分布式能源的利用与控制技术

第7章分布式能源的利用与控制技术机械工业出版社2机械工业出版社3机械工业出版社

主要内容7.1分布式能源的特征及其应用7.2天燃气、燃气发电与控制技术7.3氢能、氢燃料电池发电与控制技术7.4分布式能源的综合利用及经济技术评价4机械工业出版社7.1分布式能源的特征及其应用7.1.1分布式能源的特征分布式能源也叫分布式资源〔DER，DistributedEnergyResources〕，是一种能源的分布式应用系统，实现用户端的能源综合利用，相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷--热--电系统以小规模、小容量〔数kW—50MW〕、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷〔Cooling〕、热〔Heating〕、电能〔Power〕的系统。5机械工业出版社

1.分布式能源的定义国际分布式能源联盟〔WADE，WorldAllianceforDecentralizedEnergy〕对“分布式能源〞给出的定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：①高效的利用发电产生的废能生产热和电；②现场端的可再生能源系统；③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些工程的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。6机械工业出版社

国际公认的两个具有开展前途、重要的分布式能源利用形式：微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的主要形式；“燃料电池〞技术，这也是未来主要的分布式能源利用技术之一。7机械工业出版社

微型燃气轮机发电机组8机械工业出版社2.分布式能源主要特征：(1)高效性(2)环保性(3)能源利用的多样性(4)调峰作用(5)平安性和可靠性(6)减少国家输配电投资(7)解决遥远地区供电9机械工业出版社分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气内燃机冷-热-电三联供等多种形式；主要技术有：电能有效利用〔EUEE，EfficientUtilizationofElectricalEnergy〕、智能通信技术〔ICT，InformationandCommunicationsTechnology〕、智能模块〔SmartBox〕、主动网络管理〔ANM，ActiveNetworkManagement〕以及微网〔Micro-Grids〕和智能电网〔Smart-Grids〕，并实现整合预期能源开展的柔性电网〔FENIX，FlexibleElectricityNetworkstoIntegratetheeXpected'energyevolution〕。10机械工业出版社3.分布式能源的综合利用：燃气-蒸汽联合循环发电燃料电池发电--余热利用技术整体煤气化联合循环〔IGCC〕煤炭气化多联产热--电--冷三联产风--光--燃气互补多联产发电等领域。11机械工业出版社7.1.2分布式能源的主要应用形式1.分布式能源转换设备及装置〔1〕小型燃气轮机〔2〕微型燃气轮机〔3〕燃料电池〔4〕微型蒸汽轮机--蒸汽轮机〔5〕微型水轮机和微型抽水蓄能电站〔6〕太阳能发电系统〔7〕风力发电系统〔8〕余热制冷系统〔9〕热泵系统〔10〕能量回收系统12机械工业出版社2.分布式能源中的系统优化技术〔1〕多种能源系统整合优化〔2〕将分布式能源与交通系统整合优化〔3〕分布式能源系统电网接入研究〔4〕储能技术〔5〕地源储能技术〔6〕网络式能源系统13机械工业出版社3.分布式能源中的资源利用技术〔1〕天然气凝结水技术〔2〕将分布式能源与大棚结合的技术〔3〕利用发电制冷的冷却水生产生活热水的技术〔4〕空调系统废热回收技术〔5〕污水水源热泵系统〔6〕小型生物质沼气生产技术14机械工业出版社4.分布式能源的主要应用形式热-电-冷联产技术燃气轮机发电系统微燃气机发电系统氢燃料电池发电系统风力发电系统小水电发电系统太阳能光伏发电系统地热能综合利用热-电联产系统生物质能源发电系统15机械工业出版社7.2天然气、燃气发电与控制技术天然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，一般把甲烷分子含量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物〔MethaneHydrate〕。16机械工业出版社天然气水合物样品纯洁的天然气水合物17机械工业出版社夹杂着白色颗粒状“可燃冰〞的海底沉积物海洋天然气水合物的形成机理

