电力与新能源技术作业指导书

电力与新能源技术作业指导书TOC\o"1-2"\h\u11672第一章电力系统基础知识 2206021.1电力系统概述 219211.2电力系统主要参数 258431.3电力系统运行原理 320829第二章电力系统分析与计算 459382.1电力系统负荷计算 462802.2短路电流计算 4170102.3电力系统稳定性分析 41954第三章新能源技术概述 5187463.1新能源分类 58143.2新能源发电技术 56553.3新能源发展趋势 616483第四章太阳能光伏发电技术 6184124.1太阳能光伏原理 6203344.2光伏电池及其组件 7314914.2.1光伏电池分类 773324.2.2光伏组件结构 7190914.3光伏发电系统设计 7185594.3.1系统类型 7140804.3.2系统配置 8297924.3.3系统安装与调试 87305第五章风能发电技术 8210895.1风能资源评估 8308015.2风力发电原理 9309155.3风力发电系统设计 91692第六章生物质能发电技术 9157996.1生物质能资源 930436.1.1农业废弃物 10180736.1.2林业废弃物 10265506.1.3城市固体废弃物 1035406.1.4有机废水 10183096.2生物质能发电原理 10320056.2.1直接燃烧发电 10165746.2.2气化发电 10258806.2.3生物化学发电 1053566.3生物质能发电系统设计 11113826.3.1原料预处理 11142656.3.2能源转化设备 1129416.3.3系统集成 11117706.3.4环境保护措施 11127596.3.5经济性分析 1122069第七章水力发电技术 11172617.1水力资源概述 11282247.2水力发电原理 11209987.3水力发电系统设计 121767第八章地热能发电技术 12247918.1地热能资源 13240018.2地热发电原理 13106328.3地热发电系统设计 135779第九章新能源电力并网技术 14221459.1新能源电力并网概述 14227769.2新能源并网技术要求 14175319.2.1技术标准 14154049.2.2技术要求 14116809.3新能源并网系统设计 14312619.3.1系统结构设计 14293879.3.2控制策略设计 15277099.3.3保护措施设计 157078第十章电力与新能源技术发展趋势及政策 151014910.1电力与新能源技术发展趋势 151143310.1.1电力系统智能化 153162310.1.2新能源发电技术 161084310.1.3电动汽车及充电技术 162765610.2电力与新能源政策法规 16696910.2.1能源发展战略 162173910.2.2电力体制改革 16977510.2.3新能源补贴政策 163143010.3电力与新能源技术发展前景 16653910.3.1新能源发电规模化应用 161805910.3.2电动汽车普及 161812610.3.3储能技术应用 17第一章电力系统基础知识1.1电力系统概述电力系统是由发电厂、输电线路、变电站、配电网及用户组成的一个统一整体。其主要功能是将自然界中的水力、风力、太阳能等能源转换为电能，并通过输电、配电过程将电能传输至用户，以满足社会生产和生活对电力的需求。电力系统具有高度的复杂性、动态性和实时性，是现代社会不可或缺的基础设施。1.2电力系统主要参数电力系统的运行状态和功能可以通过一系列参数来描述，以下为主要参数：（1）电压：表示电力系统各节点电压的大小和相位，通常以千伏（kV）为单位。（2）电流：表示电力系统各支路电流的大小和方向，通常以安培（A）为单位。（3）功率：表示电力系统各节点功率的大小，分为有功功率和无功功率，单位分别为兆瓦（MW）和兆乏（Mvar）。