新能源发电技术 课件 第一章-新能源发电概述

第一章新能源发电概述©浙江大学电气工程学院本章内容：能源现状与可持续发展战略风力发电光伏发电储能

第一章新能源发电概述新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略能源储量结构新能源发电技术新能源发电概述我国可再生能源资源丰富，但是我国人口众多，能源资源相对匮乏。新能源大多分布于西北、西南、中南等非经济发达区，利用率不理想。©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略能源生产结构能源产出仍以煤炭为主，一次能源产量稳定增长，二次能源产出递增。能源结构优化调整，清洁能源比重逐年提升。新能源发电技术新能源发电概述我国历年各类型装机发电量占比规模以上工业原煤产量增速月度走势©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略能源消费结构能源消费总量均处于低速增长状态，以较低的能源消费增速支撑经济的中高速发展。我国能源消费构成中，煤炭处于主体性地位，石油和天然气对外依存度高，可再生能源消费占比持续提升。新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略我国的可持续发展战略“十三五”能源发展成就能源资源开发利用效率大幅提高生态环境明显改善节能降耗减排取得突出成效“十四五”发展规划继续加速生产生活方式绿色转型构建新型能源体系新能源发电技术新能源发电概述新能源发电技术©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略新能源发电技术的发展实际电网的复杂特征新能源发电技术新能源发电概述新能源发电质量有所下降恶劣电能质量对新能源发电系统本身的安全运行造成威胁三相电压不平衡谐波电压畸变非理想运行状态©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略新能源发电技术的发展故障穿越技术新能源发电系统的故障穿越是指新能源发电机组能够成功穿越一定时间段内的一定程度的电网电压故障，保持风电机组在故障期间不脱网运行。新能源发电技术新能源发电概述电网故障电网频率故障电网电压故障对称电压故障不对称电压故障©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略新能源发电技术的发展稳定运行与振荡抑制技术新能源发电技术新能源发电概述新能源设备与电网阻抗特性的不匹配新能源发电系统与电网所构成的互联系统稳定裕度不足振荡失稳系统对新能源消纳能力下降甚至局部电网崩溃振荡问题理论分析特征值分析法幅相动力学分析法……阻抗分析法振荡抑制方法优化控制参数阻抗重塑技术©浙江大学电气工程学院1.1能源现状与可持续发展战略新能源发电技术的发展储能技术新能源发电技术新能源发电概述发电可控新能源出力不可控，可调容量、惯量下降负荷相对确定分布式新能源和电力电子负荷加深不确定性电能传输方向确定电能传输方向不确定负荷侧储能提高电能质量支撑分布式新能源接入提升用户灵活调节能力发电侧储能平滑风光出力跟踪发电计划调峰调频能力无功支撑事故备用提高系统安全稳定水平电网侧储能©浙江大学电气工程学院1.2风力发电概述新能源发电技术新能源发电概述风电迅速发展可再生能源发展迅速，其中风电已经成为目前技术最为成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源。矛盾问题凸显设备产能过剩、质量问题、风电机组吊装后不能及时投产风电送出消纳问题亟需技术进步，降低新能源发电成本……©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电基本原理风力机可将气流的动能转为机械能，是风力发电的必要条件之一。实际风力发电系统中普遍采用水平轴风力机，其通常由叶片、塔架、机舱等部分组成。风力发电结构原理新能源发电技术新能源发电概述（1）风轮风轮由叶片和轮毂组成，是风力机捕获风能的部件。（2）塔架为风力机的支撑结构，可保证叶片能在具有较高风速的位置运行。（3）机舱机舱内则有传动装置、控制系统及发电机等。©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电基本原理风力机利用风能转化成的机械功率为

其中，风能利用系数Cp

是叶尖速比λ和叶片桨距角β的函数。新能源发电技术新能源发电概述风力发电结构原理在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=0°，

