2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微微型型涡涡轮轮发发电电机机是是由由微微型型涡涡轮轮发发动动机机驱驱动动发发电电机机组组成成的的发发电电系系统统，是是提提供供分分布布式式电电能能生生产产的的最最佳佳选选择择之之一一，它它结结构构简简单单，开发研制所需的技术已取得突破性进展。开发研制所需的技术已取得突破性进展。 容容量量：轴轴上上的的净净输输出出功功率率小小于于200kW，不不同同的的工工程程设设计计人人员员对对微微型型涡涡轮轮发发电电机机的的容容量量定定义义不不一一样样，有有些些包包括括200kW以上的发动机，但一般的严格定义均为以上的发动机，但一般的严格定义均为100kW以下。以下。 简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。简单的循环周期：单级压缩机和单级涡轮。 一、一、单轴微型涡轮发动机单轴微型涡轮发动机 现现代代的的微微型型涡涡轮轮发发电电机机除除了了具具有有低低污污染染排排放放的的特特点点外外，还还具具有下述有下述4个方面的特点：个方面的特点： 压缩比：一般为压缩比：一般为3:14:1。 转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。转子：驱动轴很短，一端装设发电机，中间为轴承。 Capstone、Elliott和和Honeywell等等公公司司已已开开发发了了数数种种额额定定容容量量为为20150kW的单轴涡轮发动机。的单轴涡轮发动机。微微型型涡涡轮轮发发动动机机最最紧紧凑凑的的流流程程为为具具有有环环行行燃燃烧烧室室的的环环绕绕回回流流换热器，流程的配置取决于具体的应用。换热器，流程的配置取决于具体的应用。22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 表表2-1 微型涡轮发动机的技术参数微型涡轮发动机的技术参数制造商制造商转速转速 /(kr/min)额定功率额定功率 /kW效率效率(%)余热利用余热利用Capstone309628有有Elliott1164517无无Honeywell757530有有22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 优优化化设设计计的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机具具有有涡涡轮轮压压缩缩机机，其其喷喷嘴嘴只只有有数数英英寸寸，转转速速在在额额定定功功率率时时为为60100kr/min，类类似似于于小小型型的的涡涡轮增压器。轮增压器。微微型型涡涡轮轮发发动动机机和和涡涡轮轮增增压压器器的的主主要要空空气气动动力力学学差差异异在在于于涡涡轮轮的的设设计计。对对于于实实际际可可行行的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机，其其障障碍碍不不是是涡涡轮机的技术而是其他因素：轮机的技术而是其他因素： 成本：总的每千瓦价格和回流换热器的成本。成本：总的每千瓦价格和回流换热器的成本。 废气的排放水平。废气的排放水平。 天然气的注入方法和它们的安全性。天然气的注入方法和它们的安全性。 轴的动力学特性和轴承的设计。轴的动力学特性和轴承的设计。 回流换热器的可靠性、效率和成本。回流换热器的可靠性、效率和成本。 微微型型涡涡轮轮发发动动机机主主要要的的设设计计特特征征是是使使用用了了辐辐流流式式压压缩缩机机和和膨膨胀胀器器。采采用用辐辐流流式式压压缩缩机机可可得得到到很很高高的的压压缩缩比比，与与6级级轴轴流流式式压压缩缩机机相相比比，单单级级辐辐流流式式压压缩缩机机的的压压缩缩比比一一般般为为3:1或或4:1。为为取取得得更更高高的的压压缩缩比比，可可采采用用多多级级辐辐流流式式结结构构，但但将将使使得得设设计相当复杂。计相当复杂。22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 无无论论微微型型涡涡轮轮发发电电机机是是并并网网运运行行还还是是对对单单独独的的负负荷荷供供电电，都都需需要要控控制制发发电电机机的的转转速速和和输输出出电电压压。微微型型涡涡轮轮发发电电机机通通常常使使用用变变转转速速的的永永磁磁交交流流发发电电机机，其其输输出出的的交交流流电电的的频频率率非非常常高高，必须首先对输出电压整流，再逆变为工频交流电。必须首先对输出电压整流，再逆变为工频交流电。 1.设计特点设计特点 微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的主主要要原原动动力力由由布布雷雷顿顿循循环环(Brayton Cycle)或称为等压循环产生，有些具有回流换热器，有些没有。或称为等压循环产生，有些具有回流换热器，有些没有。 微微型型燃燃烧烧室室设设计计一一般般不不能能根根据据大大型型涡涡轮轮机机的的燃燃烧烧室室按按比比例例缩缩放放，主主要要是是因因为为受受到到下下述述因因素素影影响响：表表面面积积/体体积积随随燃燃烧烧室室的的大大小小而而变变化化；室室壁壁淬淬火火的的影影响响；燃燃料料流流量量较较低低，只只能能使用较少的喷嘴和节流面积；使用较少的喷嘴和节流面积；漏泄间隙的增加等。漏泄间隙的增加等。 燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率(HRR)，即，即 较低的较低的HRR可增加滞留时间，有益于减少可增加滞留时间，有益于减少CO的排放。的排放。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 接接触触反反应应式式燃燃烧烧室室可可取取得得较较高高的的HRR，为为完完成成燃燃料料的的氧氧化化，它它们们需需要要某某种种形形式式的的预预燃燃烧烧室室和和额额外外的的后后阶阶段段的的燃燃烧烧室室空空间，总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。间，总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。 对对于于小小型型企企业业和和居居民民用用的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机，一一般般选选择择天天然然气气作作为为燃燃料料，但但是是需需要要将将天天然然气气的的压压力力从从周周围围管管道道的的压压力力加加压压到到超超过过微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的压压缩缩机机传传送送的的压压力力。压压缩缩机机出出口口的的压力一般为压力一般为34atm。 回回流流换换热热器器能能够够回回收收涡涡轮轮机机排排放放的的热热能能并并为为燃燃烧烧空空气气预预热热，其外壳通常为金属，也可采用陶瓷外壳。其外壳通常为金属，也可采用陶瓷外壳。回回流流换换热热器器基基本本上上是是空空气气和和空空气气之之间间的的热热交交换换，而而空空气气到到其其表表面面的的热热传传递递系系数数充充其其量量也也只只是是比比较较适适中中，所所以以热热交交换换需要相当大的表面积。需要相当大的表面积。 若若将将回回流流换换热热器器的的压压力力适适当当降降低低4%5%，并并采采用用一一般般的的表表面结构，则其重量和成本与其效率面结构，则其重量和成本与其效率之间的关系如下：之间的关系如下： 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 轴轴承承：为为增增加加微微型型涡涡轮轮发发动动机机冷冷起起动动能能力力，降降低低其其造造价价，一一般采用空气轴承而不采用磁性轴承。般采用空气轴承而不采用磁性轴承。 微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。 将将小小型型的的涡涡轮轮发发动动机机与与高高速速永永磁磁发发电电机机集集成成在在一一起起对对设设计计人人员员是是一一个个挑挑战战，因因为为需需要要解解决决高高速速动动力力学学特特性性和和平平衡衡、磁磁性性的的保保持持和和温温度度限限制制、冷冷却却系系统统的的选选择择和和附附加加损损失失的的计计算算、保保养养和和日日常常零零部部件件的的维维修修、发发生生内内部部故故障障时时电电压压的的调调整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。 高高速速永永磁磁发发电电机机主主要要的的特特征征是是能能够够为为涡涡轮轮发发动动机机机机提提供供高高速速起起动动或或点点火火速速度度，避避免免了了采采用用专专门门的的起起动动电电动动机机和和专专门门的起动燃料喷射器，因而简化了燃料控制系统。的起动燃料喷射器，因而简化了燃料控制系统。 永永磁磁发发电电机机输输出出功功率率P与与转转子子转转速速和和转转子子体体积积之之间间的的关关系系如如下：下： 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 发电机输出功率与转速之间的关系示意图发电机输出功率与转速之间的关系示意图 为获得相应的功率，转速和直径应折衷选择。为获得相应的功率，转速和直径应折衷选择。2.单轴微型涡轮发动机循环分析单轴微型涡轮发动机循环分析 微微型型涡涡轮轮发发电电机机的的效效率率和和输输出出电电能能、热热能能基基本本上上为为循循环环峰峰值值温温度度、回回流流换换热热器器入入口口温温度度、压压缩缩机机压压缩缩比比率率以以及及组组件件效效率率的函数。的函数。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 涡涡轮轮转转子子合合金金的的断断裂裂应应力力和和低低循循环环疲疲劳劳强强度度的的限限制制、工工作作循循环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。 回回流流换换热热器器基基质质材材料料的的寿寿命命决决定定了了回回流流换换热热器器进进气气温温度度。压压缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。 下述技术参数可应用于下述技术参数可应用于2.5100kW的微型涡轮发动机：的微型涡轮发动机： 压压缩缩比比率率大大于于3.5时时对对热热效效率率的的改改善善没没有有任任何何作作用用，因因此此应应采采用用较较低低压压缩缩比比的的压压缩缩机机和和涡涡轮轮效效率率以以及及对对涡涡轮轮圆圆周周速速度度的限制。的限制。 2.5kW和和5.0kW的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机，其其峰峰值值热热效效率率分分别别为为27%和和25%，大型的涡轮发动机效率可达，大型的涡轮发动机效率可达30%。 将将回回流流换换热热器器的的效效率率从从85%增增加加到到90%可可使使热热效效率率增增加加1.9%，但是回流换热器的尺寸和价格将增加，但是回流换热器的尺寸和价格将增加60%。 当当涡涡轮轮接接近近优优化化的的转转速速时时，热热效效率率基基本本不不变变，因因此此设设计计时时应选择比优化转速低的转速，为将来性能改善留下空间。应选择比优化转速低的转速，为将来性能改善留下空间。 功功率率/重重量量和和速速度度的的函函数数关关系系以以及及成成本本/功功率率和和速速度度函函数数关关系系也相对平坦。也相对平坦。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 在在最最终终的的设设计计中中，还还需需要要进进一一步步分分析析和和综综合合的的内内容容有有：应应力力、热力学性能、动力学特性等因素。热力学性能、动力学特性等因素。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微微型型涡涡轮轮发发电电机机经经常常不不是是满满负负荷荷运运行行，设设计计人人员员、经经济济分分析析人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。 典典型型的的具具有有回回流流换换热热器器的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机在在恒恒速速和和可可变变涡涡轮轮入入口口温温度度运运行行时时或或在在变变速速和和恒恒定定回回流流换换热热器器入入口口温温度度运运行行时时，带部分负荷的效率曲线图不同，如图所示。带部分负荷的效率曲线图不同，如图所示。 变变速速运运行行模模式式提提高高了了带带部部分分负负荷荷时时的的运运行行性性能能，但但需需要要控控制制系系统统能能够够测测量量负负荷荷的的变变化化并并优优化化运运行行速速度度，且且高高循循环环疲疲劳故障将增加。劳故障将增加。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 二、二、双轴微型涡轮发动机双轴微型涡轮发动机 双双轴轴微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的设设计计一一般般采采用用金金属属径径向向涡涡轮轮机机组组件件,使使用用坚坚固固的的涡涡轮轮增增压压器器组组件件，润润滑滑系系统统采采用用增增压压的的润润滑滑油油系系统统，运运行行在在相相对对较较低低的的压压缩缩比比，一一般般为为3:1，使使用用一一级级压压缩缩和和两两级级涡轮。涡轮。