生物质能发电技术综述

生物质能发电技术综述（共8篇）

生物质能发电技术综述 篇1

1 风力发电概述

地球表面各处接受太阳照射受热不同而产生温差,引起大气对流运动形成风。地球上风能蕴藏量巨大,而且取之不尽,用之不竭,是一种重要的可再生能源。据世界气象组织于1954年估计,地球上可为人们利用的风能有107 MW,这相当于10 000个100万k W的利用燃料发电的发电厂的容量,是地球上可供利用的水力的100倍。这是一个非常可观的数量[1]。在中国,根据2004~2005年中国气象局进行的第三次全国风能资源普查,仅陆上10 m高空处的实际可开发的风能就有2.97亿k W。我国陆上加海上可开发风能总量有7~12亿k W[2]。

人类利用风能的历史已经有数千年,然而利用风能发电的历史却始于1891年,但之后的较长时间发展缓慢。直到1973年石油危机后,风力发电作为新能源越来越受到重视。特别是20世纪90年代以来,风力发电加速发展[2,3],总装机容量以年均25%以上的速度增长,每年新增容量的增长率也超过了30%。2007年,全球新增风电装机容量20 073MW,累计风电装机容量94 112 MW。欧洲2007年新增电源中风电首次超过天然气发电,成为第一大增长电源。

中国发展风力发电始于1990年,2000年总装机容量为350 MW,到2006年增长为2 600 MW,年增长率近40%。2007年更是翻了一番,新增3 449MW,居世界第三,总装机达到6 050 MW,居世界第五。图1给出了世界风电总装机前10位的情况。2008年8月12日,中国风电发电装机总量已经达到7 000 MW,占我国发电总装机容量的1%,这也意味着我国已进入可再生能源大国行列。

风力发电的快速发展和各国支持风电发展的政策紧密相关。为促进风力发电的发展,世界各国政府出台了许多优惠政策,主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、规定最低风电电价、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排CO2奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持,由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风力发电;日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。中国为促进风力发电的发展,先后实施了“乘风计划”、“光明工程”和“双加工程”,推行风电特许权项目,给予风电在资金、电价等方面的政策支持。2006年正式实施了《可再生能源法》及其一系列实施细则,大大促进了风力发电的发展。根据全球风能理事会以中等发展水平的预测,中国风力发电装机容量2010年将达到10 000 MW,2020年将达到70 000MW,2050年将达到450 000 MW。

2 风力发电系统的基本形式

从机组结构上来看,风力发电经过多年的发展,曾出现过多种类型。图2是几种典型的风力发电系统拓扑[4],这些拓扑的区别在于使用的发电机和电力电子变换器以及有无齿轮箱。

图2(a)是20世纪80年代到90年代被广泛采用的传统结构。它的风力机采用失速调节,机组转速可以认为是不可调的。为了补偿感应发电机的无功功率使用了电容器组,为了平滑并网使用了软启动器进行软并网。

图2(b)中,用电力电子变换器代替了软启动器和电容器组,把电网和感应发电机隔开,实现了机组在全风速下的变速运行。

图2(c)中使用了绕线转子的感应发电机,并采用电力电子变换器外部改变转子电阻,从而获得转差率可控的10%可调范围,并通过控制转差率控制机组输出的功率。

图2(d)结构使用了双馈型感应发电机,用变频器控制转子绕组的电流。变频器功率仅为发电机额定功率的20%~30%就可控制发电机的全功率输出。这种结构比图(c)的结构有更宽的调速范围,变换器所需功率较小,经济性好。我国东汽集团生产的1.5 MW风力发电机组就属于这种结构。

图2(e)引入了绕线式同步发电机,经电力电子变换器连接电网。由于它需要励磁用整流电路、电刷和滑环,即使其可以实现变速恒频也不被看好。

图2(f)与图2(e)结构相同,也使用绕线式同步发电机。但由于它使用的是多极发电机,所以它不需要齿轮箱。Enercon和Lgaerwey是典型应用这种结构的风力机制造公司。

图2(g)所示结构有风力机直接驱动多级永磁同步发电机,省去了齿轮箱、电刷和滑环,提高了机组的运行可靠性,减少了维护费用。电力电子变换器可以使机组实现变速恒频运行。早期由于成本的原因只用于小型风力发电机,典型应用是作为船舶电源。近年来随着永磁体价格的降低这种结构被更广泛的应用,目前单机容量国内已经达到2 MW。ABB公司在2000年利用这种结构提出一个新的设想:用多极3.5 MW永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生21 k V直流电,然后经高压直流输电并入电网。

从技术发展上看,风力发电经历了从定桨距到变桨距、从恒速恒频(CSCF)到变速恒频(VSCF)的技术升级。节距角就是桨叶半径R处回转平面与桨叶截面弦长之间的夹角。变桨距控制就是通过改变桨叶节距角来调节风力机功率,使得在额定风速以下控制风力机运行于特定转速使其风能转换效率保持最大直到功率达到额定值;在风速超过额定时降低转换效率保持额定功率直到切出风速,这是定桨距很难实现的。变速恒频发电是另一种新型的发电技术,尤其适合于风力发电。它适应了风能的随机、不稳定的特性,根据风速调节转速从而最大的输出能量,实现和电网的柔性连接,提高机组的风能转化效率,减少风力机的应力和磨损,优化了机组运行条件。20世纪90年代以来,国内外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频技术。随着风力发电技术的广泛应用,变速恒频风力发电方式将得到更多重视,应用范围不断扩大[5]。

