由于當今經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要,人們迫切呼吁建立以清潔、可再生能源為主的新能源結(jié)構(gòu)逐漸取代以污染嚴重、資源有限的化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)。大規(guī)模開發(fā)和利用以太陽能、風能為代表的新能源對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,而新能源發(fā)電變流技術(shù)則是新能源發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的核心關(guān)鍵技術(shù)。本書面向具有一定電力電子技術(shù)基礎(chǔ)的高年級本科生或研究生,以典型新能源發(fā)電技術(shù)為切入點,深入淺出地闡述和討論新能源發(fā)電概述、并網(wǎng)逆變器及其控制、并網(wǎng)光伏發(fā)電及逆變器技術(shù)、風電變流器及其控制、微網(wǎng)逆變器及其控制、儲能功率變換系統(tǒng)及其控制、新能源發(fā)電中的孤島效應(yīng)、新能源發(fā)電并網(wǎng)導(dǎo)則及故障穿越等內(nèi)容。
由于當今經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要,人們迫切呼吁建立以清潔、可再生能源為主的新能源結(jié)構(gòu)來逐漸取代以污染嚴重、資源有限的化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)。大規(guī)模開發(fā)和利用以太陽能、風能為代表的新能源對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。隨著我國社會經(jīng)濟與科技創(chuàng)新能力的快速進步與發(fā)展,我國新能源開發(fā)和利用成果顯著,技術(shù)創(chuàng)新水平不斷提高,涌現(xiàn)出多個世界一流的新能源發(fā)電企業(yè),新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好,因此對新能源發(fā)電相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才的需求量也隨之大增。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)和編寫一本系統(tǒng)論述新能源發(fā)電變流技術(shù)的本科教材已顯得十分必要和迫切。
隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,氣候變化問題已經(jīng)成為當今國際政治經(jīng)濟和環(huán)境領(lǐng)域的熱點問題之一,化石能源造成的環(huán)境和氣候變化問題也越來越受到廣泛的關(guān)注。2015年12月巴黎氣候變化大會所達成的《巴黎協(xié)定》主要目標是將本世紀全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi),并將全球氣溫上升控制在前工業(yè)化時期水平之上15℃以內(nèi)。為實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》所提出的目標,開發(fā)和利用可再生能源是全球能源應(yīng)用的大勢所趨。
可再生能源作為一種更加清潔的能源,在能源供應(yīng)多元化發(fā)展中扮演著越來越重要的角色,根據(jù)國際能源署(International Energy Agency,IEA)預(yù)測到2021年,可再生能源在全球能源消費結(jié)構(gòu)中的占比將增至42%,可再生能源發(fā)電在電力能源中的占比將達到28%,到2035年可再生能源發(fā)電(包括水電)占全球發(fā)電量增長的50%,并且在全球發(fā)電總量中的占比將增加至31%,從而成為電力行業(yè)最主要的燃料。按照IEA的推薦,將可再生能源分為三類,第一類為大型水電站,第二類為生物質(zhì)能,第三類為新的可再生能源,即新能源,包括太陽能、風能、小水電、海洋能等。此外,新能源除了包含太陽能、風能、小水電、海洋能等一次能源外,通常還包含燃料電池等二次能源。
