1、江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8新能源转换与控制技术新能源转换与控制技术刘细平刘细平 博士博士 副教授副教授江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8本书主要内容本书主要内容第第1 1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论第第2 2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识第第3 3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第4 4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术第第5 5章章 生物质能的转换与
2、控制技术生物质能的转换与控制技术第第6 6章章 天然气、燃气发电与控制技术天然气、燃气发电与控制技术第第7 7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术第第8 8章章 海洋能利用与发电技术海洋能利用与发电技术第第9 9章章 其他新能源的发电与应用技术其他新能源的发电与应用技术江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8绪绪 论论 新能源利用包括可再生能源新能源利用包括可再生能源( (风能、太阳能、生物质能、风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能水能、海洋能) )和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术和地热能、氢能、核能转换
3、及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。术）。 新能源转换与控制技术涉及：新能源转换与控制技术涉及：利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源洁能源电能；电能；对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。求和电力的高效管理。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8第第1 1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术
4、导论江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8 1.1 1.1 能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.2 1.2 能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征 1.3 1.3 新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源转换的重要形式 1.4 1.4 新能源转换与控制技术的经济意义新能源转换与控制技术的经济意义 本章主要内容本章主要内容江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室20
5、22-6-81.11.1能源储备与可持续发展战略能源储备与可持续发展战略 1.1.1中国的能源结构与储备中国的能源结构与储备 1、中国的能源结构、中国的能源结构 中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富 ，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人，仅为美国人均水平的均水平的1/10。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-
6、8江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8 煤多油少煤多油少是中国能源储存是中国能源储存结构的基本特点，这种结结构的基本特点，这种结构到今后构到今后2020年，甚至到本年，甚至到本世纪中叶，我国以煤为主世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改变。的能源结构将不会改变。 在能源生产与消费中，以煤在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成分，造成环境污染严重、环境污染严重、效率低下、浪费惊人。效率低下、浪费惊人。江西理工大学江西理工大学 电气工程与
7、自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-82 2、中国的资源和能源储备、中国的资源和能源储备 我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用效率的低下。我国能源利用效率仅为效率的低下。我国能源利用效率仅为30%30%左右。左右。中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结构矛盾的表现。构矛盾的表现。煤电油供需矛盾相当突出。煤电油供需矛盾相当突出。 建立建立高度节约型的循环经济体制，高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和深入研究、大力开发和利用新能源，是中
8、国实现和平崛起的唯一选择。利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8中国与世界一次能源消费结构比较（中国与世界一次能源消费结构比较（20042004年）年）（美国数据为（美国数据为20012001年）年）江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8中国能源产消现状江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8年份年份占能源消费总量的比重占能源消费总量的比重/%煤炭煤炭石油石油天然气
9、天然气水电、核电、风电水电、核电、风电198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中国一次能源消费结构中国一次能源消费结构江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8“十五十五”以来中国能源消费增长情况以来
10、中国能源消费增长情况江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.1.2 中国的可持续发展战略l980l98020002000年期间，中国能源发展成就巨大：年期间，中国能源发展成就巨大：实现了实现了GDPGDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。翻两番而能源消费仅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。能源利用效率大幅度提高。取得了相当大的环境效益。取得了相当大的环境效益。 这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存但与世界发达国家
11、相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。在很大差距。江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8 在在20062006年初，我国正式颁布了年初，我国正式颁布了可再生能源法可再生能源法，陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展法制化、规范化和可持续发展的新阶的新阶段，并迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国段，并迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。民经济与社会事业的繁荣再添辉煌
12、。 未来，我国将以未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热燃料电池、微燃机组热电联产分布供电等具有大规电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。模发展潜力的新技术为重点。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8风力发电风力发电江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8水力发电水力发电江西理工大学江西理工大学 电气