（4）频率：表示电力系统交流电的周期性变化次数，通常以赫兹（Hz）为单位。（5）负荷：表示电力系统用户消耗的功率，包括有功负荷和无功负荷。（6）谐波：表示电力系统中的电压和电流波形偏离正弦波的程度。1.3电力系统运行原理电力系统的运行原理主要包括以下几个方面：（1）发电机原理：发电机利用电磁感应原理，将机械能转换为电能。当发电机的转子旋转时，磁场与导体发生相对运动，从而在导体中产生感应电动势，形成电流。（2）输电原理：输电是指将发电厂发出的电能通过输电线路传输至远方负荷中心的过程。输电线路的电压等级较高，以减小输电过程中的损耗。（3）变电站原理：变电站是电力系统中的重要组成部分，其主要功能是升高或降低电压，以实现不同电压等级的电力传输。变电站包括升压变电站和降压变电站。（4）配电原理：配电是指将变电站输出的电能通过配电网分配至用户的过程。配电网分为高压配电网和低压配电网，分别负责向不同类型的用户提供电能。（5）调度原理：电力系统调度是指对电力系统运行进行实时监控和调整，以保证电力系统的安全、稳定、经济运行。调度包括发电调度、输电调度、配电调度等。（6）保护原理：电力系统保护是指对电力系统中的设备进行实时监测，发觉异常情况时及时切除故障，以保护电力系统的安全运行。保护装置包括继电保护、自动装置等。第二章电力系统分析与计算2.1电力系统负荷计算电力系统负荷计算是电力系统分析与计算的基础，其主要目的是确定电力系统在正常运行条件下各节点负荷的大小和性质。电力系统负荷计算主要包括以下内容：（1）负荷特性分析：分析负荷随时间的变化规律，包括最大负荷、最小负荷、平均负荷等参数，为电力系统规划、设计和运行提供依据。（2）负荷模型建立：根据负荷特性，建立负荷模型，包括恒定负荷模型、时变负荷模型等。负荷模型应能反映负荷的动态变化过程，为电力系统稳定性分析提供基础。（3）负荷预测：根据历史负荷数据，预测未来一段时间内负荷的变化趋势，为电力系统运行调度提供依据。（4）负荷计算方法：采用等效负荷法、负荷矩法、节点负荷法等方法，计算电力系统各节点的负荷。2.2短路电流计算短路电流计算是电力系统分析与计算的重要组成部分，其主要目的是确定电力系统发生短路故障时，短路电流的大小、流向和分布。短路电流计算主要包括以下内容：（1）短路类型分析：分析电力系统中可能发生的各种短路类型，如单相短路、两相短路、三相短路等。（2）短路过程分析：分析短路故障发生、发展和清除的过程，包括故障点的形成、短路电流的上升和下降过程。（3）短路电流计算方法：采用对称分量法、节点电压法、复数功率法等方法，计算短路电流的大小和分布。（4）短路电流对电力系统的影响：分析短路电流对电力系统设备、保护和稳定性等方面的影响。2.3电力系统稳定性分析电力系统稳定性分析是电力系统分析与计算的核心内容，其主要目的是评估电力系统在正常运行和故障条件下的稳定性。电力系统稳定性分析主要包括以下内容：（1）静态稳定性分析：研究电力系统在正常运行条件下，受到小扰动后，系统能否恢复到原始平衡状态的能力。（2）暂态稳定性分析：研究电力系统在故障条件下，受到大扰动后，系统能否在短时间内恢复到稳定运行状态的能力。（3）动态稳定性分析：研究电力系统在正常运行和故障条件下，受到持续扰动后，系统能否保持稳定运行的能力。（4）稳定性评估方法：采用静态稳定裕度法、暂态稳定裕度法、动态稳定裕度法等方法，对电力系统的稳定性进行评估。（5）提高稳定性的措施：分析电力系统中可能导致稳定性问题的因素，提出相应的提高稳定性的措施，如安装PSS、SVG等。第三章新能源技术概述3.1新能源分类新能源是指相对于传统能源（如煤炭、石油、天然气等）而言，具有可再生、清洁、低碳等特点的能源。新能源的分类主要包括以下几种：（1）太阳能：太阳能是一种清洁、可再生的能源，主要通过太阳辐射能转换为电能或热能。太阳能资源丰富，分布广泛，是我国新能源的重要组成部分。