典型的水电和新能源工控系统的组成架构 新能源系统工程

一、光伏发电系统

太阳能发电

• 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变产生的能量。
• 光发电

1. 光伏发电：利用太阳能电池组件将太阳能直接转变为电能。
2. 光化学发电
3. 光感应发电
4. 光生物发电

• 热发电

5. 槽式

1. 碟式

1. 塔式

1. 光伏发电的优势

• 发电原理先进
• 建造、拆卸和扩充方便
• 维护管理容易
• 太阳能资源无限，分布普遍
• 清洁

光伏发电系统的组成

• 太阳能电池组件

是光伏发电系统中的核心部分，作用是将太阳能转换为电能。

分类：

1. 单晶硅（黑，晶片单元尺寸相同）

原子规则排列；技术成熟，性能稳定，转换效率高；贵。

1. 多晶硅（蓝，晶片不规则）

小单晶按不同取向聚集；便宜，工艺简单；转换效率低。

1. 非晶硅（柔性）

柔性、薄，弱光下发电能力高于晶体硅；稳定性差。

• 充放电控制器

调节发电板的工作电压，使太阳能板始终工作在最大功率点。

优点：防止过度充放电；防反向充电；过载及短路保护作用。

• 逆变器

又称电源调整器，分为独立型与并网型。

• 蓄电池

收集过剩电能。

• 其他部件

光伏集线箱、光伏电缆、支架等。

光与半导体的相互作用

• 外光电效应

哈勃望远镜

• 内光电效应

1. 光电导效应

光敏电阻

1. 光生伏特效应

光的能量将电子从化学键中释放，产生电子—空穴对。接着，us范围内电子又被空穴捕获，即二者“复合”，则晶体对外显电中性。

光伏发电原理

• 光生伏特效应主要发生在电池组件的PN结上，光的能量将电子从化学键中释放，产生电子空穴对。
• 光生电子和空穴在PN结内建电场作用下立即分离，电子被推进N区（多子为空穴），空穴被推进P区（多子为电子）。

• 太阳能电磁组件的PN结基于不断产生并被分别收集的电子—空穴对将光能转化为电能。
• 接负载，形成回路以后，电势差转换为电流，完成发电任务。

1. 光伏发电影响因素

• 光照：电池输出功率与光照强度成正比，而电压几乎不变。
• 温度（热斑）：温度升高，工作效率降低。80-90℃间，温度每升高1℃，效率下降约0.5%。
• 阴影：对光伏电池组件影响不可低估，对于某些结构的光伏电池组件，有时一个局部阴影也会使得输出功率明显下降。

二、风力发电系统

风力发电系统的组成

• 风力机系统

1. 风轮（叶轮+叶片）

将风能转化为机械能，决定风力发电的效率、噪声、振动。叶片数量是转动平衡及经济性的统一。

1. 传动装置

低速轴、齿轮箱、高速轴

作用：将叶轮上低速旋转的能量变为符合要求的机械能（1500rad/s）并通过传动系统传递给发电机。

1. 偏航系统

又称对风系统，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，包括：

1. 风向标：检测实时风向
2. 控制系统：对比风向
3. 偏航编码器：将机械角度转为电信号
4. 偏航机构：执行机构
5. 扭缆装置：固定、保护、控制电缆，如下图所示

1. 变桨系统

通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气功功率。

包括变桨电机、控制系统、编码器。

功能：便于启动；调节功率输出；刹车。

• 发电机系统

分为定桨定速型与变桨变速型。

1. 发电机
2. 电力电子变换器       

 风力发电系统克服风向变换

通过偏航系统进行调整：风向标检测到风向的变化后，给控制系统一个信号，控制系统会驱动两个偏航电机，使得风力机主体朝着风向进行旋转，偏航编码器监测旋转角度并将角度返回给控制系统，直至风力机转至期望位置。最后，通过扭缆解缆装置将扭曲的电缆解开。

风力发电系统克服风速变化

当风速变化时，风轮捕获的气动转矩及功率随之改变，叶轮转速改变。变桨系统通过不断调节桨叶的节距角，进而改变气流对桨叶的攻角，最终使得叶轮能够匀速转动，保证输出功率的稳定。