18机械工业出版社7.2.1天然气的特征与利用1.天然气的特征

存在方式：〔1〕占据大的岩石粒间孔隙；〔2〕以球粒状散布于细粒岩石中；〔3〕以固体形式填充在裂缝中；〔4〕大固态水合物伴随少量沉积物。19机械工业出版社气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：〔1〕相同的组合状态的变化——流体转化为固体；〔2〕均属放热过程，并产生很大的热效应；〔3〕结冰或形成水合物时水体积均增大；〔4〕水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；〔5〕冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；〔6〕含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；〔7〕含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。20机械工业出版社分子结构天然气水合物的结构:结构I型:立方晶体结构，仅能容纳甲烷〔C1〕、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架结构II型:菱形晶体结构,除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子〞〔水合物晶体中水分子间的空穴〕还可容纳丙烷〔C3〕及异丁烷〔i－C4〕等烃类结构H型:六方晶体结构，较大的“笼子〞甚至可以容纳直径超过异丁烷〔i－C4〕的分子21机械工业出版社样品C1C2C3i－C4n－C4i－C5n－C5水合物(H)21.29.57.52.517.541.10.8排放气体88.08.02.10.31.20.4＜0.1排放气体88.07.52.20.51.10.6＜0.1水合物(I)71.83.418.85.70.3NDND水合物(II)73.94.916.34.60.2NDND墨西哥巴什山三种气水合物伴生气体ND：未检测到22机械工业出版社2.天然气的综合利用2023年世界各地发电用气占世界天然气消费比例预测23机械工业出版社我国的能源消耗及能源结构19982010202019982010202024机械工业出版社我国天然气的使用结构(2006年)25机械工业出版社我国天然气的现状〔1〕天然气在中国是一种稀缺资源〔2〕中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路〔3〕电力与天然气应统筹安排合理利用〔4〕分布式能源供给体系开展长期滞后26机械工业出版社世界天然气的开展前景世界天然气供给前景27机械工业出版社世界天然气需求趋势28机械工业出版社世界天然气贸易前景29机械工业出版社世界天然气价格展望30机械工业出版社31机械工业出版社我国天然气的利用前景西气东输32机械工业出版社广东LNG工程33机械工业出版社7.2.2小型燃气轮机发电机组燃气轮机按功率分为：大型燃机(100MW以上)

中型燃机(20～100MW)

小型燃机(20MW以下)

微型燃机(小于300kW)

34机械工业出版社燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。轻型燃气轮机重型燃气轮机35机械工业出版社1.燃气轮机的工作原理燃气轮机工作原理燃气轮机优点：效率高、功率大、体积小、投资省、运行本钱低、寿命周期较长等。主要用于发电、交通和工业动力。燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成36机械工业出版社2.燃气轮机的发电方式〔1〕简单循环发电由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。美国GE公司的LM6000PC轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统，其发电效率为43%。我国QD70轻型燃气轮机37机械工业出版社〔2〕前置循环热电联产或发电组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过90%。38机械工业出版社前置循环热电联产工艺示意图39机械工业出版社〔3〕联合循环发电或热电联产组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机〔抽汽式或背压式〕共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将局部发电作功后的废气用于供热。应用：主要用于发电和热电联产。ABB公司的GT26－1产品作为高效率发电的代表性联合循环系统，发电效率到达58.5%。40机械工业出版社〔4〕整体化循环组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统，也称为IGCC。优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供给系统。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整体循环系统，发电效率可到达42%。41机械工业出版社〔5〕核燃联合循环组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反响堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反响堆输出蒸汽。应用：主要是为了提高核反响堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效率，降低蒸汽轮机局部的工程造价。42机械工业出版社〔6〕燃机辅助循环

工作原理:

在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。43机械工业出版社〔7〕燃气烟气联合循环组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热力进一步推动烟气轮机发电。特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机造价较高，还未能广泛使用。44机械工业出版社〔8〕燃气热泵联合循环组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽〔烟气〕热泵组成的能源利用系统。工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热泵。45机械工业出版社应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷利用。特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未来能源利用的主要趋势之一。46机械工业出版社〔9〕燃料电池――燃气轮机联合循环组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮机那么用燃料电池产生的热废气流产生电力。特点：污染少；只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作；发电效率高达55%，燃煤发电效率35%，燃气涡轮机发电效率50%。47机械工业出版社根据国际实际应用经验，开展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联产，是合理利用天然气资源的最正确途径和最有效手段。优势：提高能源利用效率，有效改善环境；提高天然气的储采比；降低开采、输送本钱；实现全系统优化；降低气价、提高用户的市场竞争能力。48机械工业出版社从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是开展单机3～15MW、全厂总装机小于30MW、蒸汽供给能力200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产工程，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。小型燃气轮机热电冷联产的方式极为多样，小型燃气轮机热电联产是全世界新能源开发与利用的趋势。49机械工业出版社3.小型燃气轮机发电的特点小型燃气轮机正在进行三大技术革命：第一是回热利用技术——提高发电效率；第二是永磁发电机与大功率晶体管可控变频技术——保障并网的平安可靠，提高自动化控制能力，降低生产本钱；第三是直接与余热溴化锂空调联合循环技术――省略了锅炉、化学水系统等设备，大大方便了用户。50机械工业出版社发电效率高；环保好；运行方式灵活；耗水少：占地少；建设周期短。燃气轮机联合循环发电的优点：51机械工业出版社我国缺电的边疆、油气田等地区，需要建设燃机电厂；50MW燃煤机组的关停、为符合转改燃机电厂者提供了出路；因环保需要，将燃煤供热厂改造为燃机联合循环热电联供的热电厂；解决天然气供需不平衡的矛盾；东部沿海对引进气源的需求与利用；燃机电厂走向世界；建议采用TD循环技术、走核电与燃气轮机联合循环相结合的发电道路。燃机电厂建设新方向：