变速恒频风力发电有多种机型,除了目前已经有较大市场份额的双馈风力发电机组和直驱永磁风力发电机组以外,还有无刷双馈、爪极式、和开关磁阻等风力发电系统。双馈式风力发电系统的变流器容量只是系统额定容量的30%左右,成本较低,因此也成为当前变速恒频风力发电系统的主流机型。直驱式变速恒频风力发电系统采用低速永磁同步发电机(PMSG0),取消了变速齿轮箱,不需要电刷,结构简单,便于维护,使用寿命长。与传统技术相比,输出功率可以增加20%以上,维护费用则可降低50%,这些足以抵消它采用全功率变换器所增加的成本;同时它具有可靠性更高,噪音更低等优点,因而代表着未来的发展方向[6]。

从2002年全球各类风力发电机的市场份额统计可以看出,在风力发电市场中,采用笼型感应电机的恒速风力发电机、采用双馈感应发电机的变速风力发电机和采用永磁同步发电机的直驱永磁同步风力发电机占有绝对的优势[7]。

随着新材料的应用、设计水平的提高以及控制系统的改进,风力发电的发展将会呈现出以下几个趋势[7]:

(1)单机容量不断增大,兆瓦级的大机组的比重会不断增长。在欧洲,5 MW的风力发电机组已经商业化,在国内,2 MW和1.5 MW的机组技术已经成熟,在总装机容量中的比重分别从2006年的1%和9%增长到2007年的2%和18%。

(2)变桨距调节方式将会逐步取代定桨距失速调节方式。变桨距调节能够按最佳参数运行,额定风速以下能最多的吸收风能,额定风速以上能输出恒定功率,避免发电机超负荷,并且可以改善整机受力状况。

(3)变速运行方式将会取代恒速运行方式。变速运行可以控制风机运行于最佳叶尖速比以获取最大风能,同时使功率输出更稳定。

(4)直驱式的市场份额会越来越大。直接驱动省去齿轮箱,减少能量损失、停机时间、发电成本和噪声,降低了维护费用,提高了风电转换效率和可靠性。

(5)海上风力发电将会得到更大的发展。海上风能较陆上大且具有稳定的主导风向,允许安装单机容量更大的风机。

(6)风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性,实现免维护提高发电效率。

3 风力发电中的关键技术

3.1 并网技术的研究和最大风能的捕获

对直驱式永磁发电系统研究的内容主要有并网及并网后的发电机转速控制的研究、提高系统可靠性的控制的研究以及提高系统故障穿越能力的研究等几方面。这些研究几乎都是通过对全功率电力变换器的控制算法来实现相应的控制目的的。

并网控制方面,文献[8]提出了直流侧并网的新方法。在直流电容与DC/AC之间安装并网开关。并网前并网开关断开,DC/AC通过限流电阻对电容进行充电,此时发电机在风力机的带动下转速从0上升。当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关,同步风力发电机并网。正常情况下,发电机转速从低到高逐渐上升,并在某一转速下并入电网。当由于某种原因,发电机在高转速下脱网需要重新并网,由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值,因此只要将并网开关闭合就可实现并网。

直驱式永磁同步风力发电机经电力电子变换器并入电网以后的控制目标是风速小于额定风速时实现最大风能捕获,风速超过额定风速时使系统以额定功率输出[9]。

最大风能捕获的目的就是通过适当的控制,使风力机转速随风速变化,始终沿着最佳功率曲线运行,从而使风能转化最大化。最大风能追踪可以有变桨距调节,也可以通过调节发电机功率来调节转速以保持最佳叶尖速比实现。出于可行性、经济性和可靠性的考虑,当前使用的主要是通过控制发电机输出功率以调节其电磁功率,进而调节发电机转速。

具体实现时,在发电机有功和无功功率解耦控制的基础上,根据有功功率给定的提取方法的不同,又有有速度传感器和无速度传感器的控制方法之分。有速度传感器的控制方法是根据风力机最佳功率曲线和风力机转速实时计算发电机输出功率给定。而无速度传感器的控制方法又有扰动法、参数估计法、查表法和人工在智能法几类。

文献[10-12]介绍了最大风能跟踪的扰动法,主要有爬山法、正弦波小扰动法和最佳转矩曲线法等。扰动法的基本原理是根据电机转速和直流电压之间的关系,先对直流电压的扰动,然后测量有功功率的变化,如果输出功率变化为正,则以扰动后位置为新工作点继续扰动,如果输出有功功率变化为负,则在原来工作点改变扰动,直到找到最佳工作点。根据改变扰动的策略又有2个思路,一个是功率变化为负时,改变扰动方向,如果向大向小2个方向的扰动都使得有功功率变化为负,则认为达到了最佳点;另一个叫变步长法,当有功功率变化为负时,不改变扰动方向,而是把扰动减半在原来工作点上再次扰动,直到功率变化小于一个很小的正数,认为达到最佳工作点。文献[13]用发电机电动势的积分得到磁通链,而这个磁通链包含有转子的位置信息,进而估计出转子转速。文献[14]根据直流电压和发电机转速的关系,通过测量直流电压,通过查表得到转速。然后据此计算逆变器的有功给定,实现最大风能追踪。文献[15]针对双PWM变换器研究了发电机的单位功率因数控制,通过增加约束方程的方法,解决了电机定子超过极限值而导致系统不稳定的问题。文献[16]使用神经网络的方法估算风速,在根据估算的风速计算发电机转速给定并据此控制最大风能追踪。