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点：微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点： 引引擎擎寿寿命命长长：将将发发动动机机的的输输出出功功率率分分配配到到两两个个涡涡轮轮可可降降低低涡涡轮轮叶叶片片的的应应力力，进进一一步步采采用用相相对对低低的的压压缩缩比比和和引引擎擎的的涡涡轮入口温度可延长涡轮的寿命。轮入口温度可延长涡轮的寿命。 可可直直接接输输出出机机械械功功率率：任任何何旋旋转转的的机机械械部部件件都都可可以以由由电电力力涡涡轮轮驱驱动动，因因此此双双轴轴微微型型涡涡轮轮发发动动机机可可以以应应用用于于更更广广泛泛的的领域。领域。具具有有灵灵活活的的设设计计工工作作点点：对对于于电电力力涡涡轮轮，双双轴轴引引擎擎结结构构允允许设计者更灵活地选择设计的工作点。许设计者更灵活地选择设计的工作点。 轴轴的的机机械械设设计计简简单单：与与电电力力涡涡轮轮和和负负荷荷相相关关的的轴轴的的设设计计问问题题与与汽汽化化器器涡涡轮轮轴轴无无关关，因因此此这这些些简简单单轴轴的的设设计计没没有有单单轴轴引引擎擎轴轴的的设设计计复复杂杂，因因为为后后者者必必须须考考虑虑转转子子的的动动态态特特性性、负负载载特特性性以以及及将将所所有有旋旋转转器器件件安安装装在在一一个个轴轴上上所所引引起起的的密密封的复杂性等因素。封的复杂性等因素。 机机械械的的安安全全性性提提高高：电电力力涡涡轮轮转转速速的的降降低低减减少少了了系系统统中中旋旋转设备发生灾难性故障的危险性。转设备发生灾难性故障的危险性。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 良良好好的的转转矩矩/转转速速特特性性：由由于于通通过过引引擎擎的的质质量量流流位位于于第第一一级级涡涡轮轮，对对电电力力涡涡轮轮的的运运行行条条件件没没有有影影响响，因因此此电电力力涡涡轮轮在在低低速速运运行行时时可可输输出出更更大大的的转转矩矩，改改善善了了引引擎擎处处理理变变化化负负载载和维持运行稳定性的能力。和维持运行稳定性的能力。 双双轴轴微微型型涡涡轮轮发发动动机机由由于于具具有有可可直直接接驱驱动动机机械械设设备备的的灵灵活活性性，故可应用于各个领域。故可应用于各个领域。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微微型型涡涡轮轮发发电电机机输输出出为为高高频频交交流流电电，需需要要通通过过电电力力电电子子接接口口和控制器将其转换和控制器将其转换50Hz、380V的交流。的交流。三、三、微型涡轮发电机电力电子接口和控制微型涡轮发电机电力电子接口和控制 1.电力电子接口电力电子接口 常常用用的的开开关关器器件件：大大功功率率晶晶体体管管、绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管(IGBT) 等。等。22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 大大功功率率的的开开关关器器件件可可以以构构成成不不同同的的拓拓扑扑结结构构，实实现现所所要要求求的的电电能能转转换换功功能能，如如DC - DC、AC - DC或或DC - AC等等。为为了了得得到到所所要要求求的的输输出出电电压压和和频频率率，通通常常采采用用脉脉宽宽调调制制技技术术来来改改变变晶体管的导通和截止时间。晶体管的导通和截止时间。 因因为为晶晶体体管管工工作作于于开开关关工工作作状状态态，转转换换器器的的输输出出波波形形包包含含很很高高频频率率的的谐谐波波分分量量，因因此此需需要要大大功功率率的的滤滤波波器器滤滤除除高高次次谐谐波波，并允许有用的基波电能分量通过。并允许有用的基波电能分量通过。 现现代代电电力力电电子子转转换换器器如如果果采采用用一一阶阶的的电电能能转转换换，其其转转换换效效率率可可高高达达96%(包包括括了了滤滤波波器器的的损损耗耗)。即即使使可可达达到到非非常常高高的的转转换换效效率率，转转换换器器中中的的电电能能损损耗耗也也是是非非常常可可观观的的，因因此此器器件件的的散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。 2.数字控制技术数字控制技术 典型的分布式发电系统必须考虑三个方面的控制：典型的分布式发电系统必须考虑三个方面的控制：微微观观控控制制：即即电电力力电电子子转转换换器器中中大大功功率率开开关关的的开开关关控控制制，开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 宏宏观观控控制制：即即电电源源、能能量量存存储储装装置置和和负负载载的的潮潮流流控控制制。这这方方面面的的控控制制取取决决于于所所采采用用的的特特定定的的发发电电技技术术，其其采采样样速速率率为毫秒级。为毫秒级。 分分布布式式发发电电系系统统与与外外部部设设备备之之间间的的通通信信控控制制：先先进进的的分分布布式式发发电电系系统统可可提提供供各各种种数数字字通通信信接接口口，因因此此系系统统可可以以实实现现远远程程监监视视和和控控制制。当当需需要要将将一一定定数数量量的的分分布布式式发发电电系系统统集集成为较大的发电系统时，远程通信控制是不可少的。成为较大的发电系统时，远程通信控制是不可少的。 3.应用应用 并网运行并网运行电电力力电电子子转转换换和和控控制制器器可可设设计计为为并并网网运运行行工工作作模模式式。在在这这种种模模式式下下，微微型型涡涡轮轮发发电电机机系系统统跟跟随随电电网网的的电电压压和和频频率率变变化，可等效为可控的电流源。化，可等效为可控的电流源。 并并网网工工作作时时微微型型涡涡轮轮发发电电机机主主要要起起负负荷荷跟跟踪踪和和削削峰峰填填谷谷的的作作用用。并并网网分分布布式式发发电电系系统统包包括括同同步步、继继电电保保护护和和反反孤孤岛岛等等。为为将将微微型型涡涡轮轮发发电电机机系系统统与与电电网网安安全全可可靠靠地地连连接接，可可将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中。将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中。22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 分分布布式式发发电电系系统统中中电电力力电电子子转转换换和和控控制制器器的的另另一一个个作作用用是是在不需要任何外部设备前提下，改善供电质量。在不需要任何外部设备前提下，改善供电质量。 单机运行单机运行 电电力力电电子子转转换换和和控控制制器器可可以以设设计计为为单单机机运运行行工工作作模模式式，当当系系统统在在这这种种模模式式下下运运行行时时，整整个个系系统统相相当当于于一一个个电电压压源源，输出电流由负载的需要确定。输出电流由负载的需要确定。 双双模模式式运运行行：电电力力电电子子转转换换器器既既可可工工作作于于并并网网运运行行模模式式，也也可可工工作作于于单单机机运运行行模模式式，还还可可设设计计成成在在上上述述两两个个工工作作模模式式之之间自动切换。间自动切换。多多机机运运行行：为为将将分分布布式式发发电电系系统统构构成成一一个个较较大大的的电电力力系系统统，电电力力电电子子转转换换器器可可设设计计为为与与其其他他分分布布式式发发电电系系统统并并联联运运行行的的工工作作模模式式，这这一一功功能能可可直直接接在在系系统统中中设设置置，而而不不需需要要任任何何其其他的同步设备。他的同步设备。 可可变变燃燃料料运运行行模模式式：最最先先进进的的电电力力电电子子转转换换器器允允许许分分布布式式发发电电能能在在很很宽宽的的燃燃料料范范围围运运行行，因因为为数数字字控控制制软软件件的的灵灵活活性性和和适应性使得不需要对硬件作较大的改变即可实现此功能。适应性使得不需要对硬件作较大的改变即可实现此功能。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 先先进进的的离离心心式式压压缩缩机机叶叶片片装装置置可可采采用用直直排排式式元元件件，这这些些直直排排式式元元件件的的安安排排可可形形成成称称为为直直纹纹曲曲面面的的三三维维叶叶片片形形状状。采采用用此此方方法法可可创创建建相相当当复复杂杂的的曲曲面面，并并可可得得到到很很好好的的设设计计效效果果。采采用用三三维维计计算算流流体体动动力力学学等等新新技技术术，使使得得设设计计工工作作者者能能够够定定义义更复杂的叶片形状，为改善系统的性能提供了更好的机会。更复杂的叶片形状，为改善系统的性能提供了更好的机会。 四、四、微型涡轮发动机性能改善微型涡轮发动机性能改善 1.涡轮机组的性能涡轮机组的性能 若若微微型型涡涡轮轮发发动动机机采采用用离离心心式式压压缩缩机机，转转速速的的标标幺幺值值为为0.71.0，则某些种类的压缩机可得到，则某些种类的压缩机可得到87%89%的效率。的效率。 微型涡轮发动机中，压缩机效率一般仅能达到稍低于微型涡轮发动机中，压缩机效率一般仅能达到稍低于80。微微型型涡涡轮轮发发动动机机中中的的压压缩缩机机尺尺寸寸较较小小，其其直直径径只只有有数数英英寸寸，由由于于雷雷诺诺数数效效应应引引入入了了空空气气动动力力学学方方面面的的限限制制、由由于于轴轴承承加加工工时时的的实实际际限限制制使使得得间间隙隙比比相相对对较较大大等等限限制制了了压压缩缩机机的的效率。效率。 为为满满足足市市场场价价格格要要求求，成成本本的的限限制制也也强强加加到到微微型型涡涡轮轮发发动动机中，使得设计人员必须采用高容量机中，使得设计人员必须采用高容量/低成本的制造技术。低成本的制造技术。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 2.引擎运行条件引擎运行条件 提提高高微微型型涡涡轮轮发发动动机机效效率率的的一一个个方方法法是是使使涡涡轮轮机机组组工工作作于于更更能发挥其性能的运行条件，如更高压缩比或涡轮入口温度。能发挥其性能的运行条件，如更高压缩比或涡轮入口温度。 22 七月 2024微微型型涡涡轮轮发发动动机机运运行行在在高高压压缩缩比比时时需需要要燃燃料料的的喷喷射射压压力力高高，因此需要燃料气体增压器，从而使得附加的功率损耗增加。因此需要燃料气体增压器，从而使得附加的功率损耗增加。 2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 严严格格的的成成本本约约束束使使得得人人们们只只能能使使用用金金属属部部件件，并并且且不不能能使使用用昂贵的燃气涡轮引擎所使用的技术，如空气冷却叶片。昂贵的燃气涡轮引擎所使用的技术，如空气冷却叶片。 增增加加系系统统的的压压缩缩比比会会增增加加系系统统的的应应力力。当当要要求求提提高高系系统统效效率率同时又提高压缩比和温度时，将使引擎的寿命进一步缩短。同时又提高压缩比和温度时，将使引擎的寿命进一步缩短。 3.余热回收余热回收 提提高高引引擎擎效效率率最最有有效效的的方方法法是是通通过过回回热热器器或或回回流流换换热热器器作作为为引引擎擎循循环环的的一一部部分分将将微微型型涡涡轮轮发发动动机机排排放放的的热热能能回回收利用。收利用。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 回流换热器效率的不同对性能会有不同的影响。回流换热器效率的不同对性能会有不同的影响。回流换热器效率为回流换热器效率为91时的效率图时的效率图 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 回流换热器效率为回流换热器效率为85时的效率图时的效率图 若若要要得得到到更更高高的的效效率率，意意味味着着回回流流换换热热器器需需要要更更大大的的表表面面积积，因此重量和体积将更大。因此重量和体积将更大。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 兰兰金金循循环环是是指指通通过过加加热热液液体体使使其其气气化化生生成成气气体体，并并利利用用气气体体做功，再通过冷凝器将气体冷却为液体的热力循环。做功，再通过冷凝器将气体冷却为液体的热力循环。 五、五、兰金循环微型涡轮发动机兰金循环微型涡轮发动机 最最简简单单的的兰兰金金循循环环原原理理如如图图所所示示，由由锅锅炉炉，涡涡轮轮，冷冷凝凝器器和和循循环环供供给给泵泵等等组组成成。热热能能传传送送到到锅锅炉炉中中的的液液体体，为为涡涡轮轮产产生生饱饱和和的的或或过过热热的的气气体体，低低密密度度的的气气体体通通过过冷冷凝凝器器冷冷却却为为液液体体，然然后后通通过过循循环环供供给给泵泵对对液液体体加加压压并并回回送送到到锅锅炉炉，从从而而完完成成整整个循环。个循环。 22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 在在分分布布式式发发电电市市场场，兰兰金金循循环环发发动动机机可可以以用用来来改改善善涡涡轮轮发发动动机和往复发动机的运行成本。机和往复发动机的运行成本。 1.工作流体工作流体 由由于于水水蒸蒸发发时时吸吸收收大大量量的的热热能能，并并具具有有良良好好的的传传输输特特性性和和广广泛泛的的有有效效性性，因因此此在在高高温温兰兰金金循循环环系系统统中中，水水为为主主要要的的工工作作流体。流体。 在在余余热热回回收收应应用用的的低低温温热热源源兰兰金金循循环环中中，由由于于水水的的蒸蒸发发需需要要大大量量的的热热能能，使使得得沸沸腾腾温温度度低低，并并且且循循环环效效率率也也很很低低。因因此此在低温热源兰金循环中，一般采用有机流体而不采用水。在低温热源兰金循环中，一般采用有机流体而不采用水。 