《新能源发电与控制技术 第4版》 课件 第8章 新能源应用技术

1机械工业出版社第8章新能源应用技术2机械工业出版社主要内容电动汽车技术8.1多电飞机8.2新能源空铁技术8.3新能源船舶技术8.4新能源助力电力行业碳中和实现8.58.1电动汽车技术为迎接可持续交通的挑战及解决能源和环保问题，目前，各大研究机构和汽车制造商针对电动汽车的研发和推广，主要集中发展三类电动汽车，分别是蓄电池纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。8.1.1电动汽车的特点蓄电池纯电动汽车使用电动机作为动力，以蓄电池作为能源存储单元，用电力作为能源。纯电池电动汽车结构上主要由电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统三个子系统构成。电力驱动子系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置;能源子系统包括能量源（电源）、能量单元以及能量控制单元;辅助子系统包括助力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。蓄电池纯电动汽车的特点是无排放、不依赖汽油，但是由于蓄电池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多，因此纯电池电动汽车的连续行驶里程有限。3机械工业出版社混合动力电动汽车采用内燃机和电动机作为动力，燃油和蓄电池作为能源，蓄电池可由汽车中内燃机驱动发电机充电。因为同时有多个能量源，混合动力电动汽车设计中的主要问题在于根据行驶的循环工况进行多个能量源之间的优化控制。混合动力电动汽车传统上分为串联式和并联式两类。

串联式的主要特征是内燃机/发电机提供的电能和蓄电池提供的电能以电能形式一起叠加，供给电动机进而驱动车轮运转，以满足车辆的动力需要。发动机输出的机械能首先通过发电机转化成电、能，转化后的电能→部分用来给蓄电池充电，另一部分由电动机和传动装置驱动车轮。由于三种能量源是以电能形式叠加的，因此只要用电缆连接即可，容易实现，器件布置也比较灵活。但是它需要三个驱动装置:发动机、发电机和电动机。因而，该类电动汽车的效率通常较低。4机械工业出版社串联式混合动力汽车：并联式混合动力汽车：

并联式的主要特征是内燃机输出能量和电动机输出能量以机械能的方式一起提供，满足车辆的动力需要。并联式电动汽车采用了发动机和电动机两套独立的驱动系统，通常采用不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。同串联式相比，它只需要两个驱动装置，不需要单独的发电机。并且因为发动机和电动机能够同时驱动车辆，如果要得到相同的性能，并联式的发动机和电动机的尺寸要比串联式小，但由于并联式电动汽车的两种能量源是以机械能的形式叠加的，因此需要有相应的机械传动装置，故实现形式不如串联式简单，器件布置也有一定的局限性。目前市面上大多数混合动力车型都为该结构。5机械工业出版社

综合式电动汽车的结构更复杂，无法归结到上面三种形式之中，它包含了更多的能量控制单元，能够提供更多的工作模式，其结构和混联式相似，它们都有起电动和发电作用的电动机。两者的主要区别在于综合式中的电动机允许功率流双向流动，而混联式中的电动机只允许功率流单向流动。双向流动的功率流可以允许综合式电动汽车有更多的工作模式。虽然这样的配置会给电动汽车带来结构复杂、成本高的缺点，但是现在有些新型混合动力电动汽车也采用了这种双轴驱动的复合式系统。6机械工业出版社综合式混合动力汽车：8.1.2系统组成及结构1.纯电动汽车之前的电动汽车主要是将现有内燃机车辆的发动机和油箱替换为电动机驱动系统和电池组，同时保留所有其他部件。这类电动汽车由于重量大、灵活性差、性能一般等缺点，导致其逐渐淡出试驾应用。