目前对减小直驱式风力发电系统变换器的直流环节电容,以提高系统的可靠性的研究比较少。文献[17]建立了在主从控制方式下应用功率平衡联合控制策略的双PWM控制模型,使得整流部分充分利用了逆变部分的信息,提高了直流母线电压的动态控制性,减少了对变换器中电解电容容量的要求,提高了系统的可靠性和性能;文献[18]对用于海浪发电永磁同步机的变换器做了类似研究,通过在整流器和逆变器之间加入功率反馈环,达到电容充放电电流减小的目的,使得在电容量一定时,直流电压范围变小,为逆变创造了更好的条件。

文献[19]对风力发电用大功率逆变器进行了研究,提出了一种新的电路拓扑;文献[20]则对大型风电场接入系统方式进行了比较;而文献[21]则从桨距角控制、发电机转速控制、电力变换器功率解耦控制等方面对直驱永磁同步发电机的控制策略进行了全面的研究,为进一步研究奠定了基础。

3.2 低电压穿越的研究

电网电压跌落时,由于受变流器通流能力的限制,网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变,造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定,则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏,为了保护变流器不被损坏,风力发电机组将在电压跌落时退出运行。电网穿透率小时,风力发电机组在电压跌落时退出运行还是可以接受的。

然而,随着风力发电规模的不断扩大,若风电机组在电压跌落时仍然采取被动保护式脱网,则会增加整个系统的恢复难度,甚至使故障更加严重,最终导致系统其他机组全部解列。目前在风力发电技术发展领先的一些国家,如丹麦、德国等已相继制定了新的电网运行准则,定量给出了风电系统离网的条件(如最低电压跌落深度和跌落持续时间),只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网,当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力,能方便地为电网提供无功支持。因此必须研究低电压穿越的措施,实现电网电压跌落时风力发电机不脱网运行。

文献[22]通过在逆变器交流侧加装无功补偿装置和低通滤波器来应对电网电压不对称跌落对系统所造成的影响,使逆变器只能感受到电网的正序电压,保持其对称工作状态,从而实现低电压穿越;文献[23-26]通过直流侧加卸荷负载以消除电压跌落时直流侧的功率拥堵,避免直流侧的过电压和逆变器的过电流,实现低电压穿越。这些方法都要增加专门的元件,降低了系统的可靠性和经济性,使控制变得复杂。

4 结束语

风力发电作为可再生能源,未来的应用前景很好。目前风电的控制、并网等技术已经相对成熟。随着风电的发展,当风电场远离电网时的远距离并网方式的选择待进一步研究。另外,随着风电容量的增大,其对电网电能质量的影响、对系统稳定的影响是电力运行人员亟需面对和处理的问题。

生物质能发电技术综述 篇2

摘要：水的生物处理技术具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质，具有良好的环境效应和经济效应。水的生物处理技术有：塔式生物滤池、生物转盘反应器、生物膨胀床与流化床、生物接触氧化法、膜生物反应器、电生物反应器等。

关键词：环境 水污染 废水处理 生物技术

Biological treatment technology overview

Abstract：Water biological treatment technology with lower cost, energy saving, excess sludge quantity is little, can handle high-concentration oxygen conditions be reconciled biological hard-degradation organic material, have good environmental effect and economic effect.Water biological treatment technology are: tower biological filter, rotating bio-disc reactor, biological expansion bed with fluidized bed, biological contact oxidation, the membrane bioreactor, electricity bioreactor, etc.Key words: environmentwater pollutionwaste water treatmentbiotechnology 正文：

1.背景分析：

随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，我国的能源、资源和环境问题日益突出。在大面积的地区性缺水的同时，伴随着严重的水污染问题，使得多数江河湖海水质下降甚至失去了使用功能，这进一步加剧了水资源的短缺，形成恶性循环的局面。同时，由于我国矿物能源资源的匮乏和使用的低效，使得我国对再生能源的需求日益增长。在水处理工艺中，采用传统的处理方法要消耗大量能源，并产生大量需要二次处理的污泥，所以世界各国都在不断探索和研究高效低能耗的新型废水处理技术。水的生物处理技术由于具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质的特点等，近年来已成为国内外环境科学与工程领域研究的热点。

与其他水处理的技术相比，水的生物处理技术具有以下优势：

①与物理和化学净化技术相比，生物处理更为经济有效。就现代净水技术而言。生物预处理已成物理化学处理工艺的必要补充。该方法投资少。见效快，能去除常规传统工艺不能去除的污染物，操作管理简单，只需增加预处理单元，对后续常规处理单元影响小，同时能使后续工艺简单易行，运行费用增加少，处理效果比较理想，出水水质明显改善，适于大规模推广，适合中国国情。

②对铁、锰、酚、色、嗅、味、浊度及色等均有较好的去除效果。如果设置在沉淀出水后，则可以减轻后续处理的负荷，还可以和其他工艺联合使用，延长过滤或活性炭吸附等物化处理工艺的使用周期，使炭不必再生，仅需经常地反复冲洗即可长期运行，并且可以和臭氧等结合进行深度处理，优势互补，最大可能地发挥水处理工艺的整体作用，提高出水水质，降低水处理费用。

