第1章-新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論-課件

第1章新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)導(dǎo)論1/842/843/84

1.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.4電動(dòng)汽車

1.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義

本章主要內(nèi)容4/841.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)備1、中國的能源結(jié)構(gòu)

中國是一個(gè)能源大國，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭儲(chǔ)量最為豐富,僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個(gè)能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。

在能源結(jié)構(gòu)的組成中，75%以上是煤，在常規(guī)化石能源中，煤炭資源占90%以上，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

5/846/84

煤多油少是中國能源儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀(jì)中葉，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)很難改變。

在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中，以煤炭為主要能源直接進(jìn)行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。7/842、中國的資源和能源儲(chǔ)備

我國對能源的開發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度，但能源利用效率低下。我國能源利用效率僅為30%左右。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當(dāng)突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實(shí)現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。8/84中國與世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2001年）9/84中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀10/84年份占能源消費(fèi)總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電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中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)11/84“十五”以來中國能源消費(fèi)增長情況12/841.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國能源發(fā)展成就巨大：實(shí)現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費(fèi)僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當(dāng)大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。13/84

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，即將陸續(xù)出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策與配套措施。這標(biāo)志著可再生能源的利用已進(jìn)入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并將迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉(zhuǎn)換成熟技術(shù)和風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機(jī)組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)為重點(diǎn)。

14/84風(fēng)力發(fā)電15/84水力發(fā)電16/84燃料電池汽車17/84奧體中心光伏發(fā)電項(xiàng)目

18/84生物質(zhì)能發(fā)電19/841.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1、能源能源是可以直接或通過轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運(yùn)行。2、能源的分類

“世界能源理事會(huì)(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質(zhì)能；風(fēng)能；海洋能；地?zé)崮?；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

20/841.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點(diǎn)，便少一點(diǎn)。21/84二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油22/84隨著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)過關(guān)，氫能有可能稱為替代柴油、汽油的理想新含能體能源。氫能是取之不盡用之不竭的高密度能源，氫最大的來源是水，氫燃料電池產(chǎn)生的排出物也是水，江河湖海就是最大的氫礦。氫能的儲(chǔ)運(yùn)性能好，使用也方便，可轉(zhuǎn)化性優(yōu)于其他各類能源，安全性也與汽油相當(dāng)。太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、核能、電能等均可轉(zhuǎn)化成氫加以儲(chǔ)存、運(yùn)輸或直接應(yīng)用，氫是一種理想的載能體。隨著科技進(jìn)步，氫能的開發(fā)與利用很有發(fā)展前途。23/84終端能源指供給社會(huì)生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源。

常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。

商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。

24/84新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟(jì)上合理；環(huán)境和社會(huì)可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮?、氫能、核能新能源利用技術(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)1.2.3新能源及主要特征25/84傳統(tǒng)規(guī)?；哪茉瓷a(chǎn)利用形態(tài)造成了一系列的問題：人類面臨嚴(yán)峻的化石能源短缺終端能源利用效率無法提高，轉(zhuǎn)換成本加大必須大規(guī)模利用資源，造成利用資源供應(yīng)瓶頸由于效率無法提高，導(dǎo)致環(huán)境污染加劇，使整個(gè)能源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)陷入惡性循環(huán)26/84“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”

能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，不注重資源、環(huán)境代價(jià)的傳統(tǒng)能源利用理念?！靶隆保孩俑咝Ю媚茉矗虎谫Y源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

27/841.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項(xiàng)目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

28/84國際公認(rèn)的兩個(gè)具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，這是實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池29/84微型燃?xì)廨啓C(jī)30/84

分布式能源可使用天然氣、煤層氣等清潔燃料，也可以利用沼氣、焦?fàn)t煤氣等廢棄資源，甚至利用風(fēng)能、太陽能、水能等可再生能源。由于目前的分布式能源項(xiàng)目多建在城市，所以大部分分布式能源系統(tǒng)的燃料多為天然氣或是柴油。分布式能源的主要特征有：(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電2、分布式能源主要特征31/841.3新能源發(fā)電――能源轉(zhuǎn)換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國家風(fēng)電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點(diǎn)主要集中在大型風(fēng)力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風(fēng)力預(yù)報(bào)方法；開展與風(fēng)能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電等。