52机械工业出版社7.2.3微型燃气机发电机组微型燃气轮机发电是把飞机发动机的燃气轮机小型化，使用天然气等做燃料，产生高温、高压气体，推进发电机发电。技术特征：发电容量小，一般在30至80kW；占地面积少，设备大小犹如一台电冰箱；可以使用各种油、气作燃料；构成“热电并用系统〞，从而提高能源综合利用效率；废气排出少，对环境污染程度较轻；适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。53机械工业出版社美国的卡普斯顿(CAPSTONE)公司已经制造出65kW级微型燃气轮机发电装置，发电效率到达26%，年产量1万台。卡普斯顿燃气轮机54机械工业出版社英国宝曼〔BOWMAN〕公司生产的80KW的燃气轮机BPS微型燃机的主要性能单级径向压缩机低排放环型燃烧器单级径向透平压比4：1

双润滑油系统轴承55机械工业出版社微型燃气轮机发电机涉及5种关键技术：液体或气体燃料；用于发电的透平交流发电机；产生高效热能的热交换器；将电能转换成低压电能供给不同用户的功率调节器；为天然气燃料提供适宜压力的燃气涡轮增压机。56机械工业出版社微型燃气轮机的开展现状开发生产厂商主要集中在：北美、瑞典、英国和日本。具有代表性的厂家：英国的宝曼〔BOWMAN〕公司、美国的卡普斯通〔CAPSTONE〕和霍尼韦尔〔HONEYWELL〕公司。已商业化的容量为25～100kW，目前正在开发200～400kW的微型燃气轮机。我国的现状：我国已经具备一定的研究和生产能力，生产与制造水平有了长足的进步。57机械工业出版社国产QD70燃气轮机主要技术指标：输出功率：7060KW/最大8000KW，热效率31％，空气流量29Kg/s，动力涡轮转速：8300r/min。

58机械工业出版社1.微型燃气轮机的工作原理微型燃气轮机是一种将气体或液体燃料〔如天然气、燃油〕燃烧产生的热能转化为机械能的旋转式叶轮动力机械装置。主要结构有3局部：压气机〔空气压缩机〕、燃烧室、透平〔动力涡轮〕。微型燃气轮机的核心技术包括：利用空气轴承保持一个整体化的高速转子在6～15万r/min状态下运行，驱动小型永磁式中频发电机发电。59机械工业出版社微燃机及其涡轮发电机结构