新能源發(fā)電及其產(chǎn)業(yè)的快速崛起,與世界各國日益重視環(huán)境保護,倡導(dǎo)節(jié)能減排密切相關(guān)。風電、光伏作為清潔能源,受到全球各國的普遍重視,各國紛紛出臺了鼓勵新能源發(fā)展的措施,促進了風電、光伏等新能源的發(fā)展。同時,由于技術(shù)的進步,新能源發(fā)電的成本也快速下降,這是其崛起的另一重要推動力。在1997~2016年這二十年間,全球新能源發(fā)展迅猛。風電裝機容量從764GW增長到46899GW,光伏裝機容量從023GW增長到30147GW,分別增長了60倍和1310倍。與此同時,風電和光伏發(fā)電量也快速增長,分別從1997年的12TWh和08TWh增長到2016年的9595TWh和3311TWh,風電發(fā)電量增長了79倍,光伏發(fā)電量增長了413倍。顯然,以風電、光伏為代表的新能源發(fā)電已經(jīng)成為電力供應(yīng)中不可忽視的成分。另外,據(jù)彭博新能源財經(jīng)發(fā)布的預(yù)測報告《2016年新能源展望》指出,到2040年,歐洲70%的電力將來自風能、太陽能、水力發(fā)電和其他可再生能源,而2015年這一占比僅為32%。美國可再生能源發(fā)電的份額將從2015年的14%躍升至2040年的44%。
隨著我國現(xiàn)代化進程的加速和國力的增強,近20年來新能源發(fā)電在我國得以快速發(fā)展,但無論是從裝機容量還是從發(fā)電量來看,新能源占比仍然有較大的提升空間。從裝機容量來看,截止到2017年三季度末,我國煤電裝機1081億kW,水電339億kW,核電3582萬kW,風電157億kW,光伏12億kW,生物質(zhì)1423萬kW;煤電裝機占全部裝機容量的6187%,水電裝機占194%,核電占205%,風電占90%,光伏占687%,生物質(zhì)占081%。從發(fā)電量來看,2017年前三季度,我國煤電發(fā)電345萬億kWh,水電8147億kWh,核電1834億kWh,風電2128億kWh,光伏857億kWh,生物質(zhì)568億kWh。煤電發(fā)電量占比高達7184%,水電占1695%,核電占382%,風電占443%,光伏占178%,生物質(zhì)占118%。
新能源發(fā)電變流技術(shù)前言可見,在我國,煤電無論是裝機容量還是發(fā)電量均占絕對優(yōu)勢,風電、光伏的發(fā)電量合計僅占全部發(fā)電量的521%,而煤電發(fā)電量則占全部發(fā)電量的7184%,風電、光伏等新能源替代煤電的空間巨大,同時也迫切需要加強政策和技術(shù)創(chuàng)新,在提升新能源發(fā)電綜合效率的同時進一步降低新能源發(fā)電成本。
由于當今經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要,人們迫切呼吁建立以清潔、可再生能源為主的新能源結(jié)構(gòu)來逐漸取代以污染嚴重、資源有限的化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)。大規(guī)模開發(fā)和利用以太陽能、風能為代表的新能源對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。隨著我國社會經(jīng)濟與科技創(chuàng)新能力的快速進步與發(fā)展,我國新能源開發(fā)和利用成果顯著,技術(shù)創(chuàng)新水平不斷提高,涌現(xiàn)出多個世界一流的新能源發(fā)電企業(yè),新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好,因此對新能源發(fā)電相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才的需求量也隨之大增。
面對如此巨大的國內(nèi)外需求,國內(nèi)諸多高等院校、研究院所以及相關(guān)企業(yè)都已投入了大量的資金和人員積極開展新能源發(fā)電相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化工作,在大力發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)的形勢下,國內(nèi)一些學者、專家及時編寫了多部有關(guān)新能源發(fā)電技術(shù)的論著和教材,這些論著和教材在推動新能源發(fā)電技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步方面起到了積極的作用。然而,這些論著和教材大都是從系統(tǒng)層面或從單一新能源發(fā)電技術(shù)層面論述新能源發(fā)電技術(shù)的相關(guān)理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù),更是鮮有系統(tǒng)介紹新能源發(fā)電系統(tǒng)中電力電子變流技術(shù)且適用于電氣和自動化等相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教材問世。編者長期從事電力電子技術(shù)課程的本科和研究生教學工作,并依托合肥工業(yè)大學電力電子與電氣傳動國家重點學科以及教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心,與陽關(guān)電源股份有限公司開展了長期的產(chǎn)學研合作,在光伏、風電、微電網(wǎng)以及儲能等新能源發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)研究方面有了一定的理論與應(yīng)用技術(shù)積累,也相繼出版了有關(guān)光伏并網(wǎng)和風電變流器技術(shù)的相關(guān)學術(shù)專著。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)和編寫一本系統(tǒng)論述新能源發(fā)電變流技術(shù)的本科教材已顯得
