1、新能源发电与控制技术第九章新能源发电与控制技术第九章9.1 9.1 飞轮储能飞轮储能9.1.1 9.1.1 飞轮储能装置的构成和工作原理飞轮储能装置的构成和工作原理图9-1 飞轮储能装置结构图飞轮储能装置结构如图9-1所示,主要包括5个基本组成部分:采用高强度玻璃纤维(或碳纤维)复合材料的飞轮本体;悬浮飞轮的电磁轴承及机械保护轴承;电动/发电互逆式电机;电机控制与电力转换器；高真空及安全保护罩。现代飞轮储能系统一般都是由一个圆柱形旋转质量块和磁悬浮轴承支撑机构组成。采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗,提高系统的寿命。为了保证足够高的储能效率,减少风阻损耗,飞轮储能系统应该运行于真空度较高的环境
2、中。飞轮与电机同轴相连,通过电力电子能量转换装置,可进行飞轮转速的调节,实现储能装置与电网之间的能量交换。9.1.2 9.1.2 飞轮电机的选择飞轮电机的选择 飞轮储能系统的运行特点及对飞轮电机的要求主要有:(1)飞轮电机应具有可逆性,能运行于电动和发电两种工作状态;(2)飞轮需要高速旋转,要求电机易于高速运行;(3)储能和释能工作方式的转换要求电机能够适应大范围的速度变化;(4)长时间的不间断运行需要电机有较长的稳定使用寿命;(5)长时间的储能运行要求电机的空载损耗不能太大;(6)要求电机有较大的输出转矩和输出功率;(7)要求电机运行效率高、调速性能好;(8)要求电机具有结构简单、运行可靠、
3、易于维护等优点。根据以上的运行特点和要求,有三类电机可供选择:感应电机、磁阻电机、永磁电机。9.1.3 9.1.3 无刷直流电机基本结构及数学模型无刷直流电机基本结构及数学模型 无刷直流电机由电机本体、位置传感器、电子换向线路三部分组成,其基本结构原理图如图9-2所示。图9-2 无刷直流电机组成方框图 无刷直流电机的反电动势为梯形波,因此在三相坐标系下分析比较方便,分析时做如下假设:(1)电机磁路不饱和;(2)不计涡流和磁滞损耗;(3)三相绕组完全对称。由此可得无刷直流电机的电路拓扑结构如图9-3所示。图9-3 无刷直流电机电路拓扑9.1.4 9.1.4 飞轮储能系统工作模式分析飞轮储能系统工
4、作模式分析 飞轮储能系统工作过程可划分为三种工作模式:充电工作模式 图9-4 充电主电路拓扑 在充电工作模式下,飞轮储能系统消耗外部电能,带动飞轮加速旋转,这样电能转换为机械能存储在飞轮中。如图9-4所示,电路拓扑主要有四个部分:整流电路、PAM 电路、逆变电路、泵升电路。2.放电工作模式 飞轮放电工作模式与充电模式正好相反,主要表现在两个方面:能量的流向与储能工作模式相反,由飞轮流向负载;电机的运行状态与储能工作模式相反,飞轮电机作为发电机运行,消耗机械功率,获得电能输出,完成机械能向电能转化。放电主电路拓扑简图如图9-5所示,其主要由三个部分组成:整流电路、BOOST升压电路、逆变及滤波电
5、路。图9-5 放电主电路拓扑简图3.保持工作模式 保持工作模式既没有能量的正向流动,也没有能量的反向流动,飞轮处于空闲运转状态,整个飞轮储能系统以最小的损耗运行,能量基本保持恒定。此外,也可以考虑在保持工作模式采用低压模式,这样可以使飞轮长时间存储额定能量。在这种工作模式下电网直接为负载提供能量。9.1.5 9.1.5 飞轮储能的应用飞轮储能的应用(1)电力系统中的应用。主要是用抽水储能进行调峰,而飞轮储能系统充放电快、占地面积小、不污染环境,因此用飞轮储能系统来进行电力调峰也是一个热点研究。(2)汽车工业领域应用。汽车工业是飞轮储能系统最早应用的领域。(3)风力发电中的应用。(4)其他领域的
6、应用。除了上述应用领域外,飞轮电池还可以作为医疗设备、军事设备、安全设备、通信设备、电信中基站、核聚变实验装置、计算机站等场所的不间断供电备用电源(UPS)。9.2 9.2 超导磁储能超导磁储能9.2.1 SMES9.2.1 SMES的工作原理与系统组成的工作原理与系统组成 按功能模块划分,一般SMES的基本结构如图9-6所示。它主要由超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器等组成。图9-6 SMES结构图1.超导线圈 超导线圈的形状通常是环形和螺管形。2.失超保护 对于超导磁体,失超时可能出现3种情况:过热;高压放电;应力过载。3.冷却系统 低温冷却装置由不锈钢制冷器、低温液体的分配系统