32/84太陽能發(fā)電美國是世界上太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成多個(gè)MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項(xiàng)目——“太陽能之星”33/84燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點(diǎn)發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運(yùn)輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進(jìn)的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車34/84生物質(zhì)發(fā)電 全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當(dāng)于10.2萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界每年耗能（87億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但目前開發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠35/84核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點(diǎn)：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣36/84燃?xì)獍l(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃?xì)夤芫W(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達(dá)用戶。由小型燃機(jī)、微型燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽唤恰Ｅ僚撂m多燃?xì)怆娬镜?臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組都是由中國制造。總裝機(jī)容量為33.6萬千瓦。

37/84其他還有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地?zé)崮馨l(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站38/841.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——2010年我國太陽能電池產(chǎn)量超過了全球總產(chǎn)量的50%，行業(yè)年產(chǎn)值超過3000億元。太陽能電池制造水平比較先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%，具有較強(qiáng)的國際競爭力。風(fēng)能發(fā)電——2012年中國新增風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量13200MW(其中海上風(fēng)電裝機(jī)容量127MW)，累計(jì)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量75564MW，均位居世界第一。地?zé)崮馨l(fā)電——我國地?zé)岚l(fā)電站總裝機(jī)容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個(gè)地?zé)犭娬疽?guī)模較大。地源熱泵利用快速發(fā)展。生物質(zhì)能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用，總裝機(jī)容量約800MW。39/84燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進(jìn)展。燃料電池技術(shù)列入了國家應(yīng)用研究與發(fā)展重大項(xiàng)目，其研究目標(biāo)直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風(fēng)險(xiǎn)低、效益穩(wěn)、運(yùn)營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵(lì)下，全國掀起了一股投資建設(shè)小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預(yù)計(jì)，中國計(jì)劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達(dá)300億美元。開發(fā)時(shí)序預(yù)期為：2000－2020年重點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)；

2020－2030年重點(diǎn)開發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點(diǎn)開發(fā)加速器驅(qū)動(dòng)亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點(diǎn)開發(fā)受控核聚變技術(shù)。

40/841.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1.3.3.1太陽能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲(chǔ)能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉(zhuǎn)換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負(fù)載等構(gòu)成。

41/84（1）光伏陣列實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，將若干個(gè)光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級。

1個(gè)光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成42/84（2）蓄電池組

作為電能存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，通過充電控制器實(shí)現(xiàn)對蓄電池組的充放電（太陽能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負(fù)載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實(shí)現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器43/84（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽能最大功率點(diǎn)控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負(fù)載

終端電能消耗設(shè)備，通過消耗電能作功，將電能再次轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。負(fù)載直流負(fù)載——由直流電源供電

交流負(fù)載——由交流電源供電

44/842、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

——獨(dú)立用戶安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電站一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)45/84（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)46/843、電源變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變電路是所有新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎(chǔ)。根據(jù)直流母線采用的儲(chǔ)能組件，將逆變電路分成兩大類：逆變電路電流源型電壓源型47/84（1）電流源逆變電路

——直流母線采用電感（L）儲(chǔ)能，逆變器輸出經(jīng)電容C濾波后與電網(wǎng)并網(wǎng)。圖1-4典型電流源逆變電路

48/84（2）電壓源逆變電路

——直流母線采用電容（C）儲(chǔ)能，輸出經(jīng)三相濾波電感并入電網(wǎng)系統(tǒng)。圖1-5典型電壓源逆變電路

49/84（3）復(fù)雜逆變電路

優(yōu)點(diǎn)是輸出波形質(zhì)量高、諧波分量小，單只開關(guān)器件的電壓低；缺點(diǎn)是存在中點(diǎn)平衡問題，電路控制復(fù)雜，成本高。圖1-6二極管箝位的三電平電路