2.生物处理技术

水源水生物处理技术的本质是水体天然净化的人工化，通过微生物的降解，去除水源水中包括腐殖酸在内的可生物降解的有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和NH3—N，NO2—等污染物，再通过改进的传统工艺的处理，使水源水水质大幅度提高。常用方法有生物滤池、生物转盘、生物流化床，生物接触氧化池和生物活性炭滤池。这些处理技术可有效去除有机碳及消毒副产物的前体物，并可大幅度的降低NH3—N，对铁、锰、酚、浊度、色、嗅、味均有较好的去除效果，费用较低，可完全代替预氯化。

一、塔式生物滤池

轻质滤料的开发与采用，为塔式生物滤池的应用创造了条件。生物塔滤增加了滤池高度，分层放置填料，通风良好克服了普通生物滤池（非曝气）溶解氧不足的缺陷。国外广泛采用塑料材质大孔径波纹孔板滤料，我国常采用环氧树脂固化玻璃钢蜂窝填料。塔式生物滤池的净化作用也是通过填料表面的生物膜的新陈代谢活动来实现的。塔式滤池的优点是负荷高、产水量大、占地面积小，对冲击负荷水量和水质的突变适应性较强。缺点是动力消耗较大，基建投资高，运行管理不便。

二、生物转盘反应器

生物转盘在污水处理中已广泛采用，目前在给水处理领域，对某些污染程度较为严重的微污染水进行了一些研究。日本、我国台湾地区以及国内学者的试验研究表明，采用生物转盘预处理在适宜水力负荷下改善微污染水水质是有效的。

生物转盘的特点表现为，生物膜能够周期的运行于空气与水相两者之中，微生物能直接从大气中吸收需要的氧气（减少了溶液中氧传质的困难性），使生物过程更为有利的进行。转盘上生物膜生长面积大，生物量丰富，不存在类似于生物滤池的堵塞情况，有较好的耐冲击负荷的能力，脱落膜易于清理处置。但存在的不足是生物氧化接触时间较长，构筑物占地面积大，盘片价格较贵，基建投资高。

三、生物膨胀床与流化床

生物膨胀床是介于固定床和流化床之间的一种过渡状态，流化床中的填料随水、气流的上升流速的增加而逐渐由固定床经膨胀床最后成为流化床。生物膨胀床与流化床通过选用适度规格粒径（约为0.2~1.0mm）的生物载体，如砂、焦碳、活性炭、陶粒等，采用气、水同向混合自下而上，使载体保持适度膨胀或流化的运转状态。与固定床相比，从两个方面强化了生物处理过程：一方面，载体粒径变小，比表面积增大，单位溶剂的比表面积可达到2000~3000m2/m3，这大大提高了单位生物池的生物量。另一方面，由于颗粒在反应器中处于自由运动（膨胀或流化）状态，避免了生物滤池的堵塞现象，提高了水与生物颗粒的接触机会；同时可采用控制膨胀率的办法来控制水流紊动对生物颗粒表面的剪力水平，进而控制填料上生物膜的厚度，有利于形成均匀、致密、厚度较薄且活性较高的生物膜。这些都大大的强化了水中可生物降解基质向生物膜内的传递过程，使生物膨胀床、流化床的单位容积的基

质降解速率得到提高。生物膨胀床、流化床含有活性高的较大生物量，处理水力负荷增大，并保证出水水质良好。

采用生物膨胀床与流化床，可解决固定填料床中常出现的堵塞问题，进一步提高净化效率，且占地面积少。但由于保持膨胀或流化状态，消耗的动力费用较高，且维护管理复杂，尤其是当池体比较大的情况，如一旦停止运行，再启动很困难，运行中水力学条件难以控制等。在运行过程中还存在流化介质跑料现象，其工程应用还很少见。

四、生物接触氧化法

生物接触氧化工艺是利用填料作为生物载体，微生物在曝气充氧的条件下生长繁殖，富集在填料表面上形成生物膜，其生物膜上的生物相丰富，有细菌、真菌、丝状菌、原生动物、后生动物等组成比较稳定的生态系统，溶解性的有机污染物与生物膜接触过程中被吸附、分解和氧化，氨氮被氧化或转化成高价形态的硝态氮。反应过程如下：

有机污染物氧化反应：4CxHyOz+(4x+y-2z)O2——4xCO2+2yH2O+Q（1）

氨氮氧化方程式：2NH4++3O2——2NO2—+4H++2H2O+Q（2）

2NO2—+ O2——2NO3—+Q（3）

生物接触氧化法的主要优点是处理能力大，对冲击负荷有较强的适应性，污泥生成量少；缺点是填料间水流缓慢，水力冲刷小，如果不另外采取工程措施，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，膜活性受到影响，某些填料，如蜂窝管式填料还易引起堵塞，布水布气不易达到均匀。另外填料价格较贵，加上填料的支撑结构，投资费用较高。

现有生物接触氧化法在曝气充氧方式、生物填料上都有所改进。国内填料已从最初的蜂窝管式填料，经软性填料、半软性填料，发展到近几年的YDT弹性立体填料；曝气充氧方式也从最初的单一穿孔管式，发展到现在的微孔曝气头直接充氧以及穿孔管中心导流筒曝气循环式。在一定程度上，促进了膜的更新，改善了传质效果。