60机械工业出版社回热系统在回热系统中，透平〔动力涡轮机〕产生的烟气温度很高，通常被排入大气中或再加以回收利用〔如利用余热锅炉进行联合循环〕。微型燃机的余热可用于船舶、汽车动力，制冷、采暖，以及生产净水。通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后，变为低品位的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。为了协调热、电和冷三种动态负荷，实现最正确的整体系统经济性，系统往往需要设置压缩式制冷机和锅炉，甚至蓄能装置等。61机械工业出版社2.微型燃气轮机发电机组的特点〔1〕与往复式燃机相比，微型燃机具有以下优点：结构紧凑、体积小、重量轻、是传统燃机体积的1/4；使用多种燃料、排放低，尤其是使用天然气；可多台组合运行，加上蓄热水柜，能够灵活、可靠地对不断变化中的热、电需求进行适时调节；能通过线和远程计算机通信系统实现自动运行、无需人员值守，运行费用低；燃气不用增压，可以直接从燃气高压管网取气，也可从低压管网送气；62机械工业出版社直燃机可实现热电冷联产，也可通过生产热水，与热水空调组合运行；投资低，用户端的能量利用效率高，设备运行效费比高；环境效益极佳，氮氧化物的排放量仅为25mg／L，是燃气锅炉无法相比的；无振动、寿命长、运行本钱低；设计简单、备用件少、生产本钱低；通过调节转速，即使不是满载负荷运转，效率也非常高。63机械工业出版社〔2〕与电站相比，微型燃气轮机具有以下优势没有或很低的输配电损耗；可防止或延缓增加输配电本钱；利用燃机产生的热烟气可进行高效率的热电联产；适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节，从而增加设备利用率；64机械工业出版社用户可自行控制；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；分布式能源供给系统，具有灵活、平安、清洁、高效的特点；在本钱增加很小的情况下实现增加装机容量，建设周期短、环保压力小、土建和安装本钱低。65机械工业出版社〔3〕主要缺点：技术相对较新，甚至不成熟；发电效率偏低，目前不超过30%；高度依赖信息与电子技术，必须与因特网技术同步开展，依靠网络和无线通信技术获得远程监控与技术支持。66机械工业出版社微型燃气轮机的应用范畴：分布式能源供给系统；移动电站；不间断供电系统；航空工业用地面电力机组；军队、学校、医院、机关、住宅等用户的备用电源；新能源/环保工程〔垃圾填埋/生物应用〕等领域。67机械工业出版社7.2.4微型燃气发电机组的电气系统与控制技术微型燃气轮机发电机组具有灵活使用的特点，结合信息技术及物联网技术，在未来的能源系统中将占据重要的位置。各类电力电子变换电源的构成都离不开有源器件〔电力电子器件、微电子器件〕和无源器件〔电容、电阻、电感和变压器〕，无源器件中的电感、变压器和电容器约占整机电源重量或体积的50%以上。开展趋势：微型燃机发电机组的中频化〔1000Hz以上〕、中压化〔1000V以上〕提高发电机转子转速和输出电压的幅值；降低输出电流、导线直径和发热。68机械工业出版社微型燃机控制与电力变换系统总体结构

69机械工业出版社在开机启动阶段工作原理图启动电动状态蓄电池向逆变器提供直流电封锁触发70机械工业出版社工作阶段流程图71机械工业出版社1.电源变换与控制系统的构成与功能100kW三相AC/DC主变换器〔整流器〕：将三相500～1200Hz、400～900V变化的交流电压经整流变为540V直流电压。100kW三相DC/AC主变换器〔逆变器〕：将540V直流电压逆变为三相50Hz/400V恒频、恒压的工频交流电压；启动时变为500Hz/400V电源。3kW三相DC/AC变换器〔逆变器〕：将540V的直流电压逆变为三相0～50Hz/400V交流变频电源，驱动燃机增压器电动机，控制燃料增压器电动机作变频调速运行，燃机启动阶段由蓄电池供电。72机械工业出版社DC--DC双向〔可逆〕变换器：为蓄电池充电或放电提供双向变换通道，并根据蓄电池的充电特性限制充放电电流。100kW/50Hz三相隔离变压器：具有滤波和隔离作用，同时减缓操作冲击；利用变压器原副边绕组的感性特征，还可对输出电流低通滤波，使其变为平滑的正弦波形；变压器副侧绕组通常Y接、带中心抽头，以便构成三相四线的供电制式。73机械工业出版社2.电源变换与控制系统的技术指标100kW三相AC--DC主变换器：必须选用快速晶闸管；并且触发电路的同步信号必须快速跟踪发电机的电压频率，因此触发电路应具有频率锁相功能。100kW三相DC--AC主变换器：

启动时为发电机提供宽范围的变频电源，驱动发电机作电动运行，频率变化在0～500Hz范围内变化，使发电机实现平稳的软启动；启动结束后，为负载提供50Hz/400V的三相四线制恒频恒压电源；它的工作频率变化范围大，对控制电路PWM调制的动态特性要求高、控制较复杂。74机械工业出版社系统采用微机协调控制和故障诊断：预测可能发生的故障，及时显示、报警，提高系统的可靠性。主要技术经济指标：额定功率为100kW；输出的交流电压有效值为400V/三相四线制；稳态输出电压调整率≤±1％；瞬态输出电压调整率－15%～+20%；启动时电压稳定时间≤1.5s；电压波动率≤0.8%；线电压正弦波形总畸变率≤3%；输出额定频率50Hz；稳态输出频率调整率≤3％；瞬态输出频率调整率≤±7％；启动时频率稳定时间≤5s；频率波动率≤1.0％。75机械工业出版社3.典型单元电路组成及工作原理100kW三相AC--DC变换器