而现代春电动汽车是从初始的车身和车架开始加以定制，这满足了电动汽车独特的结构设计要求，同时也利用了电驱动的巨大灵活性。7机械工业出版社图8-1纯电动汽车结构的概念图现代电驱动的概念图如图8-1所示。驱动系统由三个主要的子系统组成，即电动机驱动子系统、能源子系统和辅助子系统。电动机驱动子系统包括整车控制器、电力电子功率变换器、电动机、机械传动装置和驱动轮。能源子系统包括能量源、能量管理单元和能量补充单元。辅助子系统由助理转向单元、车内空调温控单元和辅助功率单元组成。8机械工业出版社2.混合动力混合动力电动汽车的结构可大致定义为能量通路与控制端口间的连接关系。传统意义上的混合动力电动汽车被分类为两种基本形式，即串联式和并联式的混合动力电动汽车。而自2000年开始，一些推广应用的混合动力电动汽车难以归入这样的分类中。因此，混合动力电动汽车现分类为四种，即串联式、并联式、混联式和复联式混合动力电动汽车，具体分类如图8-2所示。图8-2混合动力电动汽车的分类a)串联式（电耦合）b)并联式（机械耦合）c)混联式（机械耦合和电耦合）d)复合式（机械耦合和电耦合）9机械工业出版社8.1.3电机及驱动技术电驱动系统是电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的心脏。该系统由电动机、功率变换器和电子控制器构成。电动机将电能转换成机械能推动车辆，或反之将机械能转化为电能进行再生制动和（或）对车载储能装置充电。功率变换器为电动机提供特定的电压和电流。电子控制器根据驾驶要求，通过为功率变换器提供控制信号来对其进行控制，进而调整电动机的运行，以产生特定的转矩和转速。电子控制器可进一步分为三个功能单元，即检测器、接口电路和处理器。检测器通过接口电路将所测量的物理量，如电流、电压、温度、速度、转矩和磁通转换为电信号、这些信号被处理成相应的电平后输入处理器。处理器的输出信号通过放大，经由接口电路，驱动功率变换器的功率半导体器件。电驱系统的功能模块如图8-3所示。10机械工业出版社图8-3典型电驱动系统的功能模块框图11机械工业出版社与电动机的工业应用不同，用于电动汽车的电动机通常要求频繁地起动和停车、高变化率的加速度/减速度、高转矩且低速爬坡、低转矩且高速行驶以及非常大的运行速度范围。应用于电动汽车的驱动电动机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机，如图8-4所示。有换向器电动机主要指传统的直流电动机，包括串励、并励、复励、他励和永磁（PermanentMagnet，PM）励磁的直流电动机。直流电动机需要换向器和电刷来给电枢供电，因而使该类电动机的可靠性降低，不适合免维护运行和高速运行。此外，绕线转子励磁的直流电动机功率密度较低。然而，由于技术成熟和控制简单，直流电动机驱动一直在电驱系统中有着突出的地位。图8-4应用于电动汽车的驱动电动机的分类12机械工业出版社作为一种确定电动汽车的无换向器电动机，异步电动机得到了广泛应用。这是因为异步电动机的成本低、可靠性高且能够免维护运行。但是，异步电动机的传统控制，如变频变压，不能提供所期望的性能。随着电力电子和计算机时代的到来，异步电动机的磁场定向控制（Field-OrientedControl，FOC）原理，即矢量控制原理已被用来克服由于异步电动机非线性带来的控制难度。然而，这些采用矢量控制的电动汽车用异步电动机在轻载和限定恒功率工作区域内运行时，仍会遭遇低效率的问题。采用永磁体代替传统同步电机的励磁绕组，永磁同步电机可排除传统的电刷、集电环以及励磁绕组的铜耗。这些永磁同步电机因其正弦交变电流的供电和无刷结构，也被称作永磁无刷交流电动机或正弦波永磁无刷电动机。这种电动机通常结构简单、成本低廉，但输出功率相对较低。与异步电动机类似，对高性能要求应用场合，这种永磁同步电动机通常也使用矢量控制。因为其固有的高功率密度和高效率，在电动汽车领域，永磁同步电机已被认为具有与异步电动机竞争的巨大潜力。