设设计计低低温温有有机机流流体体兰兰金金循循环环时时必必须须考考虑虑流流体体的的特特性性，如如热热分分解限制、可燃性、成本以及有效性等。解限制、可燃性、成本以及有效性等。 2. 兰金循环发动机的性能兰金循环发动机的性能 热热源源和和吸吸热热设设备备的的温温度度影影响响兰兰金金循循环环的的效效率率，当当系系统统热热源源温温度度为为90时时有有机机流流体体兰兰金金循循环环发发动动机机的的效效率率为为7%10%，当当温度为温度为315650时，效率为时，效率为25%30%。22 七月 20242-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 根根据据下下图图给给出出的的循循环环效效率率信信息息，可可估估计计出出低低温温有有机机流流体体兰兰金金循环发动机的输出功率。循环发动机的输出功率。 3. 兰金循环发动机制造费用兰金循环发动机制造费用 废废热热回回收收的的兰兰金金循循环环发发电电系系统统的的制制造造费费用用的的变变化化非非常常高高，这这一一变变化化主主要要取取决决于于输输出出电电功功率率的的大大小小、产产品品的的数数量量、有有效效的的温度范围以及热交换的需要等因素。温度范围以及热交换的需要等因素。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 光光伏伏发发电电系系统统直直接接将将太太阳阳能能转转换换为为电电能能，光光伏伏发发电电装装置置由由半半导体器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。导体器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。 一、一、光伏电池原理光伏电池原理 用用适适当当波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体系系统统上上时时，系系统统吸吸收收光光能能后后两两瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。瑞产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。 p-n结的光生伏特效应结的光生伏特效应 光光照照产产生生的的非非平平衡衡载载流流子子各各向向相相反反方方向向漂漂移移，在在内内部部构构成成自自n区区流流向向p区区的的光光生生电电流流，在在p-n结结短短路路情情况况下下构构成成短短路路电流密度。电流密度。 在在p-n结结开开路路情情况况下下，p-n结结两两端端建建立立起起光光生生电电势势差差，即即开开路路电压。电压。将将p-n结结与与外外电电路路接接通通，只只要要光光照照不不停停止止，就就会会不不断断地地有有电电流流流过电路，流过电路，p-n结起了电源的作用。结起了电源的作用。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 太阳能电池的电流和功率特性太阳能电池的电流和功率特性 为为使使太太阳阳能能电电池池的的输输出出功功率率达达到到最最大大，不不论论外外界界环环境境如如何何变化，必须使其运行在这一最大功率点变化，必须使其运行在这一最大功率点 。可可采采用用电电子子控控制制器器实实时时地地调调节节PV电电池池运运行行电电压压等等于于最最大大功功率点的电压来实现最大功率点跟踪。率点的电压来实现最大功率点跟踪。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 受太阳辐射和负载大小影响的受太阳辐射和负载大小影响的PV电池的电压电池的电压-电流特性电流特性 电电池池的的温温度度影影响响太太阳阳能能电电池池的的性性能能，随随着着温温度度的的增增高高，其其输输出出电电压压和和功功率率将将线线性性减减小小，因因此此PV电电池池最最好好运运行行在在太太阳阳辐辐照照度度高高，气气温温较较低低的时候。的时候。不不同同太太阳阳辐辐射射情情况况下下，最最大大功功率率点点的的电电压压基基本本上上相相同同，与与电电池池受受到到的的辐照度无关。辐照度无关。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 二、二、PV电池等效电路电池等效电路IL ：光能产生的电流；：光能产生的电流；Id ：二极管电流；：二极管电流；Ish：旁路漏电流；：旁路漏电流；串串联联等等效效电电阻阻Rs表表示示电电池池中中对对电电流流的的阻阻碍碍作作用用，其其数数值值取取决决于于p-n结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；结深度、半导体材料的纯度和接触电阻； 旁路电阻旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比。与电池对地的泄漏电流成反比。 常常规规的的高高质质量量的的PV电电池池，一一平平方方英英寸寸的的硅硅电电池池其其Rs在在0.05到到0.10之间，之间，Rsh在在200到到300之间。之间。 PV电电池池转转换换效效率率对对Rs的的变变化化非非常常灵灵敏敏，而而对对Rsh的的变变化化不不灵灵敏敏，当当Rs的值少量增加时，的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。电池的输出电能将显著减小。 二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：二极管电流可采用常规的二极管电流计算公式计算：ID为二极管饱和电流；为二极管饱和电流；Uoc为开路电压；为开路电压；Q为电子电量；为电子电量；A为曲线拟合常数；为曲线拟合常数；K为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；T为绝对温度。为绝对温度。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 负载电流：负载电流：实际的实际的PV电池，电池，Ish与与IL和和ID相比非常小，可以忽略。相比非常小，可以忽略。 在在黑黑暗暗条条件件下下，将将电电压压Uoc加加到到电电池池两两端端，并并测测量量流流入入电电池池的的电电流流即即可可求求得得二二极极管管饱饱和和电电流流，因因此此该该电电流流常常称称为为黑黑暗暗电电流流或反向二极管电流。或反向二极管电流。 描描述述PV电电池池性性能能的的两两个个最最重重要要和和最最常常用用的的参参数数是是开开路路电电压压Uoc和和短路电流短路电流ISC。在在满满照照度度的的条条件件下下，将将PV电电池池的的输输出出端端短短路路测测量量得得到到的的电电流流即为短路电流。即为短路电流。在在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压。忽略旁路电流。忽略旁路电流。开路电压具有负的温度系数。开路电压具有负的温度系数。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 PV电池的电气特性一般采用电流电池的电气特性一般采用电流-电压电压(i-v)曲线表示。曲线表示。左左边边阴阴影影区区，电电池池工工作作于于理理想想电电流流源源工工作作状状态态，其其输输出出电压取决于负载电阻；电压取决于负载电阻； 右右边边工工作作区区，当当电电压压少少量量增增加加时时，将将引引起起输输出出电电流流急急剧剧增增加加。在在此此区区域域，电电池池相相当当于具有内阻的电压源。于具有内阻的电压源。 在两个阴影区域的中间部分，在两个阴影区域的中间部分，i-v曲线有一个转折点。曲线有一个转折点。 PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积。当当输输出出电电压压处处于于i-v曲曲线线的的转转折折点点时时，输输出出功功率达到最大。率达到最大。PV电电池池的的电电路路应应工工作作于于靠靠近近i-v曲曲线线的的转转折折点点的左边。的左边。 在在分分析析系系统统的的电电气气特特性性时时，可可将将PV电电池池等等效效为近似理想电流源的模型。为近似理想电流源的模型。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 光照为光照为2流明，空气质量为流明，空气质量为2.5时，时， 22瓦的瓦的PV电池的电池的i-v特性：特性：定义外太空的空气质量为定义外太空的空气质量为0，太阳辐射可达，太阳辐射可达1350瓦瓦/平方米。平方米。 当当空空气气质质量量为为1时时为为纯纯净净的的空空气气且且在在中中午午的的时时候候，可可将将其其定定义义为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。为地面的理想条件，太阳光经很小的阻挡达到地面。 一般的白天，空气质量为一般的白天，空气质量为1.5，可定义为空气质量的参考值。，可定义为空气质量的参考值。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 PV电池的光电转换效率：电池的光电转换效率： 三、三、PV电池阵列设计电池阵列设计 影响影响PV电池阵列设计的主要因素如下：电池阵列设计的主要因素如下： 太阳光强。太阳光强。 太阳的入射角度。太阳的入射角度。 最大功率的负荷匹配。最大功率的负荷匹配。 PV电池阵列的运行工作温度。电池阵列的运行工作温度。 1.太阳光强度太阳光强度 当当太太阳阳辐辐射射处处于于全全照照度度(1.0太太阳阳辐辐射射)情情况况下下，PV电电池池产产生生的的光光电电流流将将达达到到最最大大值值，而而在在多多云云的的天天气气，光光电电流流将将随随太太阳阳光光强强成成比比例地减小。例地减小。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 实实际际工工作作情情况况下下，PV电电池池的的转转换换效效率率对对太太阳阳辐辐射射的的强强度度变变化化不灵敏。不灵敏。2.太阳入射角太阳入射角 光伏电池的输出电流可由下式表示：光伏电池的输出电流可由下式表示： 太太阳阳入入射射角角在在050之之间间，电电流流I与与之之间间的的余余弦弦关关系系能能够够很很好好地地满满足足，超超过过50，输输出出电电流流与与太太阳阳入入射射角角之之间间的的关关系系将将显显著著地偏离余弦函数关系，超过地偏离余弦函数关系，超过85，光电池将不能输出电能。，光电池将不能输出电能。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 表表2-3 硅太阳能电池的光电电流凯利余弦函数值硅太阳能电池的光电电流凯利余弦函数值太阳入射角太阳入射角余弦函数值余弦函数值凯利余弦函数值凯利余弦函数值300.8660.866500.6430.635600.5000.450800.1740.100850.0870.00022 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 3.阴影的影响阴影的影响 PV电池阵列可由光电池串联成组然后并联组成电池阵列可由光电池串联成组然后并联组成22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 消消除除串串联联回回路路中中太太阳阳阴阴影影影影响响的的一一般般方方法法是是将将较较长长的的串串联联光光电池分成几段，每一段并联一个旁路二极管。电池分成几段，每一段并联一个旁路二极管。4.温度效应温度效应 随随着着光光电电池池的的运运行行温温度度的的升升高高，其其短短路路电电流流将将增增加加，而而开开路路电电压压将减小。将减小。22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 对对于于结结晶晶硅硅电电池池，为为500W/，为为5mW/，因因此此其其输输出出功率为功率为 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 5.负荷匹配负荷匹配 任任何何电电力力系系统统的的工工作作点点均均为为电电源源特特性性曲曲线线和和负负荷荷特特性性曲曲线线的的交点。交点。 PV电池阵列稳定工作的必要条件为电池阵列稳定工作的必要条件为 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 6.太阳跟踪太阳跟踪 太太阳阳跟跟踪踪器器可可分分为为两两类类：一一类类为为单单轴轴跟跟踪踪器器，它它可可以以在在一一天天中中从从东东到到西西跟跟踪踪太太阳阳的的运运动动；另另一一类类为为双双轴轴跟跟踪踪器器，它它不不仅仅在在一一天天中中可可以以跟跟踪踪太太阳阳从从东东到到西西的的运运动动，还还可可以以在在一一年年中中从从北到南跟踪太阳的运动。北到南跟踪太阳的运动。 小小型型的的单单杆杆PV电电池池板板可可采采用用单单杆杆的的太太阳阳跟跟踪踪器器，大大型型的的PV电电池池板板可可分分解解为为较较小小的的模模块块，每每个个模模块块安安装装在在自自己己的的单单轴轴或或双双轴轴跟跟踪踪器器上上，这这样样简简化化了了系系统统结结构构，并并消消除除了了与与之之相相关关的的大大位移问题。位移问题。 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 四、最大功率点运行四、最大功率点运行 PV电电池池必必须须工工作作于于一一定定的的电电压压，从从而而保保证证在在一一定定的的条条件件下下工工作于最大功率点。作于最大功率点。