13、工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8燃料电池汽车燃料电池汽车江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8奥体中心光伏发电项目奥体中心光伏发电项目 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.21.2能源的分类与基本特征能源的分类与基本特征1.2.1 1.2.1 能源的分类能源的分类1 1、能源、能源 能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界上世界上一切形式的能源的初始来
14、源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。星的运行。 2 2、能源的分类、能源的分类 “ “世界能源理事会世界能源理事会(World Energy Council WEC)”(World Energy Council WEC)”推荐的能源分推荐的能源分类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。 能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再能源
15、还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.2.2 1.2.2 能源的基本特征能源的基本特征一次能源一次能源: :指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。一一 次次 能能 源源 可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初
16、级资源 。 包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8二次能源二次能源: :是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。氢气和焦炭等等。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。二次能源又可分为二次能源又可分
17、为“过程性能源过程性能源”和和“合能体能源合能体能源”。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。 如：电能如：电能如：柴油、汽油如：柴油、汽油江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8终端能源终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。费的各种能源。 常规能源常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。煤炭、石油
18、、天然气、水能等能源属于常规能源。 商品能源商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5 5种。种。非商品能源非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。能源供应中占有很大比重。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.2.3 1.2
19、.3 新新能源及主要特征能源及主要特征新能源：新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受； 能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。包含两方面：包含两方面：新能源体系新能源体系：可再生能源：可再生能源( (风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能) )和地热和地热 能、氢能、核能能、氢能、核能新能源利用技术新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术江西理工大学江西理工大学 电气
20、工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8“新新”与与“旧旧”的区别的区别“新新”与传统的与传统的“旧旧” ” 能源利用方式和能源系统相对立能源利用方式和能源系统相对立 。“旧旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；以化石燃料为主的传统能源利用形态； 只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率 ； 只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。“新新”： 高效利用能源；高效利用能源； 资源综合利用；资源综合利用； 可再生能源；可再生能源； 替代能
21、源；替代能源； 节能。节能。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.2.4 1.2.4 分布式能源及主要特征分布式能源及主要特征1 1、分布式能源、分布式能源 国际分布式能源联盟（国际分布式能源联盟（WADEWADE）对）对“分布式能源分布式能源”给出的定义是：发给出的定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有： 高效的利用发电产生的废能生产热和电；高效的利用发电产生的废能生产热和电； 现场端的可再生能源系统；现场端的可再生能源系统； 包括利用现场废气、废热以及多余压差
22、来发电的能源循环利用系统。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，而不考虑这些项目的规模、燃料这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。或技术，及该系统是否联接电网等条件。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：l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最主微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利
23、用能源和节能的最主要形式；要形式；l“燃料电池燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。 高效燃料电池高效燃料电池江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8微型燃气轮机微型燃气轮机江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-82 2、分布式能源主要特征、分布式能源主要特征 (1)(1)高效性高效性 (2)(2)环保性环保性(3)(3)能源利用的多样性能源利用的多样性(4)(4)调峰作用调峰作用(5)(5)安全
24、性和可靠性安全性和可靠性(6)(6)减少国家输配电投资减少国家输配电投资(7)(7)解决边远地区供电解决边远地区供电江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.31.3新能源发电新能源发电能源转换的重要形式能源转换的重要形式 1.3.1 1.3.1 新能源发电技术的应用新能源发电技术的应用 风力发电风力发电 风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的 发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为 发达国家风电发展的主要形式。发达国家风电发展的主要形式。目前研发
25、重点主要集中在目前研发重点主要集中在u 大型风力发电场与现有电网联网；大型风力发电场与现有电网联网；u 继续开发可靠的风力预报方法；继续开发可靠的风力预报方法；u 开展与风能开发相配套的生态影响研究；开展与风能开发相配套的生态影响研究；u 发展海上风力发电等发展海上风力发电等。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8太阳能发电太阳能发电 美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界