五、膜生物反应器

膜生物反应器是指以超滤膜组件作为取代二沉池的泥水分离单元设备，并与生物反应器组合构成的一种新型生物处理装置，英文称之为Membrane Bioreactor。由于超滤膜能够很好的截留来自生物反应器混合液中的微生物絮体、分子量较大的有机物及其他固体悬浮物质，并使之重新返回生化反应器中，这就使反应器内的活性污泥浓度得以大大提高，从而能够有效的提高有机物的去除率。用于膜生物反应器的膜有微滤膜和超滤膜。

水处理容量小是膜生物反应器法经济，水处理容量大时活性污泥法经济。

六、电生物反应器

将电极装置与生物反应器组合起来就构成了所谓电生物反应器（英文名称为

Electro-Bioreactor）。Mellor等的研究表明，在外加电流的条件下，由于电子的产生，生物膜和固定化酶的反硝化作用得以强化，其反应方程为：

2H++2e—H2（1）

2H2O+2e—H2+2OH—（2）

2NO3—+5H2+2H+—N2+6H2O（3）

显然，通过对水的电解，阴极提供电子，产生氢，而氢作为电子供体与硝酸盐发生了方程

（3）所示的反应，使生化反应速率及去除率得以提高，从而减少了水中硝酸盐的含量。从原理上讲，这种方法除了可以实现反硝化处理外，还可以去除水体中的有机物，但目前对电生物反应器尚处于基础理论和动力学研究阶段，离实际应用还有相当一段距离。

3、技术展望

水源水的水质问题越来越受到人们的重视。上述这些工艺去除有机物的原理是吸附、氧化、生物降解、膜滤等，几种工艺组合起来，互相取长补短，可以综合起到多种去除作用，效果更好。因此，生物处理和其他水处理技术联合应用是目前国内水厂改善出水水质的发展趋势。

此外，生物预处理工艺出水对人体健康的影响还有待进一步研究，如果要从根本上解决水源水水质问题，还须加强污水处理。提高污水处理率．从源头上控制污染物，即加强水源保护。这不仅有利于饮用水水质的提高，水源水水质的改善，更是恢复生态平衡，造福子孙后代的大事。综上所述，可知生物处理工艺，有着十分广阔的发展前景，对于获得有利于人类健康优质水和消除环境污染具有重大的意义。

4、参考文献

［ 1 ］王文祥，齐水冰，刘铁梅等编 《厌氧生物处理技术发展概况》广东省环境保护职业技术学校，文章编号：1007-0370(2009)02-0078-09

［ 2 ］黄源伟。《微污染水源水的生物处理技术》湖南省司法警官学院，文章编号：1006—8937(2008)ll一0035—03

［ 3 ］宋海亮，杨小丽。《膜生物处理技术的机理及应用研究》东南大学，文章编号：1005-8 29X(2006)0 8-0 001-0

［ 4 ］赵立军，滕登用，刘金玲，沈凤丹，栗 毅。《废水厌氧生物处理技术综述与研究进展》中国地质科学院环境工程技术设计研究院，2001

［ 5 ］马伟，王增长。《SBR污水生物处理技术研究》太原理工大学环境工程学院，文章编号:1005-6033(2007)02-0169-0

风光互补发电系统控制技术综述 篇3

近年来,可再生能源已成为实现能源多样化、社会可持续发展及应对气候变化的重要替代能源[1]。这些能源中,太阳能、风能是最普遍的自然资源,且两者具有天然的互补性和最佳的匹配性,并都具有较广阔的应用前景[2]。风光互补发电系统弥补了风力和太阳能独立发电系统在资源利用上的缺陷,综合利用风光互补技术进行发电已成为新的发展趋势。

由于地域差异,远离电网的地区,如游牧民区、边防哨所、山区信号站等,电力来源需依靠独立供电系统,要解决长期稳定可靠的供电问题,只能依赖当地的自然能源,风光互补发电无疑是解决独立供电的最佳方案[3]。为获得良好的电力能源输出,如何实现对风光互补发电系统的合理控制成为研究的重点。

2 风光互补发电系统

风光互补发电系统总体结构如图1所示,系统主要由电能产生环节、电能变换控制环节和电能存储消耗环节3部分组成。

2.1 电能产生环节

电能产生环节包括风力发电和太阳能发电两部分。风力发电部分可通过直流风机或交流风机获取风能转化为电能;太阳能发电部分通过太阳能电池板获取光能转化为电能。

2.2 电能变换控制环节

电能变换控制环节由DC/DC变换器、主控制电路等部分构成,是发电系统的核心环节。

交流风机输出的三相交流电需经整流后进入DC/DC变换器,直流风机输出直流电经过稳压后直接送入DC/DC变换器;太阳能电池板输出得到的直流电通常要通过1个防反二极管后,再送入DC/DC变换器。

主控制电路通常采用PLC或单片机、DSP等控制芯片,通过控制DC/DC变换器实现功率变换,同时还可对各种信息、参数进行数据采集、处理,从而实现设备保护、风险预警等功能。

2.3 电能存储消耗环节[4]