实现实现PV电池工作于最大功率点的方法：电池工作于最大功率点的方法： 第第一一种种方方法法：将将一一个个很很小小的的电电流流信信号号按按一一定定的的周周期期注注入入到到PV电电池池阵阵列列的的母母线线上上，然然后后测测量量母母线线上上的的动动态态电电阻阻Zd=dU/dI和和静静态态电电阻阻Zs=U/I，调调整整电电池池的的工工作作电电压压直直到到Zd= Zs，当当电电池池运运行在这一点时，其输出功率可达最大值；行在这一点时，其输出功率可达最大值； 第第二二种种方方法法：根根据据dP/dU的的正正负负调调节节工工作作电电压压，当当dP/dU为为正正时时增增加加PV电电池池工工作作电电压压，为为负负时时减减小小工工作作电电压压。如如果果dP/dU在一定的死区范围内接近于零则保持其工作电压不变；在一定的死区范围内接近于零则保持其工作电压不变； 22 七月 20242-2 2-2 光伏发电光伏发电 大大多多数数PV电电池池，最最大大功功率率点点的的电电压压与与开开路路电电压压的的比比值值(Ump/Uoc)近似为常数近似为常数K。第第三三种种方方法法：将将一一个个不不带带负负载载的的光光电电池池安安装装在在PV电电池池板板上上，使使其其与与输输出出电电功功率率的的PV电电池池处处于于同同一一环环境境，并并不不断断测测量量其其开开路路电电压压，如如果果将将输输出出电电功功率率的的PV电电池池的的工工作作电电压压设设定定为为KUoc，则其输出功率将达到最大值。，则其输出功率将达到最大值。 五、五、PV系统组成系统组成独立运行的独立运行的PV系统组成：系统组成：并并网网运运行行PV系系统统，耗耗电电加加热热器器不不需需要要，剩剩余余的的电电能能可可以以送送入入电电网网，蓄蓄电电池池也也可可取取消消掉掉，若若系系统统中中有有重重要要的的负负载载如如计计算算机机和和起起动动控控制制器器等等，则应保留蓄电池。则应保留蓄电池。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 燃燃料料电电池池是是一一种种不不经经燃燃烧烧直直接接将将燃燃料料的的化化学学能能转转换换为为电电能能和和热能的电化学装置。热能的电化学装置。一、一、燃料电池工作原理燃料电池工作原理 1.燃料电池组燃料电池组 单单个个燃燃料料电电池池仅仅仅仅能能产产生生1V左左右右的的电电压压，因因此此一一般般的的燃燃料料电电池池系系统统将将多多个个燃燃料料电电池池串串联联起起来来组组成成燃燃料料电电池池组组，为为用用户提供所需要的电压。户提供所需要的电压。 燃燃料料电电池池组组可可以以采采用用很很多多组组电电池池串串联联和和并并联联，得得到到不不同同的的电电压压、电电流流和功率。和功率。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 燃燃料料电电池池组组的的基基本本组组成成如如图图所所示示，包包含含的的元元件件除除了了电电极极和和电电解解质质外外，另另外外还还有有提提供供电电气气连连接接和和绝绝缘缘、燃燃料料和和氧氧化化剂剂流流通通的一些元件。的一些元件。 关关键键的的元元件件有有电电流流集集电电器器和和分分离离器器板板，电电流流集集电电器器将将电电子子从从阳阳极极传传导导到到分分离离器器板板。分分离离器器板板在在两两个个电电池池之之间间提提供供电电气气串串联联连连接接，并并将将流流过过一一个个电电池池的的氧氧化化剂剂与与相相邻邻电电池池的的氧氧化化剂剂隔隔离离开开。电电流流集集电电器器中中的的通通道道作作为为燃燃料料和和氧氧化剂的分配路径。化剂的分配路径。两两个个电电流流集集电电器器和和一一个个分分离离器器板板结结合合成成一一个个单单元元，称称为为双双极极板。板。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 2.燃料电池系统燃料电池系统 燃燃料料处处理理器器将将碳碳氢氢化化合合物物燃燃料料转转换换为为富富含含氢氢气气的的混混合合气气体体，然然后后根根据据燃燃料料电电池池的的需需要要，再再将将混混合合气气体体去去掉掉杂杂质质或或其其他他气气体成分，为燃料电池提供纯净的氢气。体成分，为燃料电池提供纯净的氢气。 燃燃料料电电池池系系统统还还需需要要一一个个具具有有输输出出功功率率调调节节功功能能的的逆逆变变器器系系统统，因因为为分分布布式式发发电电系系统统中中的的负负载载为为交交流流负负载载，而而且且还还需需要要与电力系统并网运行，而燃料电池直接输出的是直流电。与电力系统并网运行，而燃料电池直接输出的是直流电。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 根根据据电电池池使使用用的的电电解解质质材材料料分分类类：碱碱性性燃燃料料电电池池(Alkaline Fuel Cell，AFC)，熔熔融融碳碳酸酸盐盐燃燃料料电电池池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)，磷磷酸酸燃燃料料电电池池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)，质质子子交交换换膜膜燃燃料料电电池池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)和和固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。 二、二、燃料电池种类和性能比较燃料电池种类和性能比较 1.碱性燃料电池碱性燃料电池 AFC的电解质为氢氧化钾的电解质为氢氧化钾(KOH)，运行温度为，运行温度为100250C。 高高温温AFC采采用用的的KOH浓浓度度高高，可可达达85，而而低低温温AFC采采用用更更稀释的稀释的KOH，其浓度在，其浓度在3550之间。之间。 电电解解质质包包含含在在填填充充材材料料如如石石棉棉中中，通通过过毛毛细细作作用用将将电电解解质质传传送到电极的表面。送到电极的表面。 电电极极中中可可加加入入的的电电催催化化剂剂的的种种类类很很多多，如如镍镍、银银、尖尖晶晶石石、金属氧化物和贵金属等。金属氧化物和贵金属等。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 AFC的的燃燃料料必必须须是是纯纯净净的的氢氢气气，一一氧氧化化碳碳可可使使AFC中中毒毒，二二氧氧化化碳碳与与电电解解质质相相互互作作用用将将形形成成碳碳酸酸钾钾(K2CO3)，即即使使空空气气中中有少量的二氧化碳也将影响燃料电池的正常运行。有少量的二氧化碳也将影响燃料电池的正常运行。 2.熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 MCFC中中的的电电解解质质为为碱碱性性碳碳酸酸盐盐，如如碳碳酸酸钠钠(Na2CO3)、碳碳酸酸钾钾(K2CO2)或或碳碳酸酸锂锂(Li2CO3)等等。若若采采用用二二氧氧化化铝铝锂锂(LiAlO2)的陶瓷填充材料，电解质可采用碱性碳酸盐的化合物。的陶瓷填充材料，电解质可采用碱性碳酸盐的化合物。 MCFC的的运运行行温温度度为为600700C，碳碳酸酸盐盐溶溶解解后后形形成成很很多多碳碳酸酸盐盐离离子子(CO3负负离离子子)，这这些些负负离离子子通通过过电电解解质质填填充充材材料料形形成成离离子传导。子传导。 MCFC比比低低温温燃燃料料电电池池转转换换效效率率高高，可可达达60，而而且且其其所所使使用的燃料种类也更灵活。用的燃料种类也更灵活。 3.磷酸燃料电池磷酸燃料电池 PAFC是是最最成成熟熟的的燃燃料料电电池池技技术术，它它采采用用的的电电解解质质是是浓浓度度为为100的的磷磷酸酸(H3PO4)，填填充充材材料料为为碳碳化化硅硅，运运行行温温度度为为150200C。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 如如果果温温度度很很低低，阳阳极极的的电电催催化化剂剂(通通常常为为铂铂)将将产产生生一一氧氧化化碳碳中中毒毒，并并且且电电解解质质中中的的离离子子传传导导性性能能变变低低。电电极极通通常常由由特特氟氟纶纶粘合的铂和碳组成。粘合的铂和碳组成。 4.质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 PEMFC也称为固体聚合物或聚合物电解质燃料电池。也称为固体聚合物或聚合物电解质燃料电池。 PEMFC的的电电解解质质为为固固体体聚聚合合物物，通通常常为为硫硫酸酸聚聚合合物物，质质子子可可从电解质的一面到达另一面。从电解质的一面到达另一面。 PEMFC的的运运行行温温度度比比其其他他燃燃料料电电池池的的运运行行温温度度低低得得多多，在在90C左右，这主要是因为受到其交换膜的热特性的限制。左右，这主要是因为受到其交换膜的热特性的限制。5.固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 PEMFC可可被被一一氧氧化化碳碳污污染染，使使其其性性能能降降低低、损损坏坏电电池池催催化化剂剂，为使其正常工作，为使其正常工作，PEMFC需要冷却系统和排水系统。需要冷却系统和排水系统。 SOFC的的电电解解质质为为无无毛毛孔孔的的金金属属氧氧化化物物，如如稳稳定定的的氧氧化化钇钇氧氧化化锆锆(Y2O3-stabilized ZrO2)，其运行温度在，其运行温度在6501000C之间。之间。 离离子子传传导导是是通通过过氧氧离离子子实实现现的的。SOFC的的阳阳极极一一般般为为氧氧化化锆锆钴钴(Co-ZrO2)或氧化锆镍或氧化锆镍(Ni-ZrO2)，阴极为亚锰酸盐镧杂质锶。，阴极为亚锰酸盐镧杂质锶。22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 SOFC具具有有所所有有固固体体状状态态的的陶陶瓷瓷结结构构所所特特有有的的稳稳定定性性和和可可靠靠性性，由由于于运运行行温温度度可可达达1000C，燃燃料料的的选选择择范范围围很很大大，因因此此将将SOFC与热力循环应用相结合。与热力循环应用相结合。6.燃料电池的性能比较燃料电池的性能比较 表2-4 4种主要的燃料电池性能比较工作参数MCFCPAFCPEMFCSOFC电解质固定不动的熔融碳酸盐液体固定不动的磷酸液体离子交换膜陶瓷工作温度650C205C80C8001000C电荷载体CO3-H+H+O-提取CH4的转换器无有有无电池材料不锈钢石墨碳精棒陶瓷催化剂镍铂铂钙钛矿水处理气态蒸汽蒸汽气态热能处理内部再处理气体独立的冷却处理独立冷却处理内部再处理气体22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 燃燃料料电电池池理理论论上上的的性性能能取取决决于于发发生生在在燃燃料料电电池池内内部部的的电电化化学学反应。反应。表2-5 燃料电池阳极和阴极的化学反应燃料电池类型阳极反应阴极反应AFCMCFCPAFCPEMFCSOFC22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 燃燃料料电电池池理理论论上上的的性性能能由由它它理理论论上上产产生生的的电电动动势势大大小小决决定定，此电动势称为能斯特电动势，对于一般的化学反应，有：此电动势称为能斯特电动势，对于一般的化学反应，有：能斯特方程可写为能斯特方程可写为 表表2-6 燃料电池的化学反应和相应的能斯特方程燃料电池的化学反应和相应的能斯特方程燃料电池化学反应燃料电池化学反应能斯特方程能斯特方程22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 氢氧燃料电池的理想标准电动势为氢氧燃料电池的理想标准电动势为1.229V。值值得得注注意意的的是是某某些些燃燃料料电电池池的的化化学学反反应应产产生生的的电电动动势势随随温温度度降降低低而而增增大大，这这与与其其他他基基于于热热力力发发动动机机的的发发电电技技术术完完全全不不同同，这些发电机的性能随着温度降低而减小。这些发电机的性能随着温度降低而减小。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 由由于于某某些些具具有有损损耗耗的的物物理理处处理理过过程程如如燃燃料料的的传传输输和和化化学学反反应应将限制着燃料电池的性能。将限制着燃料电池的性能。 具具有有损损耗耗的的物物理理处处理理过过程程有有：反反应应物物在在气气体体/电电解解质质交交界界面面的的输输送送；反反应应物物在在电电解解质质中中的的融融解解；反反应应物物由由电电解解质质到到电电极极表表面面的的输输送送；相相同同或或相相异异的的预预电电化化学学反反应应；电电极极上上活活性性带带电电物物质质的的吸吸附附；吸吸附附物物质质的的表表面面移移动动；电电气气充充电电物物质质的的电电化化学学反反应应；后后期期电电化化学学反反应应表表面面迁迁移移；产产物物的的吸吸附附；后后期期电电化化学学反反应应；产产物物在在电电极极表表面面的的传传送送；电电解解质质中中产产物物的的变变化化以以及及电电解解质质/气体中气体产物的传送等。气体中气体产物的传送等。 与与上上述述化化学学和和物物理理过过程程相相关关的的损损耗耗主主要要出出现现在在燃燃料料电电池池的的三三种主要损耗中。种主要损耗中。 三三种种主主要要过过电电动动势势损损耗耗是是：激激励励过过电电动动势势、欧欧姆姆过过电电动动势势和和浓度过电动势。浓度过电动势。 激激励励过过电电动动势势极极化化一一般般将将导导致致化化学学反反应应变变慢慢，抑抑制制化化学学反反应的激励能量；应的激励能量；22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 通通过过燃燃料料电电池池的的电电流流将将受受到到阻阻挡挡而而产产生生欧欧姆姆过过电电动动势势极极化化损耗；损耗； 浓浓度度过过电电动动势势极极化化由由燃燃料料的的传传送送所所引引起起，将将导导致致在在电电化化学学反应的表面反应浓度降低。