7、、一对自动的氦液化器3部分组成。4.变流器 常用的变流器有两种:电压型和电流型变流器。5.控制系统 控制器的性能必须和电网的动态过程匹配,一般由外环控制和内环控制两部分组成。9.2.2 9.2.2 超导磁储能装置控制模式超导磁储能装置控制模式 超导磁储能系统工作模式可以分成四种:充磁模式、放磁模式、维持模式和交换模式。图9-7给出了该系统的模式转换图。图9-7 超导磁储能系统模式转换图充磁模式 在储能系统与电网进行功率交换时,一旦储能量低于最小储能量时,系统将进入充磁模式。2.维持模式 在系统处于待命状态不与电网发生功率交换时,由于储能设备的超导线圈电流引线等非超导部件的存在,储能设备会产生一
8、些损耗,导致超导线圈电流将以非常缓慢的速度减小。为了维持超导线圈的电流为恒定值,需要电网通过PCS按涓流充电方式对超导线圈充磁。3.放磁模式 放磁模式可以分成两种情况:正常放磁;故障保护。4.功率交换模式 储能系统与电网发生有功功率和无功功率交换。9.2.3 9.2.3 控制策略及控制方法控制策略及控制方法1.PID控制 这是电力系统中的常用方式,其理论完善、调整方便、易于在工程上实现。2.反馈线性化 反馈线性化分为微分几何法和直接分析法两类。3.鲁棒控制 可通过降低系统灵敏度来抵御外部扰动和系统参数的摄动。4.自适应控制 用于解决互联系统间相互干扰及参数的不确定性问题。5.模糊逻辑控制 模糊
9、逻辑控制属智能控制范畴,对复杂的非线性、时变、不确定性系统,采用开闭环控制和定性与定量控制相结合的多模态控制方式可很好地解决非线性和不精确性问题,有望成为综合解决复杂电力系统控制面临的诸多问题的有效方法。6.人工神经网络(ANN)用大量简单处理单元经广泛连接组成模拟大脑神经系统结构和功能的人工网络具有较强的鲁棒性和自学习能力,能很好地处理一些输入量与系统之间的非线性关系。9.2.4 SMES9.2.4 SMES的应用的应用 超导储能装置SMES是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种快速、高效的储能装置。与其他储能装置相比,SMES具有储能量大、转换效率高、响应迅速、对环境无污染、控制方便
10、、使用灵活等优点,在电力系统中有着广泛的应用前景。根据储能装置容量的不同,可分为大型和中小型SMES,不同的储能容量在电网中所扮演的角色是不同的。SMES储能装置技术的逐步成熟,使得其应用于电力系统的实际生产运行具有可行性。如何使得储能装置更好地发挥其提高电力系统稳定性的作用,是当前储能领域研究的一个热点。9.3 9.3 超级电容器储能超级电容器储能超级电容器具有以下特点:(1)电容量很大,1995年报道了电容量达2300F的超级电容器。(2)与普通电容器相比,具有很高的能量密度。是普通电容器的10100倍,一般可达2070MJ/m3。(3)漏电流极小,具有电压记忆功能,电压保持时间长。(4)
11、充放电性能好,且无需限流和充放电控制回路,不受充电电流限制,可快速充电,通常几十秒。(5)储存和使用寿命长,维修费用很小。(6)使用温度范围广,可达-40+85。而电池仅为0+40。(7)比蓄电池安全,如果短路,超级电容器不会爆炸。9.3.1 9.3.1 超级电容器储能系统结构超级电容器储能系统结构 1.超级电容器储能系统主电路超级电容器储能系统主电路 超级电容器储能系统正常工作时超级电容器储能系统正常工作时,通过通过IGBT逆变器将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压。当逆变器将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压。当仅考虑基波频率时仅考虑基波频率时,可以将超级电容器储能系统等效为幅值和