26、范围内已建成目前，在世界范围内已建成多个多个MWMW级的联网光伏电站。级的联网光伏电站。美国最大太阳能发电项目美国最大太阳能发电项目“太阳能之星太阳能之星”江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8燃料电池发电燃料电池发电 燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许
27、多最先进的技术。 燃料电池发电系统燃料电池发电系统 燃料电池汽车燃料电池汽车江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8生物质发电生物质发电 全球每年植物所固定的生物质能相当于全球每年植物所固定的生物质能相当于10.210.2万亿吨标准煤，相当于全万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（世界每年耗能（8787亿吨标准煤）亿吨标准煤）11721172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合
28、生物质能总量约合7 7亿吨标准煤，但目前开发极少。亿吨标准煤，但目前开发极少。 生物质发电示意图生物质发电示意图秸秆发电厂秸秆发电厂江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8核能发电核能发电 又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无用于核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。
29、 俄罗斯悬浮核能发电厂俄罗斯悬浮核能发电厂 核能发电厂水蒸气核能发电厂水蒸气江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8燃气发电燃气发电 根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。置组成热
30、电联产或分布式能源供给系统。 距尼日利亚拉各斯距尼日利亚拉各斯7070余余公里的帕帕兰多燃气电公里的帕帕兰多燃气电站一角。站一角。 帕帕兰多燃气电站的帕帕兰多燃气电站的8 8台台燃气机组都是由中国制燃气机组都是由中国制造。总装机容量为造。总装机容量为33.633.6万千瓦。万千瓦。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。 地热能发电地热能发电 海洋能海洋能潮汐发电站潮汐发电站 江西理工大学江西理工大学 电气工程与
31、自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.3.2 1.3.2 我国新能源发电的现状我国新能源发电的现状 太阳能发电太阳能发电我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到到21%21%，一般商业电池效率是，一般商业电池效率是10%10%14%14%。已建成。已建成1 1座光伏电站，总容量约座光伏电站，总容量约40MW40MW。 风能发电风能发电到到20052005年底，我国独立风电装置有年底，我国独立风电装置有1010多万台，总容量多万台，总容量20MW20MW左右，左右，80%80%以上在内蒙古。新疆达板城风电二
32、场是我国目前最大的联网风电以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的场，我国自行研制的1.5MW1.5MW风力发电机组已经投入运行。风力发电机组已经投入运行。 地热能发电地热能发电地热能我国地热发电站总装机容量地热能我国地热发电站总装机容量30MW30MW左右，其中西藏左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。 生物质能发电生物质能发电生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣/ /稻壳燃烧稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约发电、稻壳气化发电和沼气发
33、电等技术已得到应用，总装机容量约800MW800MW。江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8燃料电池发电燃料电池发电燃料电池自上世纪燃料电池自上世纪9090年代中期以来，我国在燃料年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。小水利发电小水利发电由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政
34、策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。水电站的热潮。核能发电核能发电预计，中国计划预计，中国计划20202020年核能发电能力将由目前的约年核能发电能力将由目前的约8kMW8kMW增加到增加到40kMW40kMW，投资金额高达，投资金额高达300300亿美元。亿美元。 开发时序预期为：开发时序预期为：2000200020202020年重点开发先进核反应堆技术；年重点开发先进核反应堆技术； 2020202020302030年重点开发快中子堆技术；年重点开发快中子堆技术； 2030203020402040年重点开发加速器驱动亚
35、年重点开发加速器驱动亚1 1临界系统；临界系统； 2040204020502050年重点开发受控核聚变技术。年重点开发受控核聚变技术。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.3.3 1.3.3 新能源发电及其电源变换系统的典型结构新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1 1.3.3.1 太阳能光伏发电及其电源变换系统太阳能光伏发电及其电源变换系统 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式，光伏发电系统由接发电形式，光伏发电系统由等环节组
36、成，等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。将太阳能转换为可利用的电能。1 1、光伏发电系统结构、光伏发电系统结构 典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。子变换器、负载等构成。 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8太阳能电池阵列蓄电池组控制器电力电子负载变换器（1 1）光伏阵列）光伏阵列 实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发
37、电系统输出电压和电流的需要。排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。 光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量； 光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。 1 1个光伏电池额定输出电压大约为个光伏电池额定输出电压大约为0.45V0.45V. .图图1-1 1-1 光伏发电系统组成光伏发电系统组成江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（2 2）蓄电池组）蓄电池组 作为电能存储环节，通过充电控制
38、器实现对蓄电池组的充放电（太阳作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列能电池阵列蓄电池组的充电、蓄电池组蓄电池组的充电、蓄电池组负载的放电）双向变负载的放电）双向变换控制。换控制。（3 3）电力电子变换器）电力电子变换器 电力电子变换器实现电力电子变换器实现DCDCACAC或或DCDCDCDC电能变换，是光伏发电系统的关电能变换，是光伏发电系统的关键部分。键部分。 直流变换器直流变换器将直流电源变换为不同电压等级的直流电源将直流电源变换为不同电压等级的直流电源交流变换器交流变换器将直流电源逆变成交流电源将直流电源逆变成交流电源变变 换换 器器江西理工大学江西理工大