反应的表面反应浓度降低。 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 由由热热力力学学分分析析可可知知，当当电电极极表表面面的的电电化化学学反反应应的的速速率率受受到到慢慢速的电极过程动力学控制时，将发生激励极化。速的电极过程动力学控制时，将发生激励极化。 在在电电化化学学反反应应情情况况下下，激激励励能能量量范范围围为为50100mV，由由塔塔斐斐(Tafel)方程决定：方程决定： 欧欧姆姆极极化化由由离离子子在在电电解解质质中中流流动动和和电电子子通通过过电电极极时时的的阻阻挡挡作作用用引引起起，主主要要的的损损耗耗是是由由于于离离子子通通过过电电解解质质时时的的阻阻碍碍作作用用，这这些些损损耗耗可可通通过过缩缩短短电电极极间间距距离离和和增增加加离离子子在在电电解解质质中中的的传传导来减小。导来减小。 浓浓度度极极化化由由在在电电极极表表面面的的反反应应浓浓度度梯梯度度的的形形成成所所引引起起。由由于于在在电电极极的的表表面面，反反应应物物迅迅速速地地消消耗耗掉掉而而不不能能及及时时地地补补充充燃燃料料时，将形成浓度梯度。时，将形成浓度梯度。22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 电电池池总总的的性性能能与与上上述述方方程程中中的的基基本本过过电电动动势势有有关关。一一般般情情况况下下，阴阴极极损损耗耗远远远远超超过过阳阳极极损损耗耗，主主要要是是因因为为在在阳阳极极的的电电化化学学反反应应的的基基本本反反应应物物如如氢氢没没有有氧氧分分子子的的稳稳定定性性好好，另另外外激激励励过过电电动动势势一一般般大大于于欧欧姆姆过过电电动动势势损损耗耗，而而在在一一般般的的燃燃料料电电池池的的常常规规工工作作条条件件下下，欧欧姆姆过过电电动动势势损损耗耗将将大大于于浓浓度度过过电电动动势势损耗。损耗。 表表2-7 采用天然气作为燃料时燃料电池系统的典型效率范围采用天然气作为燃料时燃料电池系统的典型效率范围燃料电池种类燃料电池种类转换效率转换效率(%)MCFC5060PAFC3845PEMFC3345SOFC405522 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 燃燃料料电电池池的的工工作作参参数数如如温温度度、压压力力、反反应应气气体体浓浓度度、反反应应物物的的利利用用率率和和电电流流密密度度等等参参数数不不仅仅影影响响燃燃料料电电池池的的理理论论电电动动势势，也影响其损耗的大小。也影响其损耗的大小。三、三、燃料电池运行参数分析燃料电池运行参数分析 22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 一一般般情情况况下下，要要求求燃燃料料电电池池运运行行在在满满意意的的工工作作点点，即即输输出出电电压压高高、功功率率密密度度低低，使使燃燃料料电电池池的的运运行行效效率率高高，运运行行费费用用低低，即满足高输出功率和低电压，减少电池的运行区域。即满足高输出功率和低电压，减少电池的运行区域。 燃燃料料电电池池的的工工作作温温度度影影响响着着与与电电池池内内部部发发生生的的电电化化学学反反应应相相关的热能扩散与消失的变化。关的热能扩散与消失的变化。当当其其他他参参数数不不变变时时，工工作作温温度度的的升升高高将将使使燃燃料料电电池池的的性性能能变差，效率降低。变差，效率降低。 实实际际的的电电池池电电压压由由于于温温度度升升高高，使使得得某某些些过过电电动动势势减减小小，从而输出电压增大。从而输出电压增大。燃料电池的工作压力直接影响着电极表面反应物的浓度变化。燃料电池的工作压力直接影响着电极表面反应物的浓度变化。随随着着工工作作压压力力的的增增加加，反反应应物物的的部部分分压压力力增增加加，可可逆逆电电动动势也将增加。势也将增加。随随着着电电池池工工作作压压力力的的增增加加，气气体体燃燃料料的的可可溶溶解解和和燃燃料料的的传传送送速速率率增增加加，与与反反应应过过程程相相关关的的某某些些过过电电动动势势将将减减小小，由由于极化引起电解质的损耗将减小，总的系统效率将增加。于极化引起电解质的损耗将减小，总的系统效率将增加。22 七月 20242-3 2-3 燃料电池燃料电池 反应气体的成分对燃料电池性能的影响也很大。反应气体的成分对燃料电池性能的影响也很大。寄寄生生损损耗耗，特特别别是是与与空空气气和和燃燃料料的的流流量量相相关关的的寄寄生生损损耗耗将将随着工作压力的增加而增大。随着工作压力的增加而增大。反应气体的利用率也强烈影响着燃料电池的性能。反应气体的利用率也强烈影响着燃料电池的性能。燃燃料料电电池池一一般般不不设设计计为为100地地利利用用所所使使用用的的燃燃料料，而而是是允允许许一一定定比比例例的的燃燃料料出出现现在在整整个个发发生生反反应应的的表表面面区区域域，否否则则，燃燃料料将将在在通通过过电电池池的的流流通通管管道道的的尽尽头头之之前前消消耗耗掉掉，电电池池的的最后部分将不能产生电压从而降低了总的性能。最后部分将不能产生电压从而降低了总的性能。 燃料电池的工作电流密度也影响电池的性能。燃料电池的工作电流密度也影响电池的性能。当当工工作作电电流流小小时时激激励励损损耗耗高高，并并且且在在电电流流密密度度非非常常大大时时，浓度损耗也高，而欧姆损耗与工作电流大小成比例。浓度损耗也高，而欧姆损耗与工作电流大小成比例。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 风风力力发发电电机机的的主主要要组组成成部部分分为为支支撑撑塔塔、两两个个或或三三个个叶叶片片的的风风力力涡涡轮轮、调调向向装装置置、齿齿轮轮箱箱、发发电电机机以以及及速速度度测测量量和和控控制制装装置置等等。新新型型的的风风力力发发电电系系统统还还包包括括电电力力电电子子转转换换控控制制器器、计计算算机机、为为改改善善单单机机运运行行性性能能的的蓄蓄电电池池以以及及与与电电网网并并联联运运行行的的传输和并列装置。传输和并列装置。 一、一、风电机组工作原理及设计考虑风电机组工作原理及设计考虑 1.系统组成系统组成 风风机机的的支支撑撑塔塔支支撑撑风风轮轮，包包含含齿齿轮轮箱箱、发发电电机机、转转向向机机构构的的机舱以及停止控制装置等。塔的高度约为机舱以及停止控制装置等。塔的高度约为2050m。 风风机机叶叶片片可可用用高高密密度度的的木木质质材材料料或或玻玻璃璃纤纤维维和和环环氧氧树树脂脂制制造造，现现代代的的风风机机一一般般有有两两个个或或三三个个叶叶片片，由由于于叶叶片片旋旋转转时时产产生生的的离离心心力力和和不不断断的的振振动动引引起起的的叶叶片片疲疲劳劳产产生生的的稳稳定定的的机机械械应应力力使得叶片成为系统中最薄弱的环节。使得叶片成为系统中最薄弱的环节。风风机机的的偏偏航航控控制制使使风风轮轮总总是是处处于于迎迎风风位位置置。理理论论上上应应使使风风机机尽尽可可能能不不偏偏离离迎迎风风位位置置。在在风风机机偏偏离离风风向向时时，旋旋转转叶叶片片具具有有很大惯性，将产生很大的回转扭矩，从而产生很大的噪声。很大惯性，将产生很大的回转扭矩，从而产生很大的噪声。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 评评估估风风机机额额定定容容量量全全球球还还没没有有统统一一的的标标准准，这这主主要要是是因因为为风风机机的的输输出出功功率率取取决决于于桨桨叶叶直直径径的的平平方方和和风风速速的的三三次次方方，在在桨桨叶直径给定的情况下，不同的风速将输出不同的功率。叶直径给定的情况下，不同的风速将输出不同的功率。2.风机的容量风机的容量 额定容量额定容量SRC通常作为风机设计的一个比较指标，其定义为通常作为风机设计的一个比较指标，其定义为 风风机机的的额额定定容容量量是是一一个个重重要要的的参参数数，它它为为如如何何确确定定发发电电机机、变变压压器器、连连接接变变电电站站的的输输电电线线以以及及与与电电网网并并列列的的接接口口等等的的容容量计算提供了依据。量计算提供了依据。3.电力负荷的匹配电力负荷的匹配22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 将将机机械械功功率率转转换换为为电电功功率率的的大大小小取取决决于于转转矩矩T和和风风轮轮角角速速度度的的乘乘积积，因因此此当当转转速速为为零零时时输输出出功功率率为为零零，而而在在很很高高的的转转速速但但转转矩矩为为零零时时输输出出功功率率也也为为零零，在在两两种种情情况之间有一个最大输出功率。况之间有一个最大输出功率。风风力力发发电电系系统统应应使使其其负负荷荷与与发发电电机机的的最最大大输输出出功功率率匹匹配配，使使得风轮的转速运行于接近最大功率点的转速。得风轮的转速运行于接近最大功率点的转速。4.风机的变速运行风机的变速运行 叶尖速度比可定义为叶尖速度比可定义为 风风能能利利用用系系数数Cp是是表表征征风风轮轮机机效效率率的的重重要要参参数数，它它表表明明风风轮轮机从风中获得的有用能量的比例。风能利用系数机从风中获得的有用能量的比例。风能利用系数Cp定义为定义为对于给定的风速，风能利用系数对于给定的风速，风能利用系数Cp随着随着TSR的变化而变化。的变化而变化。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 为为实实现现强强风风的的条条件件下下，获获得得大大的的输输出出功功率率，风风轮轮也也必必须须高高速速运运转转，保保持持TSR为常数。为常数。系系统统的的三三个个性性能能特特性性与与TSR有关：有关：桨桨叶叶中中的的离离心心机机械械应应力力与与TSR的的关关系系成成正正比比例例，风风轮轮运运转转时时TSR越越大大则则桨桨叶叶承承受受的离心应力也越大。的离心应力也越大。 带带负负载载时时风风机机的的起起动动能能力力与与TSR成成反反比比，随着随着TSR的增加，桨的增加，桨 叶产生的起动转矩将减小。叶产生的起动转矩将减小。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 TSR还还与与输输出出最最大大功功率率的的运运行行点点有有关关，在在特特定定的的TSR值值，风风能能利利用用系系数数Cp可可达达到到最最大大，因因此此在在进进行行风风机机的的空空气气动动力力学学设计时，设计时，TSR是必须考虑的一个特定参数。是必须考虑的一个特定参数。 进进行行风风力力发发电电系系统统设设计计时时必必须须优优化化其其年年输输出出电电能能，若若要要使使风风机机输输出出最最大大能能量量，必必须须根根据据风风速速变变化化来来调调节节风风轮轮转转速速，使使得得在所有运行时间内，在所有运行时间内，TSR等于最大风能利用系数时的数值。等于最大风能利用系数时的数值。 表表2-9 变速运行和恒速运行的性能对比变速运行和恒速运行的性能对比恒速系统恒速系统变速系统变速系统结构简单，电系统成本低结构简单，电系统成本低风轮效率高，因此年输出能量大风轮效率高，因此年输出能量大组成的部件少，因此可靠性高组成的部件少，因此可靠性高暂态转矩低暂态转矩低机械谐振产生的可能性低机械谐振产生的可能性低齿轮变速级数小齿轮变速级数小不需要频率转换，因而在电力系统不需要频率转换，因而在电力系统中不会产生电流谐波中不会产生电流谐波若需要的话，可通过电力系统产生若需要的话，可通过电力系统产生阻尼，因而不需要机械阻尼系统阻尼，因而不需要机械阻尼系统成本低成本低不存在同步问题，电气控制的硬特不存在同步问题，电气控制的硬特性可降低系统电压的下降性可降低系统电压的下降22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 5.系统设计特征系统设计特征 风力发电系统设计时应综合考虑下述几个方面的问题：风力发电系统设计时应综合考虑下述几个方面的问题：桨桨叶叶数数量量：决决定定桨桨叶叶数数量量的的主主要要因因素素有有风风能能利利用用系系数数、叶叶尖尖速速度度比比、成成本本、机机舱舱重重量量、结结构构动动力力学学特特性性以以及及为为减减少少回转疲劳应力限制偏向率的方法等。回转疲劳应力限制偏向率的方法等。 风风轮轮迎迎风风或或顺顺风风：使使风风轮轮在在塔塔的的迎迎风风面面运运行行可可输输出出更更大大的的功功率率，因因为为消消除除了了塔塔对对桨桨叶叶的的挡挡风风作作用用。迎迎风风运运行行产产生生的的噪噪声声小小、桨桨叶叶的的疲疲劳劳应应力力低低且且输输出出功功率率较较平平滑滑。另另一一方方面面，顺顺风风运运行行可可采采用用无无偏偏向向系系统统，且且当当负负荷荷增增加加时时使使桨桨叶叶离离塔塔更远。更远。水平轴或垂直轴：现在绝大多数风机采用水平轴方式。水平轴或垂直轴：现在绝大多数风机采用水平轴方式。 塔塔间间距距离离 当当在在一一个个风风场场中中建建立立一一组组风风力力发发电电机机时时，为为了了优优化化总总的的输输出出功功率率，塔塔和和塔塔之之间间必必须须留留出出一一定定的的距距离离。塔塔间间距取决于地形、风向、风速和风机的大小。距取决于地形、风向、风速和风机的大小。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 6.最大功率点运行最大功率点运行 当当风风机机在在所所有有时时间间内内都都运运行行于于最最大大功功率率点点的的恒恒定定叶叶尖尖速速度度比比时时，其其年年发发电电量量可可增增加加2030，但但是是这这需需要要一一种种控控制制方方法法使风机变速运行。使风机变速运行。