12、相位均可控制的交流同期电压源。其主电可以将超级电容器储能系统等效为幅值和相位均可控制的交流同期电压源。其主电路主要包括三部分路主要包括三部分:整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元采用三相全桥整流器整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元采用三相全桥整流器,给超级电容器充电给超级电容器充电及为逆变单元提供直流电能。逆变单元采用及为逆变单元提供直流电能。逆变单元采用IGBT组成组成的三相电压型逆变器的三相电压型逆变器,通过变压器与电网相连。通过变压器与电网相连。2.储能系统工作原理 超级电容器储能系统的单相等效电路如图9-8所示。图9-8中 和 分别表示电网电压和逆变器的输出电压,X 表示逆变器与
13、电网之间的连接电抗。从图9-8中可以看出,连接电抗上电压 为 和 的相量差。因此,改变逆变器的输出电压 的幅值及其相对于。的相位,就可以改变连接电抗器上的电压和电流。图9-8 超级电容器储能系统的单相等效电路sUsUsUsUIUIUIULU图9-9表示电流 超前或滞后于 时各个电压、电流之间的相量关系。从图9-9中可以看出,和 同相,改变 的幅值大小可以控制逆变器是从电网吸收的电流是超前还是滞后90,并且能够控制该电流的大小。图9-9 不考虑损耗的工作相量图LUSUIUIUII在上面的分析中,没有考虑系统中的损耗,如果将损耗等效为连接电抗器上的电阻,则工作相量图如图9-10所示。此时,由于损耗
14、R 的存在,、和 三者之间有了夹角,从而导致了逆变器与电网之间的无功功率传递。图9-10 考虑损耗的工作相量图IULUSU9.3.2 9.3.2 逆变器控制方法逆变器控制方法数字PID控制 具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制。2.状态反馈控制 利用状态反馈实现了逆变器系统极点的优化配置,逆变器工作在一种十分稳定的状态,输出具有良好的瞬态响应效果和较低的谐波畸变率。3.无差拍控制 无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式,它利用状态反馈实现零点和极点的对消,并配置另一个极点于原点。4.重复控制 重复控制是一种基于内模原理的控制方法,目的是为了消除非线性负载对逆变器输出的影响
15、。5.滑模变结构控制 滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法。6.神经网络控制 通过模仿人的大脑实现对系统的控制。7.模糊控制 模糊控制从模仿人的思维外特性入手,模仿人的模糊信息处理能力,属于智能控制的范畴。9.3.3 9.3.3 超级电容器储能的应用超级电容器储能的应用小功耗电子设备的电源/备用电源2.电动汽车及混合动力汽车3.可再生能源发电系统/分布式电力系统4.军事装备领域5.电网/配电网的电力调峰和电能质量改善9.4 9.4 电电 动动 汽汽 车车9.4.1 9.4.1 电动汽车的应用背景电动汽车的应用背景 汽车的能源消费占世界能源总消费的近1/4。随着发展中国家经济水平的提高
16、,汽车的保有数量在急剧增加,由此而引起的能源与环境问题就显得更加严重。在当今世界面临能源与环境的双重危机之际,要求汽车工业提高汽车的能源使用效率,减少污染物质的排出量,但是仅通过改善现有内燃机车的性能来解决这一问题是很困难的。开发电动汽车是解决这一问题的有效途径之一。9.4.2 9.4.2 电动汽车的特点电动汽车的特点电动汽车与常规的内燃机车比较有以下特点:(1)效率高 (2)环境污染低 (3)可使用多种能源 (4)噪声低9.4.3 9.4.3 电动汽车的现状和开发动向电动汽车的现状和开发动向(1)驱动系统的技术动向。作为电动汽车的驱动系统,交流电动机是最佳的选择,最高效率已达96%,并且其与