39、学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（4 4）控制器）控制器 光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。 功能包括：太阳能最大功率点控制（功能包括：太阳能最大功率点控制（MPPTMPPT） 蓄电池充放电控制蓄电池充放电控制 光伏直流输电升降压变换控制光伏直流输电升降压变换控制 逆变器控制等逆变器控制等（5 5）负载）负载 终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。量。负负 载载直流负载直流负载 由直流电源供电由直流电源供
40、电 交流负载交流负载 由交流电源供电由交流电源供电 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-82 2、光伏发电系统的分类、光伏发电系统的分类 按电力系统终端供电模式分为按电力系统终端供电模式分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。（1 1）独立光伏发电系统）独立光伏发电系统 独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统 用户光伏发电系统用户光伏发电系统 独立光伏发电站独立光伏发电站。一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。一般由光伏电池板、蓄电池
41、、充放电变换器和控制器等组成。太阳能电池阵列蓄电池组控制器DC/AC交流负载直流负载逆变器图图1-2 1-2 户用光伏发电系统户用光伏发电系统江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（2 2）光伏并网系统）光伏并网系统 由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。 典型的光伏并网系统如图：典型的光伏并网系统如图：太阳能电池阵列蓄电池DC/DC变换器驱动电路PWM控制器电抗器电网变压器DC/DC斩波器DC/AC逆变器图图1-3 1-3 典型并网光伏发电系统典型并网光伏
42、发电系统江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-83 3、电源变换系统结构、电源变换系统结构 逆变电路逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换电路。是所有新能源转换系统中最重要的电能变换电路。 主要作用是将直流电经主要作用是将直流电经DC/ACDC/AC逆变器变换成与电网同频率的交流电，逆变器变换成与电网同频率的交流电，为实现并网供电奠定基础。为实现并网供电奠定基础。 根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：逆逆 变变 电电 路路电流源型电流源型电压源型电压源型江西理工
43、大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（1 1）电流源逆变电路）电流源逆变电路 直流母线采用电感（直流母线采用电感（L L）储能）储能图图1-4 典型电流源逆变电路典型电流源逆变电路 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（2 2）电压源逆变电路）电压源逆变电路 直流母线采用电容（直流母线采用电容（C C）储能）储能CUsa Usb UscUiii+-abcdcVT1VD1VT3VD3VT5VD5VT4VD4VT6VD6VT2VD2图图1-5 1-5 典型电压源逆变电路典型电
44、压源逆变电路 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（3 3）复杂逆变电路）复杂逆变电路 VBVBVCVCVAVAVBVCVAVBVCVACCU+ABCUVWdc12111122222211333444DADADBDBDCDC优点优点是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；缺点缺点是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。图图1-6 1-6 二极管箝位的三电平电路二极管箝位的三电平电路 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动
45、化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8（4 4）级联式逆变器）级联式逆变器 C+光伏电源C+光伏电源Cn+光伏电源.anVT11VD11VT12VD12VT13VD13VT14VD14VT21VD21VT22VD22VT23VD23VT24VD24VTn1VDn1VTn2VDn2VTn3VDn3VTn4VDn412多电平逆变器虽然可根据光伏多电平逆变器虽然可根据光伏阵列的组合，方便地组合成多阵列的组合，方便地组合成多电平光伏逆变器，但由于各级电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏阵列可能存电平中对应的光伏阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然在不均衡，电平平衡控制仍然
46、是一个难题，限制了其广泛应是一个难题，限制了其广泛应用。用。 图图1-7 级联式多电平逆变器拓扑结构级联式多电平逆变器拓扑结构 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81.3.3.2 1.3.3.2 风力发电及其电源变换系统风力发电及其电源变换系统从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分：从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分： 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。风力机在结构型式上分水平轴
47、式与垂直轴式。风力机在结构型式上分水平轴式与垂直轴式。垂垂 直直 轴轴水水 平平 轴轴江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-81 1风力发电系统结构风力发电系统结构 风力发电系统是将风能转换为电能，由机械、电气及控制大系风力发电系统是将风能转换为电能，由机械、电气及控制大系统组合构成。统组合构成。 包括风轮（风力机）、发电机、变速器及有关控制器和储能装置。包括风轮（风力机）、发电机、变速器及有关控制器和储能装置。 典型的风力发电系统：典型的风力发电系统： 风能资源风能资源 风力发电机组风力发电机组 控制装置控制装置 蓄能装置蓄能装置
48、 备用电源备用电源 电能用户电能用户江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组 又称离网式风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池又称离网式风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用。蓄能，再供应用户使用。交流发电机整流器控制器逆变器蓄电池负载图图1-8 1-8 独立运行的风力发电系统框图独立运行的风力发电系统框图 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8储能方式：储能方式：蓄电池蓄能蓄电池蓄能(
49、 (主要）主要） 在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池作在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池作为存储电能的装置。为存储电能的装置。抽水蓄能抽水蓄能 地形条件合适地形条件合适压缩空气储能压缩空气储能飞轮储能飞轮储能电解水制氢储能电解水制氢储能江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8、并网运行的风力发电机组、并网运行的风力发电机组（1 1）恒速恒频方式）恒速恒频方式 风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。采用笼形
50、异步发电机。运转，从而输出恒定额定频率的交流电。采用笼形异步发电机。风轮变速箱发电机变压器电网补偿电容图1-9 恒速恒频并网发电系统 江西理工大学江西理工大学 电气工程与自动化学院电气教研室电气工程与自动化学院电气教研室2022-6-8恒速发电的特点：恒速发电的特点：电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏；响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏；强阵风来时，转速不变，机械承受应