76机械工业出版社100kW三相DC--AC变换器77机械工业出版社3kW三相DC--AC变换器78机械工业出版社蓄电池充放电DC--DC可逆变换器

79机械工业出版社蓄电池在启动过程中，蓄电池为燃机的启动提供驱动电源，为压缩机提供所需动力电源；在正常工作状态下、当负载突变时，蓄电池为输出逆变器提供稳定的电压，起到电力缓冲器的作用。铅酸蓄电池镍镉蓄电池80机械工业出版社4.电网供电及控制电网主接线发电机组电气控制屏热工自动化：控制范围为单循环燃气轮机发电机组、天然气增压站消防水系统、天然气预处理等辅助工艺的监视和控制，另外在设计上留有以后采用联合循环的余地。控制方式分类：集中控制与分散控制。燃气轮机和电站控制：包含有转速与温度保护和控制、升速和减速控制、进气阀控制、入口进气导叶控制、可动静叶片控制、燃气轮机性能监控、启动顺序控制、失速报警和停机保护等。81机械工业出版社5.微型燃机的并网运行与控制〔1〕微型燃机组低频并网逆变系统DC－AC变换低频环节并网逆变器电路结构

82机械工业出版社

a)推挽式b〕推挽正激式DC――AC变换低频环节并网逆变器拓扑族83机械工业出版社c〕半桥式d〕全桥式84机械工业出版社全桥变换式微型燃气机组的低频环节并网逆变系统85机械工业出版社DC--AC/AC—DC—AC三级变换的高频环节并网逆变器电路结构〔2〕燃气机组高频环节并网逆变系统86机械工业出版社

c)推挽式a)单管正激式b)并联交错单管正激式d)推挽正激式DC--AC/AC—DC—AC变换的高频环节并网逆变器拓扑结构(a)、(b)、(c)、(d)适用于低压输入场合87机械工业出版社f〕并联交错双管正激式

e)双管正激式g)半桥式h)全桥式(e)、(f)、(g)、(h)适用于高压输入场合88机械工业出版社〔3〕微型燃气机组高频环节并网逆变系统稳态工作原理全桥式三级变换高频环节并网逆变器高频逆变器采用大功率晶体管GTR〔Vm1～Vm4〕作桥臂开关器件，其缓冲电容为C1～C4；极性反转逆变桥采用晶闸管〔VT1～VT4〕构成并网换流逆变器。89机械工业出版社

从Vm2、Vm3导通到Vm1、Vm4导通的换流过程等效电路90机械工业出版社〔4〕微型燃气机组高频环节并网逆变的控制策略根据燃气机组工作的稳态原理及等效换流过程，确定滤波电感电流iLf在导通与关断时期内变化的大小及其平均值。具体的参数设计如下：设开关频率fS>>fL电网电压频率,电网有功功率为PL、电网电压有效值为UL，那么在一个开关周期TS内，电网电压可看成恒定。在DTS期间，滤波电感电流增大iLf，其上升量为(7－1)91机械工业出版社在(1－D)TS期间，滤波电感电流iLf减小，其下降量为电网电流有效值为极性反转逆变桥直流侧电压Ud02的平均值是：电感电流iLf的平均值是：设并网逆变器的效率为η，那么直流电源电流为：(7－6)(7－2)(7－3)(7－4)(7－5)92机械工业出版社极性反转逆变桥功率晶闸管开关器件VT1～VT4的平均值、有效值电流应力和峰值电压应力分别为：(7－8)(7－7)(7－9)全波整流桥超快恢复二极管VDr1～VDr4的平均电流值、有效电流值和峰值电压应力分别为：(7－10)(7－11)(7－12)93机械工业出版社控制策略：高频环节并网逆变器控制的对象是电感电流燃气机组高频环节并网逆变器控制方案94机械工业出版社7.3氢能、氢燃料电池发电与控制技术7.3.1氢能及其利用1.氢能简介氢是一种理想的新的“含能体能源〞，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。氢有以下特点：氢的重量最轻；氢的导热性最好；氢是最普遍的元素；氢的发热值最高；氢燃烧性能好、点燃快，燃点高，燃烧速度快；氢是最清洁的能源；氢能利用形式多；能以多种形式存在以适应贮运。95机械工业出版社2.氢能的利用