恒恒定定叶叶尖尖速速度度比比运运行行：该该方方法法是是基基于于当当优优化化的的叶叶尖尖速速度度比比在在所有风速情况下都保持不变时，风机将输出最大功率。所有风速情况下都保持不变时，风机将输出最大功率。 优化的优化的TSR存储在控制计算机中作为参考的存储在控制计算机中作为参考的TSR， 不断测不断测 量量风风速速并并与与叶叶尖尖速速度度比比较较，得得到到的的误误差差信信号号再再反反馈馈回回控控制制系系统统，从从而而改改变变风风轮轮的的转转速速，使使得得误差减小。误差减小。 缺缺点点：需需要要测测量量当当地地的的风风速速，当当风风场场较较大大时时由由于于塔塔的的挡挡风风作作用用可可能能引引起很大的误差。起很大的误差。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 峰峰值值功功率率跟跟踪踪运运行行：风风机机的的输输出出功功率率和和转转速速的的特特性性曲曲线线上上有有一一个个轮轮廓廓非非常常清清晰晰的的峰峰值值点点。如如果果使使风风机机运运行行在在峰峰值值功功率率点点，在在当当风风轮轮的的转转速速微微小小地地增增加加或或减减少少时时，输输出出功功率率将将不不会会变变化化，这是因为峰值功率点附近曲线很平坦。这是因为峰值功率点附近曲线很平坦。 该该方方法法对对风风速速测测量量误误差差不不灵灵敏敏，也也与与风风机机的的风风轮轮设设计计无无关。关。7.系统控制要求系统控制要求转转速速控控制制：风风力力发发电电系系统统采用转速控制的主要原因采用转速控制的主要原因 为获得更大的输出功率。为获得更大的输出功率。 在在强强风风情情况况下下，为为了了保保护护风风轮轮、发发电电机机和和电电力力电电子子转转换换器器件，使它们不超载。件，使它们不超载。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 当当发发电电机机由由于于故故障障或或调调度度的的需需要要不不带带负负载载时时，如如果果不不实实现现转速控制，将使风轮飞车，损坏机械设备。转速控制，将使风轮飞车，损坏机械设备。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 速速率率控控制制：转转速速控控制制时时必必须须考考虑虑桨桨叶叶的的转转动动惯惯量量，为为了了限限制制风风轮轮桨桨叶叶和和轮轮毂毂的的动动态态应应力力以以及及发发电电机机和和电电力力电电子子器器件件的的负负荷，必须控制风轮的加速度。荷，必须控制风轮的加速度。 二、二、发电机的驱动发电机的驱动一一般般情情况况下下，风风轮轮转转速速低低于于发发电电机机工工作作转转速速，因因此此，在在绝绝大大多多数数风风力力发发电电系系统统中中，必必须须采采用用驱驱动动系系统统将将风轮的转速升高。风轮的转速升高。风机可获得的功率为：风机可获得的功率为：22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 风风力力发发电电系系统统的的转转速速和和功功率率控控制制可可分分为为三三个个不不同同的的区区域域：优优化的恒定化的恒定Cp区、转速限定区和功率限定区。区、转速限定区和功率限定区。1.转速控制区转速控制区 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 单单一一固固定定转转速速驱驱动动：发发电电机机固固定定转转速速运运行行方方式式适适合合于于感感应应式式发发电电机机，因因为为感感应应式式发发电电机机本本质质上上为为固固定定转转速速的的发发电电机机，但但是是风风轮轮的的转转速速较较低低，而而发发电电机机的的工工作作转转速速则则相相当当高高，两两者者之之间的速度匹配采用齿轮箱实现。间的速度匹配采用齿轮箱实现。 2.发电机驱动发电机驱动缺缺点点：几几乎乎不不能能根根据据风风能能利利用用系系数数Cp进进行行调调节节使使系系统统工工作作于于Cp的峰值点。的峰值点。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 双双速速驱驱动动：采采用用双双速速驱驱动动可可增增加加发发电电机机电电能能输输出出，减减少少转转子子电电能能损损耗耗，发发电电机机的的转转速速随随着着齿齿数数比比的的改改变变而而变变化化，可可根根据据风速的分布选择发电机的运行转速，使年发电量得到优化。风速的分布选择发电机的运行转速，使年发电量得到优化。 双双速速驱驱动动经经济济和和有有效效的的方方法法是是采采用用双双速速感感应应式式发发电电机机，具具有有不不同同磁磁极极数数的的两两个个独独立立的的定定子子绕绕组组的的笼笼型型发发电电机机可可以以运运行在两个或更多个具有整数倍关系的转速。行在两个或更多个具有整数倍关系的转速。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 采用电力电子器件的变速驱动：采用电力电子器件的变速驱动： 现现代代电电力力电电子子变变速速驱驱动动控控制制采采用用电电力力电电子子器器件件将将风风力力发发电电系系统统产产生生变变化化的的电电压压和和频频率率电电能能转转换换为为固固定定的的电电压压和和频频率率，由由于于电电力力电电子子器器件件价价格格的的降降低低，此此方方法法得得到到了了广广泛泛的的推推广广应用。应用。优点：优点：提供了远程控制功能，适合于近海的风力发电系统。提供了远程控制功能，适合于近海的风力发电系统。 对对于于高高级级的的并并网网可可实实现现非非常常好好的的负负荷荷调调节节，适适合合于于与与电电网连接较弱的边远地区。网连接较弱的边远地区。变变转转差差率率驱驱动动：通通过过改改变变绕绕线线转转子子感感应应式式发发电电机机的的转转子子电电阻阻或转子电压频率来调节发电机的转差率从而实现调速。或转子电压频率来调节发电机的转差率从而实现调速。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 三、三、风力发电机组的并网风力发电机组的并网22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 将风力发电系统并网运行时其输出电压必须满足下述要求：将风力发电系统并网运行时其输出电压必须满足下述要求：电电压压幅幅值值和和相相位位必必须须等等于于所所要要求求的的幅幅值值和和潮潮流流方方向向。电电压压可通过调节变压器的变比或整流可通过调节变压器的变比或整流/逆变器的触发角来控制。逆变器的触发角来控制。频频率率必必须须非非常常精精确确地地等等于于电电网网的的频频率率，否否则则系系统统将将不不能能正正常工作。常工作。电电网网中中的的同同步步发发电电机机可可为为风风力力发发电电系系统统中中的的感感应应式式发发电电机机提供励磁电流。提供励磁电流。断路器合闸之前必须满足下述断路器合闸之前必须满足下述4个条件：个条件：系统频率尽可能与电网频率接近，一般必须小于系统频率尽可能与电网频率接近，一般必须小于1/3Hz。 电压幅值必须与电网电压相匹配。电压幅值必须与电网电压相匹配。 系统电压和电网电压的相序必须相同。系统电压和电网电压的相序必须相同。 系统电压和电网电压的相位角必须小于系统电压和电网电压的相位角必须小于5。 当当合合上上断断路路器器时时，系系统统和和电电网网电电压压差差将将产产生生冲冲击击电电流流，随随着着风风力力发发电电系系统统进进入入与与电电网网同同步步运运行行，此此冲冲击击电电流流将将按按指指数数规规律衰减到零，其时间常数取决于等效电阻和等效感抗。律衰减到零，其时间常数取决于等效电阻和等效感抗。 22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 设设U为为断断路路器器合合闸闸瞬瞬间间系系统统电电压压和和电电网网电电压压之之间间的的差差值值，则则冲击电流取决于发电机的次暂态电抗，即冲击电流取决于发电机的次暂态电抗，即 冲击电流基本上是无功电流冲击电流基本上是无功电流 冲冲击击电电流流产产生生的的同同步步功功率率在在发发电电机机振振荡荡过过程程结结束束后后可可使使发发电电机与电网同步运行。机与电网同步运行。在在同同步步功功率率作作用用下下，系系统统中中微微小小扰扰动动引引起起的的发发电电机机功功角角的的摇摇摆摆将将很很快快趋趋于于稳稳定定，如如果果发发电电机机空空载载运运行行，同同步步功功率率的的幅幅度度将将达达到到最最大大，如如果果发发电电机机运运行行在在稳稳定定状状态态的的极极限限稳稳定定平平衡衡点点，则同步功率为零。则同步功率为零。当当风风力力发发电电系系统统与与电电网网同同步步运运行行时时，必必须须控控制制发发电电机机的的输输出出电压和频率。电压和频率。若若发发电电机机采采用用感感应应式式发发电电机机，则则电电网网也也可可作作为为发发电电机机的的励励磁磁电电源源，为为发发电电机机提提供所需要的无功功率。供所需要的无功功率。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 如如果果发发电电机机采采用用同同步步发发电电机机，则则其其输输出出电电压压由由转转子子的的励励磁磁电电流流控控制制，而而当当风风力力发发电电系系统统工工作作于于连连续续的的并并网网工工作作方方式式时时，不需要频率控制。不需要频率控制。 在在变变速速感感应应式式发发电电机机风风力力发发电电系系统统中中，通通常常采采用用逆逆变变器器接接口口与与电电网网并并网网，逆逆变变器器的的门门控控触触发发信信号号取取自自电电网网电电压压，这这样样可可保证逆变器的输出电压与电网电压同步。保证逆变器的输出电压与电网电压同步。当当风风力力发发电电系系统统所所承承担担的的负负荷荷突突然然大大量量增增加加，或或当当风风机机起起动动时时其其感感应应式式发发电电机机工工作作于于电电动动机机状状态态时时，会会造造成成系系统统的的频频率率和和电电压压的的降降低低。大大型型风风力力发发电电机机采采用用软软起起动动方方式式可可将将上上述述负负荷的暂态响应最小化。荷的暂态响应最小化。 对对于于由由很很多多风风力力发发电电机机组组组组成成的的风风电电场场，为为减减小小起起动动时时的的暂暂态响应，各发电机可按一定的顺序依次起动。态响应，各发电机可按一定的顺序依次起动。风风力力发发电电系系统统向向电电网网送送电电的的输输电电线线路路的的运运行行极极限限应应考考虑虑电电压压调节和系统的运行稳定性限制。调节和系统的运行稳定性限制。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 设设系系统统在在特特定定功功率率因因数数下下带带额额定定负负荷荷，然然后后将将所所有有负负荷荷移移去去，并并保保持持始始端端电电压压恒恒定定，则则此此时时末末端端电电压压上上升升的的百百分分比可定义为电压调节率，即比可定义为电压调节率，即电电压压调调节节率率与与负负荷荷功功率率因因数数有有关关，当当功功率率因因数数不不同同的的情情况况下下若若负负载载电电流流相相同同，则则电电压压降降相相同同，但但将将使使始始端端电电压压的的相相位位角角不不同同。对对于于滞滞后后功功率率因因数数，电电压压调调节节率率随随功功率率因因数数增增大大而而增增大大，对对于于超超前前功功率率因因数数，随随功功率率因因数数增增大大电电压压调调节节率率将将减减小小甚至为负。甚至为负。 线线路路上上的的潮潮流流方方向向取取决决于于始始端端和和末末端端的的电电压压和和功功角角，但但是是为为了了保保证证系系统统的的稳稳定定运运行行，线线路路所所能能传传输输的的最最大大功功率率将将受受到到限限制。制。22 七月 20242-4 2-4 风力发电风力发电 线线路路传传输输的的有有功功功功率率的的幅幅值值取取决决与与功功角角。如如果果0，则则潮潮流流从从风风力力发发电电系系统统传传送送到到电电网网，反反之之，风风力力发发电电系系统统将将从从电电网网吸收功率。吸收功率。线线路路传传送送的的无无功功功功率率取取决决于于始始端端和和末末端端的的电电压压差差，如如果果UsUr，风风力力发发电电系系统统向向电电网网输输送送无无功功功功率率，反反之之，风风力力发发电电系系统统将将吸吸收收电电网网的的无无功功功率。功率。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统光光伏伏系系统统和和风风力力发发电电系系统统的的主主要要缺缺点点是是其其输输出出功功率率随随着着气气象象条条件件的的变变化化而而变变化化，并并且且为为间间歇歇性性的的，为为保保证证对对负负荷荷的的连连续续供电，必须在分布式发电系统中安装电能存储系统。供电，必须在分布式发电系统中安装电能存储系统。 一、一、分布式发电系统中能量存储系统的作用分布式发电系统中能量存储系统的作用分分布布式式发发电电系系统统中中，由由于于发发电电机机容容量量较较小小，因因而而其其旋旋转转动动能能也也小小。另另外外，光光伏伏发发电电系系统统和和燃燃料料电电池池系系统统根根本本没没有有旋旋转转动动能能，因因此此如如果果分分布布式式发发电电系系统统独独立立运运行行，则则很很难难保保证证系系统统频频率的动态稳定。率的动态稳定。分布式发电系统中能量存储系统的主要的作用：分布式发电系统中能量存储系统的主要的作用：负负荷荷调调节节作作用用：能能量量存存储储装装置置可可在在电电力力系系统统的的负负荷荷低低谷谷期期充电，负荷高峰期放电。充电，负荷高峰期放电。负负荷荷跟跟踪踪：超超导导储储能能系系统统、蓄蓄电电池池储储能能系系统统和和飞飞轮轮储储能能系系统统等等通通过过电电力力电电子子接接口口，能能够够快快速速跟跟踪踪负负荷荷的的变变化化，从从而而减轻了大型发电机跟踪负荷的需要。减轻了大型发电机跟踪负荷的需要。系系统统稳稳定定：储储能能装装置置输输出出的的有有功功功功率率和和无无功功功功率率的的迅迅速速变变化，可有效地对系统中功率和频率振荡起到阻尼的作用。