新能源发电系统控制技术

新能源发电系统控制技术一、新能源发电与控制技术1.1能源的分类与基本特征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。

“世界能源理事会(World Energy Council–WEC)”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；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；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。

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。

其中包含可再生能源和非可再生能源。

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、用之不竭的初级资源。

与可再生能源对应的非再生能源则包括：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。

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。

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。

二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。

含能体能源指包含着能量的物质或实体，如化石燃料、核燃料、生物质、地热水等。

过程性能源指随着物质运动而产生、并且仅以运动过程的形式而存在的能源。

如天上刮的风、河里流的水、涨落的海潮、起伏的波浪、地球内部的地热等。

终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。

常规能源又称传统能源。

已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气等能源属于常规能源。

商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。

目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电5种。

非商品能源主要指枯柴、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能源供应中占有很大比重。

新能源：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。

新能源包含以下两方面：新能源体系：可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能)和地热能、氢能、核能。

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。

新能源与传统的旧能源的能源利用方式和能源系统相对立。

其中旧能源是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；只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。

而新能源则高效利用能源；资源综合利用；可再生能源；替代能源；节能。

1.2能源储备与可持续发展战略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，仅为美国人均水平的1/10。

煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后20年，甚至到本世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改变。

在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。

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35%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构矛盾的表现，同时煤电油供需矛盾相当突出。

建立高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。

未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等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——电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。

1.3新能源发电――能源转换的重要形式1.3.1新能源发电技术的应用风力发电：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达国家风电发展的主要形式。

目前研发重点主要集中在：大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等。

目前，风力发电建设投资已低于核电投资，建设周期短，其成本与煤电成本接近，具有很大的竞争潜力。

太阳能发电：20世纪80年代太阳能光伏发电开始研究联网问题。

目前，在世界范围内已建成多个MW级的联网光伏电站。

2009年8月，总功率为80.7MW的世界最大的太阳能发电站——德国利伯罗瑟太阳能发电站落成。

2010年我国光伏电池产量达到8000MW，占全球总产量的50%。

但受能源补贴政策、投资成本和回收周期的影响，光伏计划的实施并不理想，推广应用相对滞后。

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、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，掌握了许多独创和最先进的技术。

生物质发电：全球每年植物所固定的生物质能相当于10.2万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（87亿吨标准煤）1172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。

我国每年可利用的生物质能总量约合7亿吨标准煤，但目前开发极少。

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。

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、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置组成热电联产或分布式能源供给系统。

其他还有小水力发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。

1.3.2新能源发电及其电源变换系统的典型结构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，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。

1、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、电力电子变换器、负载等构成。

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；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。

1个光伏电池额定输出电压大约为0.45V。

2、风力发电系统结构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；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式与垂直轴式。

3、燃料电池发电系统构成燃料重整系统――将得到的燃料转化为燃料电池能使用的以氢为主要成分的转换系统；空气供应系统――可以使用电动机驱动的送风机或空气压缩机；DC/AC变换系统――直流到交流的逆变装置；排热回收系统――用于回收燃料电池发电时产生的热能；控制系统――燃料电池发电时的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置；剩余气体循环系统――在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机的剩余气体的循环系统。

1.4新能源发电与控制技术的经济意义中国能源消费现状与发展趋势：1、新能源转换的资源保障（1）光伏发电：利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式。

但如何合理利用太阳能发电，提高光电转换效率，降低开发和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。

（2）风能发电：利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。

中国的风能总储量估计为1.6×109kW，列世界第三位。

风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多种因素综合决定。

（3）核能发电：利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。

（4）小水力发电：装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。

优势：开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；具有极强的适用性和辐射性；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。

（5）生物质能发电：利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃烧发电的形式。

全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能。

优点：燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧生物质的热效率仅为10%～30%，体积大而不易运输。

（6）海洋能发电：利用海洋的各种能量，直接将其转换为电能的形式。

包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能。

优点：蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强；缺点：开发困难，并有一定的局限性。

（7）地热能发电：利用高温地热资源进行发电的形式。

缺点：由于地热田的分布一般远离人口密集的城镇，要利用这些资源就存在蒸汽或热水长距离输送的困难。

（8）氢能发电：用电解法、热化学法、光电化学法、等离子体化学法等制备氢气，再经燃料或制成氢燃料电池发电的形式。

2、新能源转换的经济意义目前除水电外，最有竞争潜力和增长速度最快的是风能。

2004年德国的风力发电量已达245亿kW·h，可满足全国4%的用电量。

太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为5000欧元／kW·h，太阳能供热系统平均为2500欧元／kW·h，因此与化石能源相比，短期内还缺乏竞争力。

我国在地热能发电、潮汐发电等方面已有规模化应用。

由于《京都议定书》的生效，氢能作为有望替代石油的动力燃料，得到了各发达国家的普遍关注。

作为替代石油的重要战略选择，生物质燃料也成为世界最新关注的热点。

生物质能可直接生产和提供动力液体燃料，这对于解决交通能源十分重要。

核电是新能源体系中能量密度最大，运行成本较低的清洁能源。

二、新​能​源​发​电​技​术​之​生​物​能​发​电1、生物质能概述生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。

光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程，它是生命活动中的关键过程。

生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。

生物质所含能量的多少与下列诸因素有密切的关系：品种、生长周期、繁殖与种值方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间、强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的，光合作用的转化率约为0.5％-5％，据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％-2.5％，整个生物圈的平均转化率可达3％-5％。