电能存储消耗环节包括存储和消耗两部分。电能的存储部分由蓄电池承担,用来消除由于天气等原因引起的能量供需的不平衡,在整个系统中起到电能调节和平衡负载的作用。电能的消耗部分主要由直流负载、交流负载组成。直流负载可由蓄电池直接引入,也可通过1个升压或降压直流变换电路提供所需要的直流电压;对于交流负载则需将蓄电池输出的直流电变为交流电。

3 风光互补发电控制技术

风速、光强、负载用电量和蓄电池状态是影响风光互补发电系统运行状态的主要因素。通常这些因素都在不断变化,且互相联系、制约[5]。由于各因素的随机性影响,需对风光互补发电系统进行合理控制,才能实现不同条件下的最优运行。

控制器主要功能包括:对风机和太阳能电池板的输出功率进行控制;对蓄电池进行充放电控制;对系统保护以及协调输入输出能量控制等。针对不同发电系统的要求,控制器的复杂程度及功能特点也不尽相同[4]。本文对现有的独立风光互补发电系统的控制技术进行了归纳和分类,如图2所示。

3.1 太阳能电池板的控制

3.1.1 最大功率点跟踪控制

太阳能电池板输出电压、电流是随日照强度和电池结温的变化而变化,具有较强的非线性特点,因此在特定的工况下存在着1个最大功率输出点。

通常,自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中,为了在相同日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能,就存在最大功率输出点跟踪的问题[6],因此,需要对太阳能电池板进行最大功率点跟踪控制(MPPT)。MPPT控制实质是一个自寻优过程,通过控制电池板的特定参数,或控制DC/DC变换器开关管的开通时间,使电池板能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。目前,应用于独立风光互补发电系统的太阳能电池板MPPT控制技术主要有恒压控制、扰动观察和电导增量3种。

1)恒压控制法。恒压控制法(CVT)的原理比较简单,在相同温度,不同光照强度下,太阳能电池板的最大功率点PM近似处于某一恒定的电压值VM附近,因此,只需通过调节DC/DC变换器的占空比改变负载阻抗,使电池板的输出电压稳定在VM附近,便可实现MPPT控制[4]。其控制框图如图3所示。

CVT法实际上是一种稳压控制,简单、易实现、稳定性高。但是由于忽略了温度对阵列输出电压的影响,该方法的实质并不是真正意义上的最大功率点跟踪,对于四季温差或日温差较大的地区,CVT法并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率[6],便会导致功率损失。因此,该法适用于温度变化不是很明显的情况。

文献[7-8]采用CVT法对太阳能电池板进行MPPT控制,大大简化了系统MPPT的控制设计,并提高了发电效率。

2)扰动观察法。扰动观察法(P&O)又称为登山法、爬山法,是目前研究较多且常用的MPPT控制方法。控制对象可以是太阳能电池板的电压或者电流。其工作原理为:周期性的给对象加扰动,比较输出功率与加扰动前的输出功率的大小,若功率增加则在下1个周期以相同方向加扰动;反之,则改变扰动方向[6],图4所示为其控制框图。

扰动的加法有2种:可直接给被控对象加扰动,也可给控制DC/DC变换器驱动信号的占空比加扰动。扰动过程中,由于步长为定值,选择合适的扰动步长[5]对于跟踪最大功率点的快速性、准确性有着至关重要的作用。

P&O法的优点为:结构简单,被测参数少,容易实现,且是一种真正的最大功率跟踪(TMPPT)。但也存在:(1)系统在最大功率点附近会产生震荡;(2)步长较小时太阳能电池板易工作于低功率输出区,而步长较大时最大功率点附近的波动又会加大;(3)外部环境发生较快变化时,很有可能发生误判[6]等缺点。该法适用于光照强度变化较小及对电能质量要求不高的场合。

文献[9-10]采用了P&O法进行MPPT控制,取得了良好的控制性能;文献[5]采用P&O法控制,并通过仿真证明了该方法满足系统快速性的要求。

文献[4]提出将P&O法与CVT法结合进行控制,即:先根据经验值VM,采用CVT启动(CVT法有良好的启动特性);然后采用P&O法,取得最大功率点,此时,可获得最大功率点处的V′M,由于温度的非突变性,一定时间内,V′M基本保持不变;然后采用CVT法,将系统输出电压控制在测得的V′M附近,实现MPPT。这种技术结合了二者的优点,控制效果更佳。

为减少定步长P&O法在最大功率点附近振荡的幅度,并准确、快速地跟踪到最大功率点,变步长P&O法被越来越多地应用在风光互补发电系统中。其基本原理为:在原有扰动原则的基础上,当功率的变化出现变号时[11],仅改变扰动步长值,而扰动方向不变。如:加入扰动Δ后,若功率变化量ΔP>ε(ε为一数值较小正数),保持原Δ值与扰动方向;若ΔP<-ε,扰动值变为Δ/2,而扰动方向不变。

变步长P&O法解决了传统定步长P&O法在跟踪过程中剧烈振荡的问题,在一定程度上减少了功率损耗。

文献[12-13]采用变步长P&O法控制电池板的功率输出,提高了MPPT控制的灵敏度;文献[11]对电池板的MPPT控制基于变步长P&O法,并在算法中增加了搜索电压的上、下限限幅值,防止了系统的误判;文献[14]也采用同样的方法进行控制,在此基础上,又加入了滞环比较法[15]进行改进,避免外部环境发生突变引起的误判。