50/84（4）級聯(lián)式逆變器

多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方便地組合成多電平光伏逆變器，但由于各級電平中對應(yīng)的光伏陣列可能存在不均衡，電平平衡控制仍然是一個(gè)難題，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖1-7級聯(lián)式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

51/841.3.3.2風(fēng)力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括兩大部分：一部分是風(fēng)力機(jī)，由它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；另一部分是發(fā)電機(jī)，由它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)型式上分水平軸式與垂直軸式。垂直軸水平軸52/841．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，由機(jī)械、電氣及控制３大系統(tǒng)組合構(gòu)成。包括風(fēng)輪（風(fēng)力機(jī)）、發(fā)電機(jī)、變速器及有關(guān)控制器和儲(chǔ)能裝置。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：風(fēng)能資源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制裝置蓄能裝置備用電源電能用戶53/84２．獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

又稱離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶使用。圖1-8獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

54/84儲(chǔ)能方式：蓄電池蓄能(主要）

——在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池作為存儲(chǔ)電能的裝置。抽水蓄能

——地形條件合適壓縮空氣儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能電解水制氫儲(chǔ)能55/84３、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1）恒速恒頻方式

——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。采用籠形異步發(fā)電機(jī)。圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

56/84恒速發(fā)電的特點(diǎn)：電氣系統(tǒng)簡單，可適合于在野外缺少維護(hù)的環(huán)境下工作。轉(zhuǎn)速不變，輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應(yīng)快，動(dòng)作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)易疲勞損壞；強(qiáng)陣風(fēng)來時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，機(jī)械承受應(yīng)力大，要求堅(jiān)固，所以又稱“剛性”風(fēng)力發(fā)電。適用于小功率風(fēng)電系統(tǒng)，通常不大于600kW。57/84（2）變速恒頻方式

——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動(dòng)作變速運(yùn)行，但仍輸出恒定頻率的交流電。變速發(fā)電的特點(diǎn)：在不同風(fēng)速下，渦輪機(jī)都工作在最高效率點(diǎn)，提高效率10%；減小發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和機(jī)械承受的應(yīng)力，減輕機(jī)械強(qiáng)度要求，又稱“彈性”風(fēng)力發(fā)電；電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，發(fā)出電力的波動(dòng)小，提高發(fā)電質(zhì)量；在強(qiáng)風(fēng)來時(shí)傾角控制器才工作，對傾角控制的響應(yīng)速度大大降低、動(dòng)作次數(shù)顯著減少、機(jī)構(gòu)壽命得以延長。適用于大功率發(fā)電場合，通常大于1000kW

58/84a、同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)：①發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩；②可以使用永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輕、效率高，變換器增加的投資可以從節(jié)省的機(jī)械結(jié)構(gòu)中得到補(bǔ)償；③變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，形式簡單。

圖1-10同步發(fā)電機(jī)的直接并網(wǎng)系統(tǒng)59/84b、雙饋發(fā)電機(jī)(繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī))的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)，雙饋電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)。

圖1-11雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)系統(tǒng)60/84異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW61/84特點(diǎn)：①在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，投資和損耗小，發(fā)電效率提高，諧波吸收方便；②要求雙向功率流過變頻器，變頻器必須是四象限雙PWM變頻器，由兩套IGBT變換器構(gòu)成；③只能使用雙饋發(fā)電機(jī)，比永磁發(fā)電機(jī)重，效率低。兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應(yīng)用。其中，由于雙饋發(fā)電系統(tǒng)可獲得較高的發(fā)電效率，屬于重點(diǎn)推廣技術(shù)。62/84４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制變速恒頻發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制。控制要求：①低風(fēng)速段按輸出最大功率要求進(jìn)行變速控制；②中風(fēng)速段為過渡區(qū)段，傾角控制器投入工作，功率則隨風(fēng)速增加上升；③高風(fēng)速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段，功率靠變頻器限制。63/84（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻器控制原理框圖64/84（2）風(fēng)機(jī)漿葉節(jié)距控制

圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖65/841.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)分類：固定式的燃料電池汽車專用移動(dòng)式燃料電池特點(diǎn)：低噪聲；變換效率高，對環(huán)境的污染幾乎為零；體積小，使用方便；能使用多種燃料發(fā)電，可以代替火力發(fā)電。66/841．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

燃料重整系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)DC/AC變換系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)燃料空氣電力熱輸出（高溫燃料電池）圖1-14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖67/84燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池能使用的以氫為主要成分的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；空氣供應(yīng)系統(tǒng)――可以使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的送風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)；DC/AC變換系統(tǒng)――直流到交流的逆變裝置；排熱回收系統(tǒng)――用于回收燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能；控制系統(tǒng)――燃料電池發(fā)電時(shí)的起動(dòng)、停止、運(yùn)行、外接負(fù)載等的控制裝置；剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)――在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。

68/842．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)

燃料供給燃料處理器(汽油或甲烷)燃料電池堆DC/DC變換器DC/AC變換器220V/50Hz負(fù)載熱管理余熱回收蓄電池燃料電池控制器－空氣管理－燃料管理－傳感器電力控制器中央動(dòng)力控制單元H2并網(wǎng)運(yùn)行K燃料電池發(fā)電――電源變換系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機(jī)相似。

圖1-15燃料電池發(fā)電——電源變換控制系統(tǒng)框圖69/84燃料電池的分類：按電解質(zhì)性質(zhì)分：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell－AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell－PEMFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell－PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell－MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell－SOFC）按工作溫度分：低溫燃料電池（AFC、PEMFC、PAFC）高溫燃料電池（MCFC、SOFC）按開發(fā)早晚順序：把PAFC稱為第一代燃料電池；把MCFC稱為第二代燃料電池；把SOFC稱為第三代燃料電池。70/84711.4電動(dòng)汽車

1.4.1發(fā)展背景資源問題：

全球化石能源（石油、煤炭和天然氣等）儲(chǔ)量有限，將要開采殆盡。

環(huán)保問題：

汽車尾氣含有大量有毒物質(zhì)，污染大氣，損害人類健康。

基數(shù)問題：

全球汽車數(shù)量龐大，消耗的化石燃料驚人，尾氣排放量驚人。

71/847272/8473汽車尾氣成分危害固體懸浮顆粒呼吸系統(tǒng)疾病，皮膚炎，眼結(jié)炎，甚至造成角膜損傷一氧化碳造成人的理解、記憶力等機(jī)能障礙,危害血液循環(huán)系統(tǒng),導(dǎo)致生命危險(xiǎn)氮氧化物致使呼吸系統(tǒng)失調(diào)碳?xì)浠衔镆l(fā)光化學(xué)煙霧，刺激眼睛和上呼吸道黏膜,引起眼睛紅腫和喉炎鉛引發(fā)心血管系統(tǒng)疾病,并影響肝、腎等重要器官的功能及神經(jīng)系統(tǒng)對人體健康的危害73/8474對環(huán)境的危害

引發(fā)酸雨：對建筑物、農(nóng)作物、自然的危害

74/84我國電動(dòng)汽車發(fā)展概況：我國政府為促進(jìn)系能源汽車的發(fā)展出臺(tái)了許多相關(guān)扶持政策。2001年，新能源汽車研究項(xiàng)目被列入國家“十五”期間的“863”重大科技課題。2006年，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“低能耗與新能源汽車”和“氫能及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)。2009年，科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工業(yè)和信息化部共同啟動(dòng)“十城千輛工程”。2012年，討論通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》。75/84電動(dòng)汽車主要類型：1.燃料電池汽車2.混合電動(dòng)汽車3.純電動(dòng)汽車4.電電混合電動(dòng)汽車76/84燃料汽車的馬達(dá)由燃料電池直接驅(qū)動(dòng)，其燃料一般為氫氣77燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）78指能夠至少從下述兩類車載儲(chǔ)存的能量中獲得動(dòng)力的汽車： 可消耗的燃料或可再充電能/能量儲(chǔ)存裝置。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車79混合動(dòng)力汽車（HEV）80