通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能

利用系数恒定在最大值Cpmax，捕获最大风能。在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。在桨距角β固定时，对应于风力机最大风能利用系数，有一个最佳叶尖速比λm。要时刻进行变速控制，保证以最佳叶尖速比λm运行。©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类风力发电系统并网型离网型保持发电机转速不变以得到恒频电能系统容量较小可配备储能单元以提供稳定电力占风力发电系统比例较小发电机转速受风速变化影响恒速恒频发电机系统（CSCF系统）变速恒频发电机系统（VSCF系统）新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类恒速恒频发电系统单机容量为600kW～750kW的风电机组多采用恒速运行方式，一般采用鼠笼型异步发电机，恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。风能的利用率低风速突变时易产生很大的机械应力并网时电流冲击较大不能有效控制无功功率，需要额外补偿无功恒速恒频风力发电系统结构原理图新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统风力机与发电机转速随风速变化，通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。缺点：变频器在定子侧，变频器容量需要与发电机容量相同，变流系统成本和体积过大新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类双馈式变速恒频风力发电系统发电机为转子交流励磁双馈发电机在转子电路实现，流过功率为交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，所需变频器容量小可实现有功、无功功率的灵活控制双馈式变速恒频风力发电系统结构原理图新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类直驱型变速恒频风力发电系统发电机多采用永磁同步发电机在定子电路实现，把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电可靠性高，电网适应性较强直驱型变速恒频风力发电系统结构原理图新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.2风力发电风力发电系统分类混合式变速恒频风力发电系统发电机多采用永磁同步发电机采用一级齿轮箱传动设计，克服了低速发电机和多级齿轮传动的不足减小发电机和齿轮箱的体积与重量，提高发电机的运行效率混合式变速恒频风力发电系统结构原理图新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电概述光伏发电系统光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，具有可靠、稳定、寿命长、安装维护简便等优点。新能源发电技术新能源发电概述太阳能电池组件控制器直流负载交流负载逆变器蓄电池光伏发电系统发展趋势趋向高能量转换效率、低生产成本从西部向中东部地区转移由大型集中式电站转向分布式光伏电站©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电原理光伏电池传统光伏电池由p型半导体和n型半导体组成，当半导体吸收能量大于其带隙能量的光子时，电子跃迁产生电子-空穴对，在内建电场的作用下分离，形成与内建电场方向相反的光生电场。接通负载后，电子将在外电路中流动产生电流。光生伏特效应光伏板阵列是光伏系统的重要组成部分。在光照情况下，光伏板吸收光能，两端出现异号电荷积累，产生“光生电压”。新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电原理逆变器：由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，因此必须通过逆变器将直流电转换成交流电。光伏发电系统输出特性可由下式表示新能源发电技术新能源发电概述式中，A为常数因子，K为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电荷，ID0为太阳电池在无光照时的饱和电流太阳电池非线性直流电源电压增加功率增大最大功率点电阻增加电阻增加功率减少最大功率点追踪(MPPT)技术©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电系统分类光伏发电系统并网型离网型偏远地区供电备用电源集中式光伏系统分布式光伏系统新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电系统分类集中式光伏发电系统基本原理光伏阵列通过汇流箱与大功率集中式光伏逆变器相连，光伏逆变器实现光伏阵列的MPPT控制，将输出的直流电转换为交流电经升压变压器传输给高压电网。优点光伏效率稳定，利用率高运行方式灵活建设周期短，成本低等缺点输电线路长，损耗大，易出现输电线路的损耗、电压跌落、无功补偿等问题新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电系统分类分布式光伏发电系统

特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，必须接入公共电网。特点输出功率相对较小污染小，环保效益突出可以发电用电并存一地两用，有效减少光伏系统的占地面积新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.3光伏发电光伏发电系统分类离网型光伏发电系统

离网型发电系统是一种不与电网相连的独立光伏发电系统，广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。基本工作过程光照条件下，太阳电池组件产生一定电动势，通过充放电控制器对蓄电池进行充电，贮存电能；夜晚，蓄电池组为逆变器提供输入电，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜切换供电。新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.4储能概述发展现状随国家能源转型不断深入及对电力系统灵活性要求不断提高，储能将继续保持强劲的增长趋势。

新能源配合储能系统能够增强新能源发电的稳定性、连续性和可控性，使得电力系统获得了更快速、灵活的瞬时功率平衡能力，也使得新能源具备了能够向电网提供稳定性支撑的能力。新能源发电技术新能源发电概述各类型储能装机容量占比（截至2023年）©浙江大学电气工程学院1.4储能概述新能源发电技术新能源发电概述快速动态能量吸收或释放，平抑新能源出力波动；提高新能源跟踪发电计划的能力；主动向电网提供系统阻尼，抑制振荡。支撑大规模集中新能源并网接入提高分布式新能源的高效利用与友好接入提高新能源对电网提供支撑服务和实现故障穿越的能力实现新能源发电在时间上的迁移，迎合负荷需求；削减等效负荷峰值，优化资源配置成本，增强电网对新能源的接纳与传输能力。使新能源电站能够具备和常规机组类似的参与AGC、一次调频与调峰能力；与各种传统及智能化控制技术实现协同应用。©浙江大学电气工程学院1.4储能常见储能形式抽水蓄能基本原理

电网低谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低标高的水库抽到高标高的水库，电网峰荷时高标高水库中的水回流到低标高水库推动水轮机发电机发电。特点响应速度快具有日调节能力建设周期长，受地形限制新能源发电技术新能源发电概述最成熟，使用最广泛的物理储能方式©浙江大学电气工程学院1.4储能常见储能形式飞轮储能基本原理

利用电能驱动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能，在需要的时候通过飞轮惯性拖动电机发电，将储存的机械能变为电能输出。特点功率密度高、快响应、高频次、效率高寿命长、无污染能量密度低，自放电率高新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工程学院1.4储能常见储能形式压缩空气储能基本原理

在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电。特点输出功率大成本低，运行寿命长建设受地形和地质条件限制新能源发电技术新能源发电概述©浙江大学电气工