（2）风能：风能是地球表面大气流动过程中产生的动能，具有可再生、清洁、无污染等特点。我国风能资源丰富，尤其是在沿海、沙漠和高原等地区。（3）水能：水能是指利用水流动产生的能量，包括潮汐能、波浪能、水力发电等。水能是一种清洁、可再生的能源，我国水能资源丰富，开发潜力巨大。（4）生物质能：生物质能是指来源于生物质（如农作物、林业废弃物、有机垃圾等）的能量，包括生物质直接燃烧、生物质气化、生物质发酵等方法。生物质能具有可再生、清洁、低碳等特点。（5）地热能：地热能是指地球内部储存的热能，可通过地热发电、地热供暖等方式进行利用。地热能具有可再生、清洁、稳定等特点。3.2新能源发电技术新能源发电技术是指将新能源转换为电能的技术，主要包括以下几种：（1）太阳能发电技术：太阳能发电技术主要包括光伏发电和光热发电。光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能直接转换为电能；光热发电则是通过太阳能集热器将太阳光能转换为热能，再通过蒸汽轮机等设备发电。（2）风力发电技术：风力发电技术是利用风力驱动风力发电机转动，将风能转换为电能。风力发电设备主要包括风力发电机、塔筒、基础、控制系统等。（3）水力发电技术：水力发电技术是利用水流的动能驱动水轮机转动，将水能转换为电能。水力发电设备主要包括水轮机、发电机、调压系统等。（4）生物质能发电技术：生物质能发电技术是将生物质能转换为电能的过程，主要包括生物质直接燃烧发电、生物质气化发电、生物质发酵发电等。（5）地热发电技术：地热发电技术是利用地热能驱动蒸汽轮机或其它发电设备，将地热能转换为电能。地热发电设备主要包括地热井、发电机组、热交换器等。3.3新能源发展趋势全球能源需求的不断增长，新能源技术的发展趋势日益明显，主要体现在以下几个方面：（1）技术进步：新能源技术不断创新，转换效率不断提高，成本逐渐降低，使得新能源在能源市场中的竞争力逐渐增强。（2）政策支持：各国纷纷出台政策，支持新能源产业的发展，推动新能源替代传统能源，减少碳排放。（3）市场规模扩大：新能源技术的成熟和成本的降低，新能源市场逐渐扩大，新能源产业已成为全球经济增长的新动力。（4）多元化发展：新能源种类繁多，各种新能源技术相互补充，形成了多元化的新能源发展格局。（5）国际合作：全球新能源技术发展需要各国共同努力，加强国际合作，推动新能源技术的创新和普及。第四章太阳能光伏发电技术4.1太阳能光伏原理太阳能光伏发电技术是基于光生伏打效应，将太阳光能直接转换为电能的一种技术。光生伏打效应是指当光子照射到具有不同导电性的两种材料接触界面时，光子能量激发电子从低导电性材料向高导电性材料移动，从而产生电动势。以下是太阳能光伏原理的几个关键点：（1）光子吸收：太阳光照射到光伏电池表面，电池中的半导体材料吸收光子能量。（2）电子空穴对产生：光子能量激发电池中的半导体材料，产生电子空穴对。（3）电场分离：电池中的PN结形成内建电场，将电子空穴对分离。（4）电动势输出：分离后的电子和空穴通过外电路形成电流，实现光能到电能的转换。4.2光伏电池及其组件4.2.1光伏电池分类光伏电池按照材料和工作原理可分为以下几种：（1）硅基光伏电池：包括单晶硅、多晶硅和薄膜硅光伏电池。（2）化合物光伏电池：如砷化镓、铜铟镓硒等。（3）有机光伏电池：以有机材料为活性层的光伏电池。4.2.2光伏组件结构光伏组件是光伏电池的封装体，其主要结构包括以下部分：（1）光伏电池片：组件的核心部分，负责将光能转换为电能。（2）封装材料：保护电池片免受外界环境影响的材料，如EVA膜、玻璃等。（3）边框：固定电池片和封装材料，提高组件的机械强度。（4）背板：保护电池片背面，防止水分和氧气渗透。（5）接线盒：连接光伏组件和光伏系统的组件，负责电流输出。4.3光伏发电系统设计光伏发电系统设计主要包括以下内容：4.3.1系统类型根据应用场景和需求，光伏发电系统可分为以下几种：（1）独立光伏系统：不与电网连接，适用于偏远地区、岛屿等无电区域。