同样为减少P&O法的误判概率,文献[16-17]提出了基于P&O法的扰动回探法,即:加入扰动Δ后,若功率P增加ΔP,变为P′,则先改变扰动方向,确认功率减小为P后,再改变扰动方向,使功率增大到P′,继续加扰动,并重复此过程。扰动回探法减少误判可能性,同时提高了太阳能利用率。

3)电导增量法。为解决P&O法带来的功率损失等问题,K.H.Hussein提出了电导增量法[18](INC)。根据太阳能电池板的P-U特性曲线在最大功率点处的斜率为零,即dP/dU=0,所以有:

式(1)为判断最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时就可认为电池板工作在最大功率点处。此法利用电压和电流的变化量比值、瞬间电导值两个参数判断输出电压,若比较后为相等,则表示达到最大功率点跟踪;若不相等则改变电池板的被控参数或DC/DC变换器驱动信号的占空比,进而继续判断。

INC法与P&O可以说是殊途同归,差别仅在于逻辑判断与量测参数的取舍[16]。INC法的优点为:控制精确,响应速度比较快。但该控制方法对硬件的要求比较高,系统各个部分要求具有较快的响应速度[19]。该方法适用于气象条件变化较快的场合,尤其在光强和温度大范围变化的情况下,系统具有高速、稳定的跟踪特性。

文献[20]对太阳能电池板的MPPT控制基于INC法实现,并用在线调整占空比增量的方法对电导微增法进行了改进,加快了系统的动态响应速度,且减小了系统振荡。

3.1.2 负载跟踪控制

负载跟踪控制就是对电能产生环节和电能消耗环节的功率匹配控制。负载的不确定性要求系统输出的能量应与蓄电池和负载所需求的能量相匹配,当负载所需求的能量不多时,系统就不再需要跟踪太阳能电池板输出的最大功率点。

文献[5]根据系统要求,在负载需求能量小于电池板输出能量时,对太阳能电池板进行负载跟踪控制。控制器计算负载电流与蓄电池的最大可接受电流之和、蓄电池端电压值,从而算出负载和蓄电池的需求功率,并将此功率值作为电池板输出功率的参考值,利用PI调节器调节DC/DC变换器占空比而实现功率匹配。

3.1.3 光源跟踪控制

为提高有效日照时间和发电效率,可跟踪光源的太阳能电池板开始被应用于风光互补发电系统中。在常规太阳能电池板基础上,系统加入感光传感器和驱动电机等特定装置,通过对电池板的仰角和方位角进行控制,便可实现光源跟踪。

光源跟踪控制技术可有效地利用太阳能资源,提高日发电量。但是,光源跟踪装置本身电能消耗较大,便失去了一定的实用价值。该控制技术适用于光源不稳定或变化较快的场合。

文献[21]所设计的船用风光互补发电系统控制器根据其特定的使用场合,对太阳能电池板采用光源跟踪控制,采用光敏三极管作为感光传感器,驱动电机选用步进电机作为执行机构,其控制过程为:早上开始跟踪太阳位置,使电池板始终接收到最强太阳辐射,当太阳下山或者天空光线较差时,电池板转回到朝向东方的初始位置,当再次检测到太阳升起或天空光线变强时,继续跟踪光源。通过该控制技术,风光互补发电系统能够很好地应用在由于船舶航行中河道走向变化和所在地域变更所引起的光照角度变化较大的情况。

3.2 风力发电机的控制

3.2.1 MPPT控制

与太阳能电池板一样,风力发电机的输出也存在一个最大功率点,风光互补发电系统若要捕获最大的风能,必须根据风速的变化对风力机的转速进行实时调整,即实现MPPT控制,这就产生了变速发电的运行模式,而变速发电的实质是在风速随机变动时又要获得最大的风能,因此MPPT控制在风力发电中具有举足轻重的地位[22]。

由风力发电机的电动原理可知,当输入的机械功率大于其输出电功率时,风力发电机的转速将要增加;反之,转速下降。因此,可通过控制风力发电机的输出功率,完成对输出电功率的调节。调节控制电路驱动信号的占空比就可实现输出功率控制,从而间接达到控制风力发电机转速的目的[12]。目前,应用于独立风光互补发电系统的风力发电机MPPT控制技术主要有最大功率给定法等3种。

1)最大功率给定法。基本原理是通过测量风力发电机转速来推测风力机的最佳叶尖速比λopt,根据λopt与风机的最大输出功率Pmax的对应关系,可得到Pmax,将Pmax作为发电机功率的给定,与系统输出的实际功率进行比较,其误差通过PID调节后产生PWM信号来调节DC/DC变换器的占空比而实现MPPT控制,最大功率给定法控制框图如图5所示。

λopt与Pmax有如下关系:

式中:ρ为空气密度;Cpmax为最大风能利用系数;R为风轮机半径;ωw为风轮机的角速度。

控制过程中,发电机转速可以根据输出交流电压频率与转速之间关系获得,整个系统无需机械传感器,提高了可靠性。

文献[5,10]采用最大功率给定法实现风机MPPT控制,系统响应较快。其中文献[5]的仿真结果表明,控制过程中发电机转速波动较小,从而可减小发电机机械磨损,也减缓了对整个系统的冲击,提高了系统可靠性。