化，可有效地对系统中功率和频率振荡起到阻尼的作用。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统自自动动发发电电控控制制：具具有有AGC的的储储能能装装置置可可有有效效地地减减小小区区域域控控制误差。制误差。旋旋转转动动能能存存储储：具具有有电电力力电电子子接接口口的的储储能能装装置置可可迅迅速速地地增增加加其其电电能能输输出出，可可作作为为电电力力系系统统中中的的旋旋转转动动能能，减减少少常常规规电力系统对旋转动能的需要。电力系统对旋转动能的需要。VAR控控制制和和功功率率因因数数校校正正：具具有有电电力力电电子子接接口口的的储储能能装装置置，在快速提供有功功率的同时可提供迅速变化的无功。在快速提供有功功率的同时可提供迅速变化的无功。 黑黑起起动动能能力力：储储能能装装置置可可为为孤孤岛岛运运行行的的分分布布式式发发电电设设备备提提供起动时所需要的电能。供起动时所需要的电能。 增增加加发发电电设设备备的的效效率率，减减少少其其维维护护：储储能能装装置置跟跟踪踪负负荷荷的的能能力力可可使使分分布布式式发发电电机机运运行行于于恒恒定定输输出出功功率率状状态态，使使发发电电设设备备运运行行于于高高效效率率的的运运行行点点，从从而而提提高高了了总总的的发发电电效效率率、发电设备的维护间隔和使用寿命。发电设备的维护间隔和使用寿命。延延缓缓了了系系统统对对新新增增的的发发电电容容量量要要求求：当当储储能能装装置置削削平平了了负负荷峰值后，即减少了系统对调峰机组的容量的需要。荷峰值后，即减少了系统对调峰机组的容量的需要。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统延延缓缓了了系系统统对对新新增增输输电电容容量量的的需需要要：在在系系统统中中适适当当地地区区配配置置储储能能装装置置，在在用用电电低低谷谷期期对对它它们们充充电电，从从而而减减少少了了输输电电线路的峰值负荷容量，有效地增加了输电线路的容量。线路的峰值负荷容量，有效地增加了输电线路的容量。 提提高高了了发发电电设设备备的的有有效效利利用用率率：在在用用电电高高峰峰期期，储储能能装装置置输出的电力可增加系统的总容量。输出的电力可增加系统的总容量。二、二、蓄电池储能系统蓄电池储能系统 1. 蓄电池类型蓄电池类型表表2-10 5种蓄电池放电时的平均电压种蓄电池放电时的平均电压蓄电池类型蓄电池类型电池电压电池电压/V说明说明Pb-acid2.0最经济实用最经济实用NiCd1.2具有记忆特点具有记忆特点NiMH1.2对温度变化敏感对温度变化敏感Li-ion3.4安全，没有锂金安全，没有锂金属属Li-poly3.0具有锂金属具有锂金属22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统2.蓄电池的等效电路蓄电池的等效电路分分布布式式发发电电系系统统中中如如果果起起动动大大容容量量的的电电动动机机等等负负荷荷，蓄蓄电电池池将将快快速速放放电电，因因此此要要求求蓄蓄电电池在短时间内输出可能的最大功率。池在短时间内输出可能的最大功率。 3. 蓄电池的性能特征蓄电池的性能特征表表征征蓄蓄电电池池的的性性能能特特征征主主要要为为充充电电/放放电电电电压压、充充电电/放放电电比比、充充放放电电总总效效率率、充充电电效效率率、内内阻阻、运运行行温温升升以以及及充充放放电电次次数数等参数。等参数。充电充电/放电电压放电电压 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统充充电电/放放电电比比：当当蓄蓄电电池池放放掉掉一一定定的的电电量量后后，若若要要恢恢复复到到充充满满的状态将需要消耗更多的电能。的状态将需要消耗更多的电能。 充充电电/放放电电比比定定义义为为保保持持蓄蓄电电池池充充电电量量不不变变的的前前提提下下，输输入入电电量量与与输输出出电电量量的的比比值值，该该比比值值不不仅仅取取决决于于充充电电量量和和放放电电量之比，还取决于蓄电池的运行温度。量之比，还取决于蓄电池的运行温度。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统充充放放电电总总效效率率：蓄蓄电电池池在在满满充充满满放放循循环环中中蓄蓄电电池池输输出出能能量量与与输输入入能量之比。能量之比。 内内阻阻：Ri为为电电池池容容量量、运运行行温温度度和和蓄蓄电电池池充充放放电电状状态态的的函函数数。容容量越大，其电极越大，内阻越小。量越大，其电极越大，内阻越小。 充充电电效效率率：充充电电过过程程中中蓄蓄电电池池存存储储电电量量和和输输入入电电量量之之比比，它它不不同同于于蓄蓄电电池池的的充充放放电电总总效效率率，当当蓄蓄电电池池存存储储电电量量为为零零时时充充电电效效率率接近于接近于100。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统自自放放电电和和涓涓流流充充电电：蓄蓄电电池池在在开开路路状状态态下下，仍仍然然存存在在慢慢速速放放电电，为为了了保保证证蓄蓄电电池池处处于于满满充充电电状状态态，可可以以采采用用连连续续的的涓涓流流充充电电来来抵抵消消蓄电池的自放电。蓄电池的自放电。 蓄蓄电电池池充充满满电电后后，充充电电效效率率下下降降为为零零，再再对对蓄蓄电电池池充充电电将会引起电池发热，将会引起电池发热， 如果在如果在 相相当当长长的的时时间间内内以以高高于于自自放放电电的的速速率率对对蓄蓄电电池池过过充充电电，电电池有可能过热而存在发生爆炸的危险。池有可能过热而存在发生爆炸的危险。 温度效应：蓄电池的运行温度严重影响着电池的性能。温度效应：蓄电池的运行温度严重影响着电池的性能。 蓄蓄电电池池容容量量和和充充电电效效率率随随温温度度升升高高而而下下降降，当当蓄蓄电电池池的的温温度度超超出出一一定定范范围围时时，其其容容量量将将下下降降，而而当当温温度度达达到到零零度度时时，其容量将急剧下降。其容量将急剧下降。 蓄电池的自放电率随着温度的升高而增加。蓄电池的自放电率随着温度的升高而增加。 蓄电池的内阻随着温度的降低而增加。蓄电池的内阻随着温度的降低而增加。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统内内部部损损耗耗和和温温升升：蓄蓄电电池池的的温温度度随随着着电电池池的的充充、放放电电在在不不断断变化。变化。蓄蓄电电池池产产生生的的热热量量随随着着放放电电量量的的增增加加而而增增加加，因因为为在在放放电电过程中，蓄电池的内阻在不断增加。过程中，蓄电池的内阻在不断增加。 当当蓄蓄电电池池充充电电时时，在在一一定定时时间间内内其其发发热热为为负负，表表明明蓄蓄电电池池在在初初始始充充电电时时，其其电电化化学学反反应应为为吸吸热热反反应应，而而在在其其他他时时间间内产生的化学反应均为放热反应。内产生的化学反应均为放热反应。不同的电化学反应产生热量的速率是不同的。不同的电化学反应产生热量的速率是不同的。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统表表2-12 蓄电池的发热特性蓄电池的发热特性电池类电池类型型运行温度范围运行温度范围 /过充电容忍性过充电容忍性比热容比热容 /(kJ/kgK)质量密度质量密度 /(kg/L)Pb-acid-1050高高1.262.1NiCd-2050中中1.261.7NiMH-1050低低1.262.3Li-ion1045非常低非常低1.371.35Li-poly5070非常低非常低1.441.322 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统表2-13 各类蓄电池的比能和能量密度比较电池类型比能 /(Wh/kg)能量密度 /(Wh/L)比功率 /(W/kg)功率密度 /(W/L)Pb-acid30407075200400NiCd406070100150200220350NiMH5065140200150450500Li-ion90120200250200220400500Li-poly10020015030020035022 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统表表2-14 各类蓄电池寿命和费用比较各类蓄电池寿命和费用比较电池类型电池类型充放电次数充放电次数寿命寿命 /年年自放电率自放电率 /(/月月)费用费用 /(元元/kWh)Pb-acid50010005835200500NiCd10002000101520301500NiMH1000200081020302500Li-ion50010005103000Li-poly50010001230004.蓄电池充电管理蓄电池充电管理 蓄蓄电电池池充充电电时时，能能量量管管理理系系统统主主要要监监视视蓄蓄电电池池的的充充电电状状态态、综合健康度和安全中断标准。综合健康度和安全中断标准。主要监测的参数有电压、电流和温度。主要监测的参数有电压、电流和温度。正常的充电过程包含下述三个阶段：正常的充电过程包含下述三个阶段：快速充电阶段：此阶段将对蓄电池充入快速充电阶段：此阶段将对蓄电池充入8090的电能。的电能。 渐渐减减充充电电阶阶段段：在在此此阶阶段段充充电电速速率率逐逐渐渐减减小小，直直到到蓄蓄电电池池充满电。充满电。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统涓涓流流充充电电阶阶段段：当当蓄蓄电电池池充充满满电电后后，采采用用涓涓流流充充电电来来补补充充蓄电池的自放电。蓄电池的自放电。 NiCd和和NiMH蓄电池恒流充电蓄电池恒流充电 Li-ion蓄电池恒电压充电蓄电池恒电压充电 三、三、超导电磁储能系统超导电磁储能系统超超导导储储能能技技术术的的原原理理是是将将电电能能存存储储于于线线圈圈的的磁磁场场中中，存存储储的的能量可用下式表示：能量可用下式表示：22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统线线圈圈的的电电阻阻与与温温度度有有关关，对对于于大大多多数数导导体体，温温度度越越高高电电阻阻越越大，如果线圈的温度降低，电阻也将下降。大，如果线圈的温度降低，电阻也将下降。某某些些材材料料当当温温度度降降低低到到某某一一临临界界值值时时，其其电电阻阻急急剧剧下下降降为为零零。当当温温度度低低于于此此临临界界温温度度时时，线线圈圈两两端端不不需需要要电电压压也也可可产产生生电电流流，线线圈圈可可视视为为短短路路，线线圈圈的的电电流流将将达达到到无无穷穷大大，相相应应地地线线圈圈中中存存储储的的能能量量也也为为无无穷穷大大。当当线线圈圈电电阻阻为为零零时时，称称线线圈圈处处于超导状态。于超导状态。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统线线圈圈由由AC-DC转转换换器器充充电电，将将电电能能转转换换为为磁磁能能，当当线线圈圈充充满满电电后后，转转换换器器继继续续向向线线圈圈提提供供一一个个很很小小的的电电压压，补补偿偿线线路路中中室室温温部部分分元元件件的的能能量量损损耗耗，从从而而保保持持超超导导线线圈圈中有一个固定的直流电流。中有一个固定的直流电流。 系系统统控控制制器器具具有有如如下下的的三三个个主要功能：主要功能： 实现电力电子开关器件控制。实现电力电子开关器件控制。 监视负荷电压和电流。监视负荷电压和电流。与电压调节器接口，控制直流功率流入和流出线圈。与电压调节器接口，控制直流功率流入和流出线圈。超导能量存储系统具有下述几个优点：超导能量存储系统具有下述几个优点： 充放电循环效率可达充放电循环效率可达95，比任何其他系统都高。，比任何其他系统都高。 使用寿命长，可达使用寿命长，可达30年以上。年以上。 充放电时间非常短，可在很短的时间内提供大量的电能。充放电时间非常短，可在很短的时间内提供大量的电能。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统除了冷却系统外，没有运动部件。除了冷却系统外，没有运动部件。 超超导导能能量量存存储储系系统统中中，主主要要的的能能量量消消耗耗是是用用于于将将线线圈圈冷冷却却到到临界超导温度之下。临界超导温度之下。 四、四、超级电容器储能系统超级电容器储能系统超超级级电电容容通通常常指指电电容容值值为为数数法法拉拉到到数数千千法法拉拉的的电电容容。为为提提高高电电容容单单位位体体积积的的电电容容值值，超超级级电电容容通通常常为为电电化化学学电电容容，也也即即它不仅具有电容的性质，还具有蓄电池的性质。它不仅具有电容的性质，还具有蓄电池的性质。 电电容容充充电电时时，和和蓄蓄电电池池一一样样，电电荷荷以以离离子子的的形形式式存存储储，因因此此单个电容电压只有几伏。单个电容电压只有几伏。超超级级电电化化学学电电容容由由两两个个极极板板、隔隔离离物物、电电解解质和电流采集器组成。质和电流采集器组成。 1. 超级电化学电容原理超级电化学电容原理 (1)赫尔姆霍茨模型赫尔姆霍茨模型22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统该该模模型型预预示示电电容容值值为为常常数数，没没有有说说明明电电压压和和离离子子浓浓度度之之间间的的关系。关系。 (2)查普曼模型查普曼模型 查查普普曼曼模模型型考考虑虑了了扩扩散散层层电电荷荷，电电容容值值将将增大。增大。