純電動(dòng)汽車概述：純電動(dòng)汽車不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，而由純電力驅(qū)動(dòng)，可以真正的實(shí)現(xiàn)零排放及零污染，是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的必然趨勢。汽車組成包括：電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工業(yè)裝置等。其中電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心，也是與內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電池組充電接口電驅(qū)動(dòng)單元81常見車型：力帆320純電動(dòng)車EV82ppt課件電池—電容電動(dòng)汽車又稱電電混合電動(dòng)車，為蓄電池和超級電容組合而成的動(dòng)力電源系統(tǒng)作為車輛的動(dòng)力源，是純電動(dòng)車輛的另一種形式。對于電容器+蓄電池+發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電動(dòng)車，主要利用好幾電容器的高功率輸入輸出特性，對電池的應(yīng)用電流進(jìn)行“削峰”，是電池免受大電流沖擊，提高整車的功率特性，同時(shí)大大延長了電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的綜合性能和能量效率。8384/84我校電電混合電動(dòng)汽車原理圖：超級電容鋰電池雙向DC/DC變換器逆變器三相永磁同步電動(dòng)機(jī)直流母線控制量控制量85/84發(fā)展新能源電動(dòng)車的意義：1.混合電動(dòng)汽車：在車體內(nèi)引入電池，能夠適應(yīng)不同工況下的功率消耗，大幅度的提高了能源的利用率，有利于節(jié)能減排。2.燃料電池汽車：以氫氣為燃料，生成物為水，能夠做到完全無污染。另外氫氣燃燒時(shí)能夠釋放很高的熱量，同等工況下消耗燃料較少。3.純電動(dòng)汽車：不直接消耗化石能源，完全無排放，噪聲小，車體結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。另外，電動(dòng)汽車屬于智能電網(wǎng)，未來有可能參與到電網(wǎng)的能量調(diào)度。4.電電混合電動(dòng)汽車：隸屬于電動(dòng)汽車，能夠解決瞬時(shí)大電流對電池的沖擊，能適應(yīng)更復(fù)雜的工況，極大限度的提高了電池的使用壽命。86/841.5新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義1.5.1能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎1、世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

過去100多年世界能源消費(fèi)變化87/84

2011年中美一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對比88/8489/842、中國能源消費(fèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

90/8491/843、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

實(shí)現(xiàn)未來15年的發(fā)展目標(biāo)，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應(yīng)包括以下3個(gè)方面：綜合利用能源

——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標(biāo)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式。替代能源

——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術(shù)和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，降低對石油進(jìn)口的依賴。新能源轉(zhuǎn)換

——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。92/841.5.2新能源轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)意義1、新能源轉(zhuǎn)換的資源保障（1）光伏發(fā)電

——利用光伏電池將太陽產(chǎn)生的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電形式太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式有：光――熱轉(zhuǎn)換光――電轉(zhuǎn)換光――化學(xué)轉(zhuǎn)換但如何合理利用太陽能發(fā)電，提高光――電轉(zhuǎn)換效率，降低開發(fā)和轉(zhuǎn)化成本，是太陽能發(fā)電與控制技術(shù)面臨的重要課題。

93/84（2）風(fēng)能發(fā)電——利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。中國的風(fēng)能總儲(chǔ)量估計(jì)為1.6×109kW，列世界第三位。風(fēng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性由風(fēng)車的安裝地點(diǎn)、方向、風(fēng)速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電——利用核反應(yīng)堆釋放出的核能量進(jìn)行的發(fā)電形式。新核能94/84人類利用核能的方式主要有兩種：核裂變能——重元素的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)（又稱核裂變）放出的能量核聚變能——輕元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)（又稱核聚變）放出的能量核裂變的燃料是鈾、钚等核聚變的燃料是氘、氚等

95/84（4）小水利發(fā)電——裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配