（2）并网光伏系统：与电网连接，实现光伏发电与电网互补。（3）混合光伏系统：将光伏发电与其他能源（如风力、燃油发电机等）结合，提高系统稳定性和可靠性。4.3.2系统配置光伏发电系统配置主要包括以下部分：（1）光伏组件：根据系统功率需求选择合适的光伏组件。（2）逆变器：将光伏组件产生的直流电转换为交流电，实现与电网的并网运行。（3）控制器：对光伏系统进行监控和控制，保证系统安全稳定运行。（4）储能设备：可选配置，用于储存光伏发电产生的电能，提高系统供电稳定性。（5）配电设备：包括电缆、配电柜等，用于连接光伏组件、逆变器、控制器等设备。4.3.3系统安装与调试光伏发电系统的安装与调试主要包括以下步骤：（1）基础施工：根据系统设计要求，进行光伏组件支架、逆变器、控制器等设备的安装。（2）组件安装：将光伏组件固定在支架上，保证组件的安装角度和朝向。（3）电气连接：连接光伏组件、逆变器、控制器等设备，保证电气连接可靠。（4）系统调试：对光伏发电系统进行调试，检查各设备运行状态，保证系统安全稳定运行。（5）验收与运行：完成系统调试后，进行验收，保证系统满足设计要求，投入运行。第五章风能发电技术5.1风能资源评估风能资源评估是风力发电项目前期工作中的重要环节，其目的是为了确定风能资源的分布、数量和质量，为风力发电项目的规划、设计和实施提供科学依据。风能资源评估主要包括以下几个方面：（1）风能资源调查：收集区域内的气象资料，分析风能资源的时空分布特征。（2）风能资源测量：采用测风塔、激光雷达等设备，对风能资源进行实地测量。（3）风能资源评价：根据测量数据，评估风能资源的品质，包括风速、风向、风功率密度等参数。（4）风能资源开发利用潜力分析：结合地形、地质、环境等因素，分析风能资源的开发利用潜力。5.2风力发电原理风力发电是将风能转换为电能的过程。其主要原理如下：（1）风能捕获：风力发电机组的叶片在风的作用下旋转，将风能捕获并转换为机械能。（2）能量转换：风力发电机的转子将机械能转换为电能，通过发电机输出交流电。（3）电能调节：通过电力电子设备对电能进行调节，以满足电网对电压、频率等参数的要求。（4）电能传输：将调节后的电能输送到电网，供用户使用。5.3风力发电系统设计风力发电系统设计涉及多个方面，主要包括以下几个方面：（1）风力发电机组选型：根据风能资源条件、地形地貌、投资预算等因素，选择合适的风力发电机组。（2）风力发电场布局：合理布置风力发电机组，以提高风能资源的利用率。（3）电力系统设计：包括升压站、输电线路、变电站等设施的设计，以满足风力发电场的电力输出需求。（4）控制系统设计：保证风力发电系统的稳定运行，实现自动控制和远程监控。（5）环境保护与防雷设计：采取措施降低风力发电系统对环境的影响，提高系统的安全功能。（6）施工与运维设计：制定合理的施工方案和运维管理措施，保证风力发电系统的顺利建设和长期稳定运行。第六章生物质能发电技术6.1生物质能资源生物质能作为一种可再生能源，具有广泛的应用前景。生物质能资源主要包括农业废弃物、林业废弃物、城市固体废弃物以及有机废水等。这些资源在自然界中具有丰富的储存量和可持续性，为我国能源结构优化提供了有力支持。6.1.1农业废弃物农业废弃物主要包括农作物秸秆、农产品加工剩余物等。这些废弃物在我国农村地区具有极高的资源量，且分布广泛。将这些废弃物转化为生物质能，既可减少环境污染，又可提高农民收益。6.1.2林业废弃物林业废弃物主要包括树枝、树叶、树皮等。这些废弃物在森林采伐、木材加工过程中产生，具有很高的生物质能价值。合理利用林业废弃物，有利于促进林业可持续发展。6.1.3城市固体废弃物城市固体废弃物主要包括生活垃圾、餐饮废弃物等。这些废弃物在日常生活中产生，具有很大的能源潜力。通过生物质能技术处理城市固体废弃物，可实现垃圾减量化、资源化、无害化。6.1.4有机废水有机废水主要包括工业废水、生活污水等。