17、变速机的优化系统也已开发成功。(2)控制系统的技术动向。电动汽车的一个主要的优点是,电动机可以作为发动机在制动时把车辆的运动能再生为电能回收。(3)充电系统的技术动向。短时间高效率充电系统正在开发。充电器的通用化、充电控制系的规范化、充电连接器的标准化等也是影响电动汽车普及的重要问题。9.4.4 9.4.4 电动汽车动力电池变流放电特性电动汽车动力电池变流放电特性酸电池动态模型的建立酸电池动态模型的建立 一般电池系统可以归纳为如图一般电池系统可以归纳为如图9-11所示的模型。所示的模型。图图9-11中中,电池系统是一个电池系统是一个“黑匣子黑匣子”,放电电流放电电流I 为输入为输入,端电压端电
18、压U 为输出为输出,属于以输入电流和输出属于以输入电流和输出电压关系或外特性来描述的电池模型。它避免了研究电池内部的电极反应电压关系或外特性来描述的电池模型。它避免了研究电池内部的电极反应,因为电池内部的电极反因为电池内部的电极反应非常复杂应非常复杂,很难用一个或几个方程来描述。其本质上也没有直接考虑电池内部的电化学过程很难用一个或几个方程来描述。其本质上也没有直接考虑电池内部的电化学过程,主主要依据大量实验数据要依据大量实验数据图9-11 电池系统模型示意图 和模拟人的思维判断进行模糊推理。2.酸电池的放电特性分析酸电池的放电特性分析(1)放电容量随放电电流增加而降低。放电容量随放电电流增加
19、而降低。(2)开路电压与开路电压与SOC有较确定的简单关系。大量有较确定的简单关系。大量 实验证明实验证明,铅酸电池的铅酸电池的SOC近似和开路电压呈线近似和开路电压呈线性或分段线性关系性或分段线性关系,由电池的开路电压即可估计电池的由电池的开路电压即可估计电池的SOC。9.5 9.5 抽抽 水水 储储 能能9.5.1 9.5.1 抽水储能的优劣抽水储能的优劣 优点：技术成熟可靠,容量可做得很大;运行方式较为灵活,系统开启时间较短,增减负荷速度快,运行成本低。缺点：建造受到地理条件的限制。初期投资较大,建设工期很长,建设工程量大,厂址一般远离负荷中心,有输电损耗,在抽水和发电两过程中都有相当数
20、量的能量损失。9.5.2 9.5.2 抽水储能的研究现状抽水储能的研究现状 我国抽水蓄能电站面临高速发展契机。我国抽水蓄能电站目前占比明显偏低,随着国内核能发电及大型火力发电机组的投建,近年来国内抽水蓄能电站建设明显加速。典型的抽水储能示范工程有惠州抽水储能电站、十三陵蓄能电厂等。惠州抽水储能电站是目前我国最大的抽水储能示范工程,装机容量为2400MW,年发电量为45.62亿kWh,抽水耗电量为60.03亿kWh。十三陵蓄能电厂是华北电网最大的抽水蓄能电厂,共装有4台200MW 混流可逆式水轮发电机组,为华北电网提供可靠的调频、调峰、紧急事故备用电力.9.6 9.6 压缩空气储能压缩空气储能9
21、.6.1 9.6.1 压缩空气储能的原理压缩空气储能的原理图9-12 CAES工作原理图 目前存储在洞穴内的压缩空气运用于发电中比较常用的是将压缩空气与天然气混合燃烧,燃烧方式与常规燃气轮机相同,该方法压缩空气损失能量较少,如图9-12所示,这种方式主要分为两个阶段:(1)压缩空气能存储阶段 在该阶段中,为了使空气压缩过程中温度降低,减少压缩功,采用中间冷却循环系统,如图9-13所示,对压缩空气存储分为低压压气和高压压气两个过程，在连图9-13 CAES系统储能原理图续两个过程中增加冷却器,将中间过程的气体进行降温。(2)压缩空气发电阶段 当电网负载增大,用电需要补充时,将存储的高压气体释放来
22、发电,势能转换为电能。如图9-14所示,常规的压缩空气蓄能发电系统,是将释放出来的压缩空气与天然气混合燃烧,推动燃气轮机做功,输出电能。图9-14 压缩空气发电9.6.2 9.6.2 压缩空气储能发电系统应用压缩空气储能发电系统应用 目前,压缩空气储能发电运用主要是将多余电能储存利用,实现削峰填谷。压缩空气储能发电系统还特别适合于解决风力发电和太阳能发电随机波动等问题,保证电能输出质量。随着风力发电装机容量逐渐升高,压缩空气蓄能方式将是风能大规模并网发电的新途径。随着压缩空气储能技术的不断发展,应用领域不断扩展,特别是装置小型化,在日常生活中应用前景越来越广泛。9.7 9.7 氢储能氢储能9.