張興,男,教授、博導(dǎo)、安徽省政協(xié)委員。1984年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學工業(yè)自動化專業(yè)。2008.1—2016.1年任合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院副院長,現(xiàn)任電氣與自動化工程學院學術(shù)委員會副主任。依托合肥工業(yè)大學“電力電子與電力傳動”重點學科和教育部光伏工程研究中心,長期開展新能源發(fā)電中的電力電子技術(shù)研究,主持國家重點研發(fā)計劃、支撐計劃、自然科學基金等科研項目多項,發(fā)表學術(shù)論文100余篇,出版學術(shù)專著4部(國家十二五重點圖書)、教材2部(國家規(guī)劃教材1部),獲授權(quán)發(fā)明專利40余項,并領(lǐng)導(dǎo)團隊與陽光電源股份有限公司開展了近20年長期而富有成效的產(chǎn)學研合作,使多項成果實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
主要研究領(lǐng)域與方向
1. 智能光伏發(fā)電及其逆變控制技術(shù);
2. 超大容量風力發(fā)電及其變流控制技術(shù);
3. 分布式發(fā)電及其電力電子化穩(wěn)定控制技術(shù);
4. 儲能系統(tǒng)及其虛擬同步發(fā)電機控制;
5. 新能源汽車電驅(qū)動技術(shù)。
開設(shè)課程
電力電子技術(shù)
高等電力電子技術(shù)
現(xiàn)代電力電子專題
代表性論文、著作與專利(限200字以內(nèi))
主編專著與教材:
1. PWM整流器及其控制,機械工業(yè)出版社(國家十二五重點圖書出版計劃),2011.
2. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制,機械工業(yè)出版社(國家十二五重點圖書出版計劃),2011.
3. 永磁同步全功率風力發(fā)電變流器及控制,電子工業(yè)出版社(國家十二五重點圖書出版計劃),2011.
4. 電力電子技術(shù),科學出版社(國家十二五規(guī)劃教材),2012
5. 高等電力電子技術(shù),機械工業(yè)出版社,2011.
前言
第1章新能源發(fā)電概述111光伏發(fā)電 3
111光伏發(fā)電概述3
112光伏發(fā)電的原理及分類4
12風力發(fā)電 10
121風力發(fā)電概述10
122風力發(fā)電的原理及分類12
13小水力發(fā)電 18
131小水力發(fā)電概述18
132小水力發(fā)電的原理及分類18
14海洋能發(fā)電 22
141海洋能發(fā)電概述22
142海洋能發(fā)電的原理及分類22
15燃料電池發(fā)電 29
151燃料電池發(fā)電概述29
152燃料電池發(fā)電的原理及分類30
思考題32
參考文獻33
第2章并網(wǎng)逆變器及其控制3421并網(wǎng)逆變器概述 34
22同步坐標系下并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型 37
23基于電網(wǎng)電壓定向的直接電流控制策略 39
24基于LCL濾波的并網(wǎng)逆變器控制 41
241概述41
242無源阻尼法43
243有源阻尼法47
244LCL濾波器參數(shù)設(shè)計56
25并網(wǎng)逆變器控制中的鎖相環(huán)技術(shù) 60
251鎖相環(huán)概述60
252鎖相環(huán)的基本實現(xiàn)方法60
253三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)67
254單相軟件鎖相環(huán)技術(shù)71
255鎖相環(huán)控制參數(shù)整定74
思考題77
參考文獻77
新能源發(fā)電變流技術(shù)目錄第3章并網(wǎng)光伏發(fā)電及逆變器技術(shù)7931并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 79
