效率修止系数 FC为其他因素修正系数 三 确定太阳光电池方阵的容量 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 60 六 风力 太阳光发电系统的结构风力 太阳光发电联合供电系统的构组成型式如图所示 该系统根据风力及太阳辐射的变化情况可在三种模式下运行风力一太阳光发电系统的运行模式 1 风力发电机独自向负荷供电 2 风力发电机及太阳光电池方阵联合向负荷供电 3 太阳光电池方阵独立向负荷供电 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 61 第5章风力发电机组运行5 3风力 太阳光发电联合运行 2020 1 17 上海第二工业大学 62 风能是一种不稳定的能源 如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行 风力发电装置本身难以提供稳定的电能输出 为解决风力发电稳定供电的问题 目前国内外比较一致的看法是 大型风力发电机 1000千瓦以上 并网运行 中型风力发电机 从几十千瓦到几百千瓦 并网运行 或者与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行 小型风力发电机 10千瓦以下 主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行 第5章风力发电机组运行5 3风力 太