23、7.1 9.7.1 氢储能的原理及发展现状与技术优势氢储能的原理及发展现状与技术优势(1)氢储能的原理 目前,国内外专家都提出了“制氢储能”,作为可应用在电力系统中的另一种储能技术。制氢技术的基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。(2)储能的发展现状 基于氢气本身的优越性,近年来国内外对发展氢能的呼声越来越高,同时在制氢技术、储氢技术、储氢材料和氢能利用等方面开展了研究。(3)技术优势9.7.2 9.7.2 电解制氢过程电解制氢过程(1)碱性水电解。在制氢的过程中,目前通常使用的是在碱性水溶液中制备氢气的方法,这个是比较常用而且也是发展比较成熟的技术。该法对设备的要求不高,投资主要集中在设备,制
24、得的氢纯度高,工艺过程也相对环保无污染,但是效率不是很高且消耗大量电能,因此受到一定的限制。(2)储氢合金的储氢原理。储氢合金的吸氢过程分三步进行:1)吸收少量氢后,形成含氢固溶体,合金的结构保持不变,其溶解度与固溶体平衡氢压的平方根成正比。2)进一步吸氢,固溶相MHx 与氢反应,产生相变,生成金属氢化物。3)增加氢气压力,生成含氢更多的金属氢化物。这个反应是一个可逆反应,吸氢时放热,吸热时则放出氢气。储氢合金吸氢,生成金属氢化物,或者是金属氢化物分解,释放氢气,受温度、压力与合金成分的控制。9.7.3 9.7.3 氢燃料电池发电氢燃料电池发电(1)质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜
25、燃料电池具有启动速度快、操作温度低、电流密度高及体积小等特点,特别适用于可移动电源和分散电站建设,作为一种新型高效环保的发电技术,具有很大的商用潜力。(2)PEMFC发电系统。氢空质子交换膜燃料电池发电系统主要由电池堆本体、燃料供给系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统、DC/DC转换装置及控制系统组成。(3)PEMFC发电基本原理。PEMFC在铂催化剂作用下,氢气分子阳极失去电子成为氢离子,同时氧气分子在阴极得到电子,并从离子交换膜中得到质子而生成水分子。(4)PEMFC发电系统结构。PEMFC单体发电功率由其有效工作面积决定,一般电压为1V 左右。系统主要包括电堆、氢气供给、空气供给、冷却水
26、循环系统、控制单元和负载等。9.8 9.8 虚拟储能技术虚拟储能技术9.8.1 9.8.1 需求侧管理对储能的影响需求侧管理对储能的影响 电力需求侧管理是指通过采取有效的激励措施,引导电力用户改变用电方式,提高终端用电效率,优化资源配置,改善和保护环境,实现最新能源发电与控制技术小成本电力服务所进行的用电管理活动,是促进电力工业与国民经济、社会协调发展的一项系统工程。电力需求侧管理与电力部门传统的用电管理相比有本质上的区别。9.8.2 9.8.2 智能电网与需求侧管理智能电网与需求侧管理 在智能电网中,电力用户的所有负荷特别是弹性负荷不再是随机地投入电网,而是有组织、有计划地投入电网。这些能够
27、被有组织、有计划调度的负荷就是智能需求。而如何充分利用好弹性负荷是需求侧管理需要解决的课题。在智能电网时代,需求侧管理的作用也将会变得越来越重要,其基本的2个目标就是:采取推广节能设备和节能建筑的方式,来实现总能耗的降低。通过分时电价等手段改变用户的用电方式,以此来实现对电力系统的负荷整形和削峰填谷。我国在智能电网的建设过程中,需求侧管理也有了新的内容,作为电力企业来说,需要重新认识在智能电网条件下的用电需求。按照不同的应用标准,智能电网中的用电需求分为三种情况:1)环保型 2)经济型 3)应急型9.8.3 9.8.3 基于需求侧管理的虚拟储能的实现基于需求侧管理的虚拟储能的实现 随着智能电网
28、的建设,特别是智能电能表和智能终端的大量应用也使调度部门对电网末端的负荷预测成为可能。与普通多功能电子电能表相比,智能电能表是双向通信功能,即电网不仅能从电能表收集用电信息,更能将电网信息(如实时电价等)及控制命令下达给电能表,电能表接收并做出“智能”响应。在智能配电网中,每个客户端都会有一个智能终端,称为“智能代理”,通过对智能代理的编程设置,可以输入客户的电能消费模式,预测客户端负荷的能源需求,合理安排客户端的电能消费。另外,能源互联网根据每日不同时段用电量的不同,采取分时定价的弹性价格机制。因此,在智能配电网中,通过智能代理依据客户电能消费模式对负荷的提前预测,可以使分布式发电端按照客户端的消费需求,采取动态的发电模式,能够有效地减少分布式发电端产生的剩余电能,从而可以大大减少对能源的浪费,缓解了储能装置的存储压力,降低了分布式发电对储能装置容量的要求,实现了虚拟储能的功能。谢谢！