311集中式結(jié)構(gòu) 80
312組串式結(jié)構(gòu)81
313集散式結(jié)構(gòu)82
314交流組件式結(jié)構(gòu)83
315直流組件式結(jié)構(gòu)83
316協(xié)同式結(jié)構(gòu)84
32并網(wǎng)光伏逆變器 84
321隔離型并網(wǎng)光伏逆變器結(jié)構(gòu)85
322非隔離型并網(wǎng)光伏逆變器101
323微型逆變器113
33光伏系統(tǒng)的MPPT技術(shù) 124
331概述 124
332基于輸出特性曲線的開環(huán)MPPT方法126
333擾動觀測法127
334電導(dǎo)增量法135
34光伏系統(tǒng)PID效應(yīng)及防護措施139
341PID效應(yīng)概述139
342PID效應(yīng)的防護141
思考題144
參考文獻144
第4章風電變流器及其控制14641風力發(fā)電系統(tǒng)概述146
411風力發(fā)電機的基本構(gòu)成146
412風電機組的基本類型147
42雙饋型風力發(fā)電機及其變流器控制151
421雙饋型風力發(fā)電機及其變流系統(tǒng)151
422雙饋電機數(shù)學模型154
423雙饋電機的工作原理及工作狀態(tài)162
424雙饋型風電變流器的控制策略166
43全功率型風電變流器及其控制175
431永磁同步全功率型風力發(fā)電機及其變流器控制175
432異步全功率型風力發(fā)電機及其變流器控制185
思考題195
參考文獻195
第5章微網(wǎng)逆變器及其控制19751微網(wǎng)系統(tǒng)概述197
511微網(wǎng)的構(gòu)成與定義197
512微網(wǎng)的分類與控制204
52微網(wǎng)逆變器及其控制208
521下垂控制209
522電壓頻率給定控制216
523有功、無功給定控制217
524微網(wǎng)逆變器的雙模式控制及無縫切換218
53虛擬同步發(fā)電機控制224
531虛擬同步發(fā)電機思想的提出224
532同步發(fā)電機基本原理225
533虛擬同步發(fā)電機控制實現(xiàn)229
534虛擬同步發(fā)電機與同步發(fā)電機的區(qū)別231
535虛擬同步發(fā)電機的應(yīng)用232
本章小結(jié)234
思考題234
參考文獻235
第6章儲能功率變換系統(tǒng)及其控制23861儲能系統(tǒng)的概述238
611儲能系統(tǒng)的基本類型238
612典型儲能系統(tǒng)中的變流技術(shù)245
62儲能功率變換系統(tǒng)控制策略256
621功率變換系統(tǒng)的控制要求256
622儲能系統(tǒng)功率變換系統(tǒng)控制策略257
思考題262
參考文獻262
第7章新能源并網(wǎng)發(fā)電中的孤島效應(yīng)26671孤島效應(yīng)的基本問題266
711孤島效應(yīng)發(fā)生的機理266
712孤島效應(yīng)的檢測268
713并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島時的理論分析269
72基于并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島策略 273
721過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略273
722基于相位跳變的反孤島策略275
723基于電壓諧波檢測的反孤島策略277
73基于并網(wǎng)逆變器的主動式反孤島策略 278
731頻移法278
732基于功率擾動的反孤島策略282
733阻抗測量方案284
74不可檢測區(qū)域與反孤島策略的有效性評估 285
741基于ΔP×ΔQ坐標系孤島檢測的有效性評估285
742基于L×Cnorm坐標系孤島檢測的有效性評估290
思考題295
參考文獻295
第8章新能源發(fā)電并網(wǎng)導(dǎo)則及故障穿越29781新能源發(fā)電并網(wǎng)導(dǎo)則 297
82電網(wǎng)電壓跌落故障的分類 303
83風力發(fā)電機的低電壓穿越及控制 307
831雙饋型風力發(fā)電機的低電壓穿越及控制307
832全功率型風力發(fā)電機的低電壓穿越及控制316
84光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越及控制 320
85并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越測試 324
851電網(wǎng)模擬器325
852新能源發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越測試325
思考題329
參考文獻330