由于當今經濟社會可持續(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構逐漸取代以污染嚴重、資源有限的化石能源為主的傳統(tǒng)能源結構。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構調整和綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,而新能源發(fā)電變流技術則是新能源發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的核心關鍵技術。本書面向具有一定電力電子技術基礎的高年級本科生或研究生,以典型新能源發(fā)電技術為切入點,深入淺出地闡述和討論新能源發(fā)電概述、并網逆變器及其控制、并網光伏發(fā)電及逆變器技術、風電變流器及其控制、微網逆變器及其控制、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、新能源發(fā)電并網導則及故障穿越等內容。
由于當今經濟社會可持續(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構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)能源結構。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構調整具有重要意義。隨著我國社會經濟與科技創(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,技術創(chuàng)新水平不斷提高,涌現出多個世界一流的新能源發(fā)電企業(yè),新能源產業(yè)發(fā)展勢頭良好,因此對新能源發(fā)電相關專業(yè)技術人才的需求量也隨之大增。在此基礎上,總結和編寫一本系統(tǒng)論述新能源發(fā)電變流技術的本科教材已顯得十分必要和迫切。
隨著現代社會經濟的快速發(fā)展,氣候變化問題已經成為當今國際政治經濟和環(huán)境領域的熱點問題之一,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注。2015年12月巴黎氣候變化大會所達成的《巴黎協定》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,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。為實現《巴黎協定》所提出的目標,開發(fā)和利用可再生能源是全球能源應用的大勢所趨。
可再生能源作為一種更加清潔的能源,在能源供應多元化發(fā)展中扮演著越來越重要的角色,根據國際能源署(International Energy Agency,IEA)預測到2021年,可再生能源在全球能源消費結構中的占比將增至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)電及其產業(yè)的快速崛起,與世界各國日益重視環(huán)境保護,倡導節(jié)能減排密切相關。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)電已經成為電力供應中不可忽視的成分。另外,據彭博新能源財經發(fā)布的預測報告《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%,生物質占118%。
新能源發(fā)電變流技術前言可見,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構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)能源結構。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構調整具有重要意義。隨著我國社會經濟與科技創(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,技術創(chuàng)新水平不斷提高,涌現出多個世界一流的新能源發(fā)電企業(yè),新能源產業(yè)發(fā)展勢頭良好,因此對新能源發(fā)電相關專業(yè)技術人才的需求量也隨之大增。
面對如此巨大的國內外需求,國內諸多高等院校、研究院所以及相關企業(yè)都已投入了大量的資金和人員積極開展新能源發(fā)電相關研究和產業(yè)化工作,在大力發(fā)展新能源發(fā)電技術的形勢下,國內一些學者、專家及時編寫了多部有關新能源發(fā)電技術的論著和教材,這些論著和教材在推動新能源發(fā)電技術的研究和產業(yè)技術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)電技術層面論述新能源發(fā)電技術的相關理論基礎和系統(tǒng)應用技術,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且適用于電氣和自動化等相關專業(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,與陽關電源股份有限公司開展了長期的產學研合作,在光伏、風電、微電網以及儲能等新能源發(fā)電中的電力電子變流技術研究方面有了一定的理論與應用技術積累,也相繼出版了有關光伏并網和風電變流器技術的相關學術專著。在此基礎上,總結和編寫一本系統(tǒng)論述新能源發(fā)電變流技術的本科教材已顯得
張興,男,教授、博導、安徽省政協委員。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,現任電氣與自動化工程學院學術委員會副主任。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)表學術論文100余篇,出版學術專著4部(國家十二五重點圖書)、教材2部(國家規(guī)劃教材1部),獲授權發(fā)明專利40余項,并領導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學研合作,使多項成果實現了產業(yè)化。
主要研究領域與方向
1. 智能光伏發(fā)電及其逆變控制技術;
2. 超大容量風力發(fā)電及其變流控制技術;
3. 分布式發(fā)電及其電力電子化穩(wěn)定控制技術;
4. 儲能系統(tǒng)及其虛擬同步發(fā)電機控制;
5. 新能源汽車電驅動技術。
開設課程
電力電子技術
高等電力電子技術
現代電力電子專題
代表性論文、著作與專利(限200字以內)
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,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,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章并網逆變器及其控制3421并網逆變器概述 34
22同步坐標系下并網逆變器的數學模型 37
23基于電網電壓定向的直接電流控制策略 39
24基于LCL濾波的并網逆變器控制 41
241概述41
242無源阻尼法43
243有源阻尼法47
244LCL濾波器參數設計56
25并網逆變器控制中的鎖相環(huán)技術 60
251鎖相環(huán)概述60
252鎖相環(huán)的基本實現方法60
253三相軟件鎖相環(huán)技術67
254單相軟件鎖相環(huán)技術71
255鎖相環(huán)控制參數整定74
思考題77
參考文獻77
新能源發(fā)電變流技術目錄第3章并網光伏發(fā)電及逆變器技術7931并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的體系結構 79
311集中式結構 80
312組串式結構81
313集散式結構82
314交流組件式結構83
315直流組件式結構83
316協同式結構84
32并網光伏逆變器 84
321隔離型并網光伏逆變器結構85
322非隔離型并網光伏逆變器101
323微型逆變器113
33光伏系統(tǒng)的MPPT技術 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電導增量法135
34光伏系統(tǒng)PID效應及防護措施139
341PID效應概述139
342PID效應的防護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章微網逆變器及其控制19751微網系統(tǒng)概述197
511微網的構成與定義197
512微網的分類與控制204
52微網逆變器及其控制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)電機的應用232
本章小結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章新能源并網發(fā)電中的孤島效應26671孤島效應的基本問題266
711孤島效應發(fā)生的機理266
712孤島效應的檢測268
713并網逆變器發(fā)生孤島時的理論分析269
72基于并網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)電并網導則及故障穿越29781新能源發(fā)電并網導則 297
82電網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并網系統(tǒng)的低電壓穿越測試 324
851電網模擬器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