(3)斯特恩模型斯特恩模型 斯斯特特恩恩改改进进了了查查普普曼曼模模型型，在在查查普普曼曼模模型型上上包包含含了了一一个个紧紧密密的的类类似似于于赫赫尔尔姆姆霍霍茨茨模模型型的的离离子子层层，因因此此双双层层电电容容由由紧紧密密层层和和扩扩散层组成。散层组成。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统2.超级电化学电容储能系统设计时考虑的因素超级电化学电容储能系统设计时考虑的因素能能量量存存储储系系统统中中超超级级电电容容的的实实际际电电压压比比单单个个电电容容的的电电压压高高，因因此此必必须须将将多多个个电电容容串串联联，获获得得所所需需的的电电压压，但但将将增增加加总总的的串联等效电阻。串联等效电阻。如如果果需需减减小小串串联联等等效效电电阻阻，需需要要额额外外增增加加串串联联电电阻阻与与之之并并联联。并并联联电电阻阻的的数数量量取取决决于于串串联联等等效效电电阻阻、存存储储的的能能量量和和放放电电时时间等。间等。 串串联联电电容容中中电电容容和和电电阻阻的的分分散散性性将将使使串串联联电电容容中中电电压压的的分分布布不不相相等等，由由于于局局部部电电压压有有可可能能高高于于电电解解质质的的击击穿穿电电压压，从从而而导致电容的损坏。因此设计时应增加电压平衡电路。导致电容的损坏。因此设计时应增加电压平衡电路。设设d为为C1和和C2的的相相对对差差值值的的百百分分比比值值，则则C1和和C2可表示为可表示为 设设单单个个电电容容的的电电压压为为2.5V，则则当当电电容容充充满满电电后后串串联联电电容容的的总总电电压为压为5V，如果初始电压为零，则有：，如果初始电压为零，则有： 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统设设参参考考电电容容C=1000F，根根据据上上述述关关系系可可考考虑虑两两个个极极端端情情况况，第第一一种种情情况况为为C1和和C2均均为为参参考考值值，即即d=0%；第第二二种种情情况况为为d=-20%的情况，即的情况，即C1=1000F，C2=800F。 表表 电压平衡和存储能量电压平衡和存储能量电压和能量电压和能量d=0d=-20%无平衡电路无平衡电路d=-20%有平衡电路有平衡电路U /V54.55 /V2.522.5 /V2.52.52.5E /J625045005625电电压压平平衡衡电电路路的的主主要要优优点点是是使使得得串串联联回回路路中中每每个个电电容容上上的的电电压压都都可可达达到到额额定定值值，这这样样使使每每个个电电容容上上所所存存储储的的能能量量达达到到了了最最大大可能的数值。可能的数值。 3.电压平衡电路电压平衡电路 平平衡衡串串联联电电容容上上电电压压的的常常用用方方法法是是电电容容充充电电时时在在每每个个电电容容上上并联一个电阻。并联一个电阻。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统电电阻阻的的阻阻值值可可采采用用不不同同的的准准则则来来选选取取，主主要要准准则则是是使使得得充充电电过程中电容上的动态电压保持平衡，避免单个电容过充电。过程中电容上的动态电压保持平衡，避免单个电容过充电。 采用并联电阻来平衡串联电容电压将引起较大的能量损耗。采用并联电阻来平衡串联电容电压将引起较大的能量损耗。为为减减小小平平衡衡电电路路的的损损耗耗，可可在在每每个个超超级级电电容容上上并并联联一一个个稳稳压压管管，稳稳压压管管击击穿穿电电压压为为电电容容额额定定电电压压，充充电电时时只只要要每每个个电电容容电电压压不不超超过过稳稳压压管管的的稳稳定定电电压压，就就没没有有能能量量损损耗耗，但但当当许许多多电容的电压超过稳压管的击穿电压时，能量损耗也非常大。电容的电压超过稳压管的击穿电压时，能量损耗也非常大。为为了了在在每每个个电电容容上上获获得得相相等等的的电电压压，并并得得到到最最高高的的效效率率，可可以以采采用用有有源源平平衡衡电电压压拓拓扑扑结结构构，其其原原理理是是在在每每个个电电容容上上加加入入一一个个辅辅助助电电流流源源，辅辅助助电电流流源源的的电电流流取取决决于于电电容容充充放放电电过过程程中中每每个个电电容容上上电电压的动态平衡。压的动态平衡。22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统由由V1和和V2组组成成的的转转换换器器的的借借助助于于有有源源开开关关器器件件产产生生的的偏偏移移电电流流来来平平衡衡电压。电压。 与与稳稳压压管管型型电电压压平平衡衡电电路路比比较较，有有源源电电压压平平衡衡电电路路原原理理不不是是基基于于功功率率损耗，因此其效率较高。损耗，因此其效率较高。 有有源源电电压压平平衡衡电电路路是是一一个个可可逆逆电电流流Buck-Boost转换器，转换器， 这种结构使得这种结构使得 从从C1到到C2(或从或从C2到到C1)的能量转换与电容电压无关。的能量转换与电容电压无关。 为为使使器器件件效效率率达达到到最最优优状状态态，有有源源电电压压平平衡衡电电路路应应工工作作于于断断续续导导通通状状态态，当当需需要要正正的的电电流流2Ieq(即即Uc1大大于于Uc2)时时，V2截截止止，V1按按一一定定的的频频率率导导通通和和截截止止；反反之之，当当需需要要负负向向电电流流2Ieq(即即Uc1小于小于Uc2)时，时，V1截止，截止，V2按相同频率导通和截止。按相同频率导通和截止。 只只要要C1和和C2上上电电压压差差达达到到一一定定数数值值，即即开开始始上上述述开开关关过过程程，当两个电容上的电压相等时，当两个电容上的电压相等时，V1或或V2的开关过程即停止。的开关过程即停止。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统Buck-Boost转转换换器器工工作作于于断断续续导导通通状状态态，当当V1和和V2工工作作于于50的占空比时，平衡电流与充电电流的关系为的占空比时，平衡电流与充电电流的关系为 f为开关频率；为开关频率；Leq为电感值；为电感值；Ud为二极管的正向导通电压。为二极管的正向导通电压。 当当充充电电电电流流I已已知知，且且C1和和C2的的差差值值已已知知时时，即即可可由由上上式式确确定定电感和开关频率。电感和开关频率。当电感值确定后，开关频率当电感值确定后，开关频率f可采用下述两种方法确定：可采用下述两种方法确定： f固固定定不不变变。为为了了限限定定平平衡衡电电流流的的大大小小，必必须须考考虑虑Uc1和和Uc2的的最最大大值值。在在电电容容的的充充放放电电过过程程中中，平平衡衡电电流流为为Uc1和和Uc2的的函数，当函数，当Uc1和和Uc2达到最大值时，电压的平衡将最有效。达到最大值时，电压的平衡将最有效。 f选选定定为为Uc1和和Uc2的的函函数数。这这样样的的闭闭环环工工作作模模式式保保证证了了平平衡衡电电流流为为常常数数，不不管管Uc1和和Uc2怎怎么么变变化化，电电压压的的平平衡衡将将很很有有效效，但开关频率但开关频率f将在很大范围内变化。将在很大范围内变化。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统推广到推广到n个超级电容串联的情况。个超级电容串联的情况。 考虑半导体器件的损耗后，整个系统的效率可达考虑半导体器件的损耗后，整个系统的效率可达97。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统飞飞轮轮储储能能系系统统依依靠靠旋旋转转的的转转子子惯惯性性存存储储能能量量，这这种种动动能能可可高高效率实现电能的转换。效率实现电能的转换。 五、飞轮储能系统五、飞轮储能系统 采采用用先先进进的的高高强强度度、轻轻质质量量的的复复合合纤纤维维转转子子以以及及磁磁性性轴轴承承，飞飞轮轮储储能能系系统统动动能能和和电电能能转转换换的的总总效效率率可可达达90，远远远远高高于于蓄电池储能系统。蓄电池储能系统。 能量关系能量关系 转转子子密密度度为为，半半径径为为r时时离离心心力力为为(r)2。而而转转子子的的线线速速度度为为v=2r，因因此此转转子子上上的的最最大大离离心心力力与与转转子子的的圆圆周周速速度度的的平平方方成正比。成正比。转转子子材材料料所所允允许许的的应应力力限限定定了了转转子子的的最最大大圆圆周周速速度度，因因此此转转子越小，可运行的转速越大。子越小，可运行的转速越大。边边缘缘很很薄薄的的转转子子转转动动惯惯量量很很大大，因因此此每每单单位位质质量量可可存存储储更更高高的的动动能能，基基于于此此原原因因，绝绝大大多多数数存存储储动动能能的的转转子子具具有有环环行行的的结构。结构。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统内内半半径径为为R1、外外半半径径为为R2的的转转子子，所所存存储储的的最最大大动动能能与与圆圆周周速度的关系为速度的关系为K1为比例系数。为比例系数。 R1/R21的的薄薄边边缘缘转转子子在在允允许许的的应应力力下下可可获获得得很很高高的的额额定定动动能，材料的强度越高，能够存储的能量越大。能，材料的强度越高，能够存储的能量越大。材材料料的的密密度度越越低低，产产生生的的离离心心力力越越小小，因因此此可可工工作作在在更更高高的的转速，从而存储更多的动能。转速，从而存储更多的动能。K2为比例系数；为比例系数；max为允许的最大应力；为允许的最大应力；为转子材料的密度。为转子材料的密度。为为使使转转子子能能够够存存储储很很大大的的动动能能，设设计计时时必必须须使使得得max/很很大大，另另外外为为了了提提高高转转子子的的硬硬度度，E/也也必必须须很很大大，E为为转转子子材材料料的的杨式弹性模量。杨式弹性模量。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统不同材料的飞轮所能存储的最大动能不同材料的飞轮所能存储的最大动能飞轮材料飞轮材料存储的最大动能存储的最大动能 /(Wh/kg)铝合金铝合金25热处理过的钢热处理过的钢50E-玻璃复合物玻璃复合物200炭纤维复合物炭纤维复合物220S-玻璃复合物玻璃复合物250聚合物纤维复合物聚合物纤维复合物350熔融硅纤维复合物熔融硅纤维复合物1000铅酸蓄电池铅酸蓄电池3040锂电池锂电池90120复复合合转转子子除除了了能能存存储储较较大大的的能能量量外外，当当转转子子损损坏坏时时也也比比较较安安全全，因因为为它它们们碎碎裂裂时时产产生生的的是是绒绒毛毛，而而不不像像金金属属转转子子那那样产生碎块。样产生碎块。 环环氧氧纤纤维维复复合合物物轮轮缘缘由由两两个个环环组组成成：外外环环由由高高强强度度的的环环氧氧石石墨墨组组成成，内内环环由由便便宜宜的的环环氧氧玻玻璃璃纤纤维维组组成成，轮轮毂毂为为整整块块的的铝铝合金。合金。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统飞轮储能系统由下列部件组成：飞轮储能系统由下列部件组成： 通过高强度轮毂装配在轴上的高速转子。通过高强度轮毂装配在轴上的高速转子。 具有良好的润滑系统或磁悬浮的轴承。具有良好的润滑系统或磁悬浮的轴承。 电电能能-机机械械能能转转换换器器，通通常常一一台台电电机机在在充充电电时时作作为为电电动动机机，而在放电时作为发电机。而在放电时作为发电机。 驱动电动机和调节发电机输出功率的电力电子装置。驱动电动机和调节发电机输出功率的电力电子装置。 具有控制磁性轴承和其他功能的控制器。具有控制磁性轴承和其他功能的控制器。 单级永磁转轴结构单级永磁转轴结构 永永久久磁磁铁铁用用于于将将转转轴轴悬悬浮浮在在空空中中，永永久久磁磁铁铁的的磁磁偏偏也也有有助助于于稳稳定定转转轴。轴。 电电磁磁线线圈圈用用于于转转轴轴的的稳稳定定和和控控制制，伺伺服服线线圈圈提提供供为为维维持持转转轴轴处处于于中中心心位位置置所所需需要要的的恢恢复复力力，为为维维持持转轴的稳定提供有效的控制。转轴的稳定提供有效的控制。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统位位置置和和速速度度传传感感器器用用于于反反馈馈环环，调调节节励励磁磁线线圈圈中中电电流流使使得得转转子子处处于空气隙中的中心位置。于空气隙中的中心位置。 飞轮结构图飞轮结构图 转子按放射状安装在电机的外面转子按放射状安装在电机的外面 磁磁性性轴轴承承的的永永久久磁磁铁铁安安装装在在内内部部，磁磁通通通通过过定定子子磁磁极极和和转转子子的的磁磁反反馈环。馈环。 定定子子磁磁极极和和转转子子磁磁反反馈馈环环之之间间的的强强制制锁锁定定提提供供了了飞飞轮轮垂垂直直位位置置的的限制。限制。水水平平位位置置限限制制由由两两组组动动态态励励磁磁线线圈提供。圈提供。励励磁磁电电流流的的大大小小由由转转子子位位置置反反馈馈控制来调节。控制来调节。 22 七月 20242-5 2-5 能量存储系统能量存储系统飞飞轮轮的的电电能能-机机械械能能转转换换由由一一台台电电机机实实现现，充充电电时时作作为为电电动动机机使使飞飞轮轮加加速速，放放电电时时作作为为发发电电机机使使转转子子减减速速。电电机机既既可可采采用用可可变变频频率率的的同同步步电电机机，也也可可采采用用无无涮涮的的永永磁直流电机。磁直流电机。 电电机机电电压压随随着着转转速速的的变变化化而而变变化化，电电力力电电子子转转换换器器可可实实现现变变化化的的电电机机电电压压与与固固定定的的电电力力系系统统母母线线电电压压的的接接口口，在在一一定定的的输输入入电电压压变变化化范范围围内内可可实实现现放放电电和和充充电电转转换换，这这样样可可允允许许电电机机的的转转速速在在一一定定范范围围内内变变化化，转转子子的的转转速速可可达达到到额额定转速的三分之一。定转速的三分之一。 22 七月 2024