氢是一种理想的航天动力燃料氢是一种理想的车辆动力燃料氢是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料氢是燃料电池的重要燃料96机械工业出版社7.3.2氢燃料电池的特性与分类1.燃料电池按电解质性质不同来区分，有碱性燃料电池〔AlkalineFuelCell，AFC〕、质子交换膜燃料电池〔ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC〕、磷酸燃料电池〔PhosphoricAcidFuelCell，PAFC〕、熔融碳酸盐燃料电池〔MoltenCarbonateFuelCell，MCFC〕、固态氧化物燃料电池〔SolidOxideFuelCell，SOFC〕5种不同电解质的燃料电池。97机械工业出版社2.氢燃料电池工作的根本原理98机械工业出版社99机械工业出版社7.3.3氢燃料电池发电系统的组成与工作原理燃料重整系统空气供应系统控制系统DC--AC变换系统剩气循环系统排热回收系统燃料燃料空气电力热输出（高温燃料电池）100机械工业出版社〔1〕燃料重整系统。将得到的燃料转化为燃料电池能使用的以氢为主成分的一个转换系统。〔2〕空气供给系统。可以使用马达驱动的送风机或空气压缩机。〔3〕DC--AC变换系统。直流到交流的逆变装置。〔4〕排热回收系统。用于回收燃料电池发电时产生的热能。〔5〕控制系统。燃料电池发电是的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置。〔6〕剩余气体循环系统。在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机剩余气体的循环系统。101机械工业出版社氢燃料电池发电系统燃料供给氢燃料处理器氢燃料电池堆DC--DC变换器DC--AC变换器220V/50Hz负载热管理余热回收蓄电池氢燃料电池控制器－空气管理－燃料管理－传感器电力控制器中央动力控制单元H2102机械工业出版社7.3.4氢燃料电池发电系统的控制技术○○燃料电池DC--DC变换器DC--AC变换器AC/220V○○氢燃料电池DC--DC变换器DC--AC变换器AC/220V蓄电池DC--DC双向变换器具有DC--DC变换器的氢燃料电池发电系统具有能量缓冲的氢燃料电池发电系统103机械工业出版社氢燃料电池电源变换的一种主电路拓扑结构104机械工业出版社AC--AC变换主电路拓扑105机械工业出版社7.4分布式能源的综合利用及经济技术评价7.4.1分布式能源的综合利用根据中国《2023年热电联产开展规划及2023年远景开展目标》，在2023~2023年期间每年要增加热电联产装机容量约900万kW，年增加节能能力约800万t标准煤。分布式发电已成为世界电力开展的新方向，它的大规模应用将对能源系统，尤其是电力系统的产业结构调整和技术进步产生深刻的影响，改变能源的生产方式、供给方式和消费方式，给能源产业注入新的活力。106机械工业出版社7.4.2分布式能源的经济技术与可行性评价分布式能源尤其是分布式发电对电力系统和电力用户来说是多用途的，可以作为备用发电容量、调峰容量，也可承担系统的根本负荷，还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。对于电力系统的运行，分布式发电还可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能储藏等作用。107机械工业出版社分布式能源实用化发电技术技术参数内燃机发电微型涡轮发电光伏阵列发电燃料电池发电功率调度能力有有无有容量50kW~5MW25kW~25MW1kW~1MW200kW~2MW效率(%)3529~426~1940~57安装费用/(￥/kW)1200~20502700~60003960021000~30000运行维护费用/(￥/kW·h)0.080.03-0.0380.006-0.0240.012NOx/(kg/kJ)天然气0.30.1－0.003~0.02油3.70.17－－技术状态商业化大容量商业化商业化商业化108机械工业出版社不同发电技术的空气污染排放具体数据采用的技术

污染物NOx/(g/kW·h)CO2/(g/kW·h)CO/(g/kW·h)SO2/(g/kW·h)常规发电煤

0.1~255.90.07~2.55天然气

0.005~131.70.3残余燃料油

0.05~146.8分布式能源发电微型涡轮发电机

0.41190.110.0006内燃发电机(汽油)3.11190.790.0015内燃发电机(柴油)2.81501.50.3氢燃料电池

0.0030.0204109机械工业出版社从中国利用天然气的现实情况出发，创造一条高效利用天然气的独特道路是——不建过渡性的大型燃气电厂，走直接置换小煤热电，小油电，燃煤锅炉、燃煤窑炉和民用燃气的道路。微型燃气机组发电系统有必要开展和推广；微燃机组发电不一定非要使用优质、清洁的天然气作为燃料，可以大力开展生物质沼气、气化煤等新能源。110机械工业出版社英国宝曼微燃机Bowma