这些废水含有大量的有机物，可通过生物质能技术进行处理和利用，实现废水达标排放，同时回收能源。6.2生物质能发电原理生物质能发电技术是将生物质能转化为电能的一种技术。其基本原理如下：6.2.1直接燃烧发电直接燃烧发电是将生物质能原料直接燃烧，产生高温高压蒸汽，驱动蒸汽轮机发电。这种发电方式简单易行，但燃烧过程中产生的污染物较多。6.2.2气化发电气化发电是将生物质能原料进行气化处理，可燃气体，再利用这些气体进行燃烧发电。气化发电具有较高的发电效率，且污染物排放较低。6.2.3生物化学发电生物化学发电是利用微生物将生物质能原料转化为可燃气体或液体燃料，再进行燃烧发电。这种发电方式具有较高的能源转化效率，但技术复杂，投资成本较高。6.3生物质能发电系统设计生物质能发电系统设计主要包括以下内容：6.3.1原料预处理原料预处理是对生物质能原料进行物理、化学或生物处理，以提高其能源转化效率。预处理过程包括破碎、干燥、筛选等。6.3.2能源转化设备能源转化设备包括气化炉、生物质锅炉、发电机等。这些设备的选择应根据生物质能资源类型、发电规模等因素进行。6.3.3系统集成系统集成是将原料预处理、能源转化设备、尾气处理等环节有机结合，形成一个完整的生物质能发电系统。系统集成应考虑设备匹配、工艺流程、自动化控制等因素。6.3.4环境保护措施生物质能发电过程中可能产生一定的环境污染，如烟尘、废气、废水等。在设计时应充分考虑环境保护措施，保证达标排放。6.3.5经济性分析生物质能发电项目投资较大，设计时应进行经济性分析，保证项目的盈利能力和可持续发展。经济性分析包括投资成本、运营成本、收益预测等。第七章水力发电技术7.1水力资源概述水力资源是指自然界中存在的，可通过技术手段开发利用，用于发电的水流能量。我国水力资源丰富，理论蕴藏量约为6.94亿千瓦，占全球水力资源的16.7%，位居世界首位。水力资源具有清洁、可再生的特点，是重要的可再生能源之一。水力资源的分布受地形、气候、水文等因素影响，呈现出地域性、季节性和不均匀性的特点。我国水力资源主要分布在西南、中南、西北等地区，其中四川、云南、西藏等地的水力资源尤为丰富。7.2水力发电原理水力发电是利用水流的动能转化为电能的一种发电方式。其基本原理是：利用水流的势能，通过水轮机将水能转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能。水力发电过程主要包括以下几个环节：（1）水流的收集与调节：通过水库、坝体等设施，收集和调节水流，使其具有足够的能量。（2）水轮机：水轮机是水力发电系统的核心部件，它将水流的动能转换为机械能。水轮机有多种类型，如轴流转浆式、混流式、冲击式等，根据水头和流量等参数选择合适的水轮机。（3）发电机：发电机将水轮机的机械能转换为电能。发电机类型有异步发电机、同步发电机等，根据水轮机的输出特性选择合适的发电机。（4）输电与配电：将发电机输出的电能通过输电线路传输至负荷中心，再通过配电系统分配给各类用户。7.3水力发电系统设计水力发电系统的设计涉及多个方面，主要包括以下几个方面：（1）水电站选址：根据地形、地质、水文、生态环境等因素，选择合适的水电站站址。（2）水库设计与调节：根据水电站的规模、水头、流量等参数，设计合理的水库容量和调节能力，以满足发电需求。（3）水轮机与发电机选型：根据水电站的水头、流量等参数，选择合适的水轮机和发电机类型。（4）输电与配电系统设计：根据水电站的输出功率和负荷需求，设计合理的输电和配电系统。（5）环境保护与生态修复：在水电站设计和建设过程中，充分考虑生态环境保护，采取有效措施减轻对生态环境的影响。（6）施工与运行管理：制定合理的施工方案和运行管理制度，保证水电站的安全、稳定运行。通过以上设计，水力发电系统可以实现高效、环保的发电，为我国能源结构调整和清洁能源发展做出贡献。