13机械工业出版社实际上，通过转换永磁直流电动机（有刷电动机）定子和转子的位置，就可以得到永磁无刷直流电动机（BrushlessDC，BLDC）。这种电动机由矩形波交变电流供电，因此也称为矩形波永磁无刷电动机。这类电动机最明显的优点是排除了电刷，其另一优点是因电流与磁通间的正交相互作用，能产生大转矩。此外，这种无刷结构使得电枢绕组可以有更大的横截面。由于整个结构的热传导有了改善，故电负荷的增加导致了更高的功率密度。开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceMotor，SRM）已被公认为在电动汽车应用中具有很大潜力。基本上，开关磁阻电动机是由单组定子可变磁阻步进电动机直接衍生而来的。开关磁阻电动机用于电动汽车的明显优点是其结构简单、制造成本低廉、转矩-转速特性好。尽管结构简单，但并不意味着开关磁阻电动机的设计和控制也简单。由于其极尖出的高度磁饱和，以及磁极和槽的边缘效应，开关磁阻电动机的设计和控制既困难又精细。传统上，开关磁阻电动机的运行借助于转轴位置检测器检测转子与定子相对位置。这些检测器通常容易因机械振动而受损，并对温度和尘埃较敏感。因此，位置检测器的存在降低了开关磁阻电动机的可靠性，并限制了一些应用。14机械工业出版社8.2多电飞机8.2.1基本原理二次能源的形式多样化给飞机设计、维护及可靠性带来诸多负面影响。例如，遍布机身的液压管路严重制约飞机气动布局设计，液压油存在泄漏起火风险，使地面支援设备复杂化等。电能具有无污染、易传送、低损耗等独特优势，是理想的二次能源，由此在上世纪70年代诞生了全电飞机(allelectricaircraft,AEA)的设计蓝图，然而技术进步并非一蹴而就，AEA的实现也绝非简单的系统替换，航空领域对可靠性的苛刻要求在无形中限制了新技术的应用，因此几十年里只是逐步增加电气系统所占的比重，多电飞机(moreelectricaircraft,MEA)的设计理念应运而生。图8-5美国EviationAircraft公司设计的全电动力飞机Alice15机械工业出版社8.2.2电气系统结构飞机电气系统可以分为发电设备、配电设备和用电设备。以一架现有的双发多电飞机的电气系统为例，其电气系统结构示意如图8-6所示。图8-6一架双发多电飞机的电力系统结构图16机械工业出版社系统名称最大持续总功率（kW）

电动机数量功率（kW）飞行控制系统802850环境控制系统401010燃油管理系统35109电力作动系统30215起落架系统30205其他20101发电机125/通道6125合计-86-表

2-1一架现有双发飞机中的电机用途和数量电机的大量使用是MEA与传统飞机最大的不同。表2-1中展示了该多电飞机中所需的电动机的用途和数量。该机共包含86个电动机，其中28个安装在飞行控制系统、10个安装在ECS、2个用于电动气压系统、20个用于起落架系统、6个用于发动机起动系统。安装在飞行控制系统和起落架系统的电动机主要驱动作动器进行舵面偏转、起落架收放等动作；在ECS和燃油管理等系统中的电动机则用来压缩空气、泵送燃油。17机械工业出版社8.2.3电力传动装置1.同步发电机发电机是将机械能转化为电能的动力转换装置，其原动机通常由发动机充当。开关磁阻电机（switchedreluctancemachine，SRM）和同步发电机是比较理想的机载发电。它们的控制方法成熟、机器本身成本低、可靠性高且能在高速下稳定工作。此类发电机的缺点是其重量和尺寸随着输出功率的增加而指数增加，增加了飞机结构重量。为了解决这个问题，功率密度和可靠性都更高的永磁同步电机是未来机载发电设备的一个主要选项。2.功率转换器功率转换器可以将电能从一种形式转换为另一种形式，主要包括三种：DC/DC直流变压器，AC/DC整流器和DC/AC逆变器。DC/DC直流变换器可以降低或升高直流电压的电平。AC/DC整流器是一种可以从交流电压获得连续直流电压的电气设备。