风力发电系统的分类

• 按风轮旋转轴方向分为垂直轴风力机与水平轴风力机。

• 按叶片原理分为升力型叶片与阻力型叶片。

三、储能系统

1.储能系统的分类

机械储能：

弹性、液压、抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能

化学储能（三要素：正极、负极、电解质）：

铅酸电池、镍系电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池

电磁储能：

超导储能

2.抽水蓄能原理

以水为能量载体，通过势能与电能之间的转换，向电力系统提供电能的一种特殊形式的水力发电系统。抽水蓄能电站配备有上、下游两个水库，在负荷低谷时段，利用电站提供的剩余电量驱动水泵，将低水位库中的水抽至高水位库，电能转为势能；在负荷高峰时，电站上水库中储存的水经过水轮机流到下水库，驱动水轮机发电机组发电，将势能转换为电能。

3.压缩空气蓄能（compressed air energy storage）原理

压缩空气储能以空气为能量载体，通过空气内能与电能之间的转换完成储能任务。负荷低谷时段，电动机带动空压机，将电能用于压缩空气并将其储存于储气室中；在负荷高峰时，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室燃烧，驱动透平（turbine）发电。需要特殊地理条件建造大型储气室。

4.飞轮储能原理

储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储能过程；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释能过程。

5.储能系统在电力系统中的作用

调节频率

电网的频率是由发电功率与用电频率的大小共同决定的。正常运行状态如上图a点所示。

此时若突然增加负载会使用电负荷曲线右移，工作状态移至b点，此时电网频率被拉低。

发电机组自发调整，称为一次调频。若频率变化较小，则可调整过来；若频率变化较大，则无法恢复为原始频率，此时工作状态为c点。

此时需引入储能系统，将频率调回原频率，此时工作状态为d点。

• 削峰填谷

   有效调节电力系统的峰谷差，提高负荷率是提高电力系统资产利用率的重要手段。

   调峰电源是在用电高峰期向电网输送电能，在用电低谷区从电网获取电能，减小电网负荷峰谷差，使发电、用电趋于平衡，实现“削峰填谷”和调节电网负荷的电力设备。具有响应快、效率高及损耗小等优点。

• 消纳新能源

以风电、光伏等为主体的新能源，输出电力不稳定，具有波动大、随机性等特点，容易造成电网频率不稳定等问题。利用储能控制灵活和响应快速的特点，可以改善新能源发电的电源特性，如平抑发电出力波动、跟踪预测误差和计划出力、参与电力系统调频调压等，提高其并网友好性。

短时间尺度、高频次——功率型储能；

长时间尺度、低频次——能量型储能。

四、微电网运行与控制

1. 意义

• 集中式电网存在不足

2. 初期投资大，电网改造费用高。
3. 发、输、配电环节分离，通常为长距离供电。
4. 给偏远地区供电，线路架设费用大，施工难。
5. 发生电网事故，会导致大面积停电，可靠性差。

• 地理环境受限导致能源短缺
• 环境污染
• 提供电网接纳分布式发电的能力

6. 微电网组成元件

• 系统保护装置

7. 断路器：过流、欠压保护，用于切除线路与微电源
8. 静态开关：用于检测微电网电能质量，确保用电安全可靠。

• 电力变换设备

Alternating Current<—>Direct current

• 分布式电源

风力、光伏、微型燃气轮机、燃料、生物质发电…

• 储能单元

机械、化学、电磁

• 能量管理系统

是一套具有发电优化调度，负荷管理，实时监测并自动实现微电网同步等功能的能量管理系统。（检测新能源机组出力，优化燃料机组发电，安排储能放电等）

微电网运行状态

• 正常状态

并网运行状态

独立（离网）运行状态

• 过渡状态

并网—>独立/独立—>并网状态

• 非正常状态

故障、维修状态

大电网直供负荷状态

1. 微电网控制方式

• 主从控制

某一个为主控制器，其余为从控制器。

分为：以分布式电源为主控制器及以中心控制器为主控制器。

• 对等控制

各分布式电源有相等地位，微电网具有“即插即用”功能。

微电网保护技术与传统电网的区别

• 电源种类变多。
• 短路功率和故障电流大小发生变化。
• 阻抗继电器的限距变小。
• 功率流向和电压曲线发生变化。

微电网孤岛检测方法

• 远程技术（通信方法）

监控与数据采集法

• 本地技术

1. 被动检测

过/欠电压检测、电压相位突出检测。

1. 主动检测

阻抗检测方法、电抗插入法。