第八章地热能发电技术8.1地热能资源地热能资源是指地球内部储存的热能，主要来源于地球内部的放射性衰变、地球早期形成时积累的原始热能以及地壳运动产生的摩擦热等。我国地热资源丰富，主要分布在西藏、云南、四川等地。根据地质条件，地热能资源可分为以下几类：（1）高温地热资源：温度在150℃以上，适用于发电和直接利用。（2）中温地热资源：温度在90℃至150℃之间，适用于供暖、温泉开发等。（3）低温地热资源：温度在25℃至90℃之间，适用于温泉、供暖等。8.2地热发电原理地热发电是利用地热能资源进行发电的一种技术。其原理是将地热流体（水或蒸汽）引入发电机组，驱动涡轮旋转，进而带动发电机产生电能。具体过程如下：（1）抽取地热流体：通过钻井技术，将地热流体从地下抽取至地面。（2）热交换：将地热流体送入热交换器，与工质进行热交换，使工质蒸发产生蒸汽。（3）驱动涡轮：蒸汽进入涡轮，驱动涡轮旋转。（4）发电：涡轮带动发电机旋转，产生电能。（5）排放尾气：发电过程中产生的尾气排放至大气或进行处理。8.3地热发电系统设计地热发电系统设计主要包括以下几个环节：（1）资源评估：对地热资源进行详细的地质调查、地球物理勘探和地球化学分析，确定地热资源的分布、温度、压力等参数。（2）钻井设计：根据资源评估结果，设计钻井方案，包括钻井深度、钻井工艺、钻井设备等。（3）发电机组选型：根据地热资源温度和压力，选择合适的发电机组。（4）热交换器设计：根据工质和地热流体的热物性，设计热交换器，保证高效的热交换。（5）尾气处理：设计尾气处理设施，降低排放污染。（6）电气设计：包括发电站的电气主接线、配电装置、控制系统等。（7）土建设计：包括发电站建筑、道路、排水等基础设施。（8）环境保护与监测：在设计过程中，充分考虑环境保护和监测措施，保证地热发电过程的环保和安全。第九章新能源电力并网技术9.1新能源电力并网概述新能源电力并网是指将新能源发电系统（如太阳能、风能、生物质能等）与现有电力系统进行连接，实现新能源电力的有效利用和优化配置。能源结构的调整和新能源技术的快速发展，新能源电力并网已成为我国能源转型的重要途径。新能源电力并网不仅能提高能源利用效率，减少环境污染，还能促进新能源产业的健康发展。9.2新能源并网技术要求9.2.1技术标准新能源并网技术标准主要包括以下几个方面：（1）电压和频率要求：新能源发电系统应满足国家规定的电压和频率要求，以保证电力系统的稳定运行。（2）电能质量要求：新能源发电系统应具备一定的电能质量调节能力，减少对电力系统的影响。（3）保护与控制要求：新能源发电系统应具备完善的保护与控制功能，保证系统安全运行。9.2.2技术要求新能源并网技术要求主要包括以下几个方面：（1）新能源发电系统的接入方式：根据新能源发电系统的容量、特性等因素，选择合适的接入方式，如直接接入、串并联接入等。（2）新能源发电系统的控制策略：根据新能源发电系统的特性，制定合理的控制策略，以实现与电力系统的稳定运行。（3）新能源发电系统的保护措施：针对新能源发电系统的特点，设计相应的保护措施，保证系统安全运行。9.3新能源并网系统设计9.3.1系统结构设计新能源并网系统主要由新能源发电系统、并网逆变器、滤波器、控制器、保护装置等组成。系统结构设计应遵循以下原则：（1）模块化设计：将系统划分为若干个子模块，便于安装、调试和维护。（2）可靠性设计：采用冗余设计，提高系统的可靠性。（3）灵活性设计：根据新能源发电系统的不同需求，可灵活调整系统配置。9.3.2控制策略设计新能源并网系统的控制策略主要包括以下几个方面：（1）最大功率点跟踪（MPPT）：通过实时监测新能源发电系统的输出特性，调整系统运行参数，实现最大功率输出。（2）电能质量控制：采用先进的电能质量控制技术，提高新能源发电系统的电能质量。（3）频率和电压调节：通过控制新能源发电系统的输出功率，实现电力系统的频率和电压调节。9.3.3保护措施设计新能源并网系统的保护措施主要包括以下几个方面：（1）过电压保护