18机械工业出版社在航空工业中，变压器整流器单元（transformerrectifierunit，TRU）广泛用于调节三相总线的28V直流电压。一般六脉冲AC/DC整流器有13个工况。在每个工况下，整流器会根据其输入端交流电流的状态自动获得各二极管的端电压和各电感的电流降。DC/AC逆变器可以将直流电压转换为三相交流电压，通常用于电机控制。它一般包含六个晶体管，这些晶体管通常由PWM控制，并且需要能够承载电动机的峰值相电流。DC/AC逆变器的工况与AC/DC整流器类似。在一个有DC/AC逆变器参与的闭环电机控制回路中，根据电机的反馈信号可以调整PWM的输出，以确定逆变器中每个开关的关断时间，最终控制电动机的转速或转矩。3.伺服电机伺服电机可以将控制面移动到一定角度并保持在该位置直到下一次移动。无人机上使用的许多伺服电动机由电动机、逆变器、位置控制器和摇臂组成。由于控制算法简单和成本低，伺服电动机系统中一般使用直流电机。大型飞机中使用的伺服电机则包含永磁同步电机和更复杂可靠的驱动器，如EHA和EMA等。19机械工业出版社20机械工业出版社8.3新能源空铁技术8.3.1新能源空铁概述新能源空铁是指以锂电池动力包为动力源的空中悬挂式轨道列车系统。这是我国拥有完全自主知识产权的新型轨道交通系统。该系统采用新能源、新材料、新设计，集成了多种相关成熟技术。该系统具有稳定性、舒适性、安全性高、节能环保、低噪音、低农、适应性强、工期短、难度低、自然美观、前瞻性等优点。这是一个连接和整合中心城市交通枢纽，覆盖热门旅游景点的现代化新型交通系统。21机械工业出版社2016年12月8日，一台新能源空铁在中车资阳机车有限公司竣工下线，这是我国西部地区诞生的首台新能源空铁列车，这意味着一个全新的产业将诞生。空铁是一种轻型、中速、中低运量的新型制式城市轨道交通方式，是城市立体公交的新装备，也是公交错位发展的新选择。首台的空铁列车，每列定员144人，时速最高可达65km/h。8.3.1新能源空铁概述22机械工业出版社8.3.1新能源空铁概述新能源空铁23机械工业出版社新能源空铁主要具有以下优势：第一，高架拥有独立路权。空铁系统可沿道路绿化带高架敷设，空铁列车悬挂于导轨梁下方，不受地面道路交通状况、火灾、洪水等自然灾害的影响，紧急情况下起到运输救灾物资及人员的作用。第二，产品应用场景广泛。空铁系统运量适中，既可满足特大、超大城市轨道交通支线、市郊线、连接线等多制式协同发展补网需求，又可作满足中小城市城市轨道骨干网络运量需求。同时，该车型乘坐体验感强、视野开阔，亦可作为旅游城市、旅游景区快速交通接驳和旅游观光工具，场景适应能力极强。第三，环境友好度强。空铁爬坡能力是地铁的三倍，最小转弯半径是地铁的十分之一，选线灵活，适应性强，可有效减少征拆和对沿线地块影响。8.3.2新能源空铁优势24机械工业出版社新能源空铁系统，可以利用太阳能、风能等新能源自主发电作为驱动电能的补充，有效节约了运行过程中的电能消耗，具有绿色环保的优点；同时具有能量反馈回收系统，通过回收制动能量作为驱动电能的补充，扩充了单次运行的有效距离，节约能量消耗，降低了能源消耗。8.3.3新能源空铁原理25机械工业出版社8.3.3新能源空铁原理新能源空铁侧面图26机械工业出版社8.3.3新能源空铁原理新能源空铁车厢结构图27机械工业出版社8.3.3新能源空铁原理新能源空铁框架图28机械工业出版社8.4新能源船舶技术8.4.1新能源船舶概述随着新能源不断的开发和应用技术的推广完善，将其应用于船舶成为一种发展趋势，并且有着较为广阔的前景。新能源应用于船舶有着诸多的优势，这主要体现为以下几个方面：1.新能源应用与船舶能够有效的实现成本的降低。2.新能源的应用能够保证船舶供电的安全性。3.新能源的来源丰富，供应充足。4.新能源广阔的应用范围为其在船舶供电系统中的应用提供了条件。29机械工业出版社8.4.2太阳能动力船舶早在1985年，美国的德克萨斯州的SumSmith就推出了太阳能充电装置，可供车辆和船舶蓄电池充电。之后的多个国家都研制出了小型太阳能电池充电的样船，这些可以看做是太阳能在船舶领域的首次应用。2000年澳大利亚造出了太阳能风能的混合动力的双体客船，这标志着可再生能源在船舶动力领域的一次大的飞跃。2007年5月8日，瑞士的“太阳21号”全太阳能动力船经过5个多月的航行，完成了横渡大西洋之旅。30机械工业出版社目前，太阳能在船舶动力领域的应用主要有以下几个方面：将太阳能转化为电力作为船舶的主动力源即船舶主机的能量1.基本都来自于太阳能所产生的电能2.将太阳能作为船舶的辅助机械动力能源大型船舶的辅助机械有很多3.将太阳能作为船舶制冷空调设备和生活照明系统能源远洋船舶一般航期相对较长4.将太阳能作为大型油船卸货和加热系统的能源大型油船一般航行时间长，防火要求高，冬季原油卸货困难，而这些刚好给了太阳能在船舶上的应用很好的发挥空间8.4.2太阳能动力船舶31机械工业出版社8.4.2太阳能动力船舶32机械工业出版社8.4.3风能动力船舶日本在20世纪80年代建造出世界上第一艘现代化风帆助推船新爱德丸号。该船使用钢骨架和聚酯纤维制成的硬质风帆，并通过“帆-机结合”使其无需人力就可以根据风速和风向等参数自动调节风帆。法国在1985年研制出一种可以自适应风向的抽气式涡轮帆，并装配于翠鸟号，升力系数达到6.0。不仅大幅度提升了船速，节能效果也有所改善。德国在2007年制造出全球第一艘用巨型风筝拉动的货轮白鲸天帆号。该船利用冲压式伞翼的原理，把悬在货轮上方的巨型风筝作为船舶的辅助动力，风筝与船舶的连接处安装电子控制器和机械驱动元件，用于检测和控制风筝的飞行轨迹。33机械工业出版社8.4.3风能动力船舶34机械工业出版社8.4.4核能动力船舶1942年12月，美国芝加哥大学建成了世界上第一座反应堆，证明了实现可控链式裂变反应的科学可行性，标志着核能利用新时代的开始。在第二次世界大战期间及以后的一段时间内，世界各国先后建成了一批生产核武器用钚的生产堆和核潜艇用动力堆。自20世纪50年代初以来，人们利用已有的军用核技术建造了以发电为目的的核电厂，核能利用从军用转向了民用。经过60多年的发展，核能已经成长为能源和动力领域的强大支柱。35机械工业出版社自从1955年4月世界上第一艘压水堆核动力潜艇——“鹦鹉螺”号问世以来，不同类型的可移动核动力得到了快速的发展。可移动核动力为核潜艇、核动力航空母舰、核动力破冰船、核动力深海潜水器、核动力航天器、航天核火箭、航天核电源等提供所需的推进动力，在诸多领域或发挥着巨大作用，或展现了诱人的应用前景。8.4.4核能动力船舶36机械工业出版社8.4.4核能动力船舶37机械工业出版社8.5新能源助力电力行业碳中和实现碳中和碳达峰2020年，习主席提出2030年前碳达峰和2060年前碳中和新战略目标，主动提高国家自主贡献指标，这对国内加速绿色低碳转型和长期低碳发展战略的实施，以及推进全球气候治理进程都将发挥重要指引作用。当前电力行业二氧化碳排放约占中国能源活动二氧化碳排放的40%，推进电力部门脱碳、加速终端能源的电气化是推动能源系统低碳转型和长期温室气体减排的主要手段。能源互联网是以电为核心，利用可再生能源发电技术、信息技术，融合电力网络、天然气网络、供热/冷网络等多能源网以及电气交通网形成的异质能源互联共享网络，是促进可再生能源消纳、提高能源使用效率、实现中国“双碳”目标的重要途径。38机械工业出版社碳中和碳达峰中国能源行业碳排放占全社会碳排放总量的80%左右，要实现“碳达峰、碳中和”目标，核心是推动能源低碳转型。中国的能源转型仍处于关键发力期，在能源供应方面，高比例风电、光伏的接入给电力系统的安全、稳定、经济运行带来挑战；在能源消费方面，数据中心、电动汽车等新形态负荷逐年增加，可挖掘的灵活性资源潜力巨大。处于演进过程的综合能源系统，持续推动了传统能源利用模式的变革；多种能源系统的协调规划和灵活调度，可有效提升能源利用效率，促进对可再生能源发电的消纳，