2)P&O法。基本原理与太阳能电池板的P&O法原理大致相同。方法实现上可以周期性地增加或减少发电机转速,或者周期性地改变DC/DC变换电路驱动信号的占空比,然后比较输出功率的变化,再进行下一周期控制对象的增减动作。

P&O法优点:(1)有自动跟随与自适应的能力;(2)不需测风速仪器;(3)不必知道风力发电机确切的参数及功率特性。缺点:即使在风速稳定时,输出功率也会有小幅度的波动。但由于风力发电部分受风速的随机性影响,其输出没有必要也不可能保证高的精度与稳定[12],因此适用范围不会受太大影响,总体来说是一种效果较好的控制方案[23]。

文献[4]在P&O法的控制基础上,加以改进,采用了变步长扰动,一定程度上降低输出功率的波动幅度,得到了更好的控制效果。文献[16]基于扰动回探法,采用一个DC/DC变换电路同时对风力发电系统和太阳能发电系统进行MPPT控制,简化了系统结构。文献[11,13]为简化控制,也同样采用一个DC/DC变换器进行控制,并根据变步长扰动法通过控制占空比而实现了对风力、太阳能两个系统的MPPT控制,充分利用了能源。

3)INC法。基本原理已在太阳能电池板MPPT控制中介绍过,不再赘述。但需注意:因风力发电机输出电压与转速成正比,可根据风机P-ω特性曲线推测出P-U特性曲线,进而根据判别式判断。

文献[20]基于改进型的电导增量法,采用风力发电机和太阳能电池经过同一个DC/DC变换器的控制方案,实现了对两个发电系统共同的MPPT控制,降低了成本,并使控制大为简化。

3.2.2 负载跟踪控制

与太阳能发电系统一样,当风力机输出能量多于负载和蓄电池吸收的能量时,可采用负载跟踪控制来调节系统功率输出。负载跟踪控制使风力机叶尖速比λ偏离最佳值[10],从而降低风能利用系数Cp,以保证风机的输出功率与负载消耗功率和充入蓄电池的功率相匹配。控制框图如图6所示,控制器将蓄电池的充电电流Ib与负载电流Il之和作为给定输入与DC/DC变换器的输出电流Iw进行比较,将其误差经过PID调节后产生PWM控制信号来调节DC/DC变换器的占空比,从而实现负载跟踪控制。

负载跟踪控制可使变换器的输出电流始终满足蓄电池和负载的需要,使风力发电机的输出功率始终与负载功率和充入蓄电池的功率之和相平衡。

文献[5,10]所研究的系统在风力发电部分能量过多的情况下,对风机采用负载跟踪控制,实现了功率间的匹配。

3.2.3 运行保护控制

当风机处于对蓄电池充电运行状态时,若整流桥发生故障,或者风力发电机与蓄电池之间的连接断开,风力发电机所获得的能量将无法通过整流电路转换成直流电能,进而无法对蓄电池进行充电。而此时,风力发电机的叶片转速将快速上升,输出端线电压也将随之上升,严重时,会导致风轮飞车,损坏风机的机械结构。而且在风力发电机与蓄电池之间连接断开的情况下,会击穿整流二极管[24]。所以控制器需要对风力发电机进行有效的保护控制。

通常的保护控制是在当风力发电机转速达到风力发电机最大安全转速限定值时,或风机输出端线电压高于设定的保护电压时,系统逐级切入卸荷负载限速[5],对风力发电机进行保护。

文献[5,10,24]采用上述方法实现风机保护控制,保证了系统的正常运行,避免了意外发生;文献[11]在常规的运行保护控制基础上,为防止控制器的误动作,还设置了手动闸,手动切入卸荷负载,实现过速保护;文献[25]采用的保护控制则是在系统满足蓄电池电压较高且充电电流减小到某一值再启动卸荷负载,避免了由于风速过大蓄电池电压急剧升高时启动卸荷负载而不充电或充电电流变小情况的发生。

3.3 蓄电池的控制

为保证发电系统供电的连续性和稳定性,独立的风光互补发电系统选取了蓄电池为储能装置。作为储能环节,蓄电池在风力、日照充足的条件下可存储供给负载后多余的电能;在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。因此,蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载的作用,若对运行中的蓄电池充放电的控制、保护方法不当,极易损坏蓄电池,缩短使用寿命,而蓄电池使用寿命的长短也直接影响发电系统供电的稳定性及发电成本。因此,蓄电池充放电控制、过充过放保护控制是风光互补发电系统运行控制的又一重要部分。

3.3.1 充电控制

蓄电池的充电控制主要有:二段式和三段式。

1)二段式充电控制。先以恒定电流充电至预定的电压值,再改为以恒定的电压进行充电。一般情况下,两阶段之间的转换电压即为第2阶段的恒电压值。采用二段式控制,蓄电池在初期不会出现很大的电流;后期也不会出现蓄电池电压过高,避免了析气的发生[20]。

文献[26]对蓄电池的二段式控制进行了建模与仿真,采用双闭环PID实现,证明了二段式充电方式简单、稳定、可行,并适用于其他的分布式发电系统。

2)三段式充电控制主要有2种充电方式。

(1)大电流充电-限流充电-浮充[10]控制方法的主充电阶段,对蓄电池进行大电流充电,使电池电压快速上升,至均充电压阈值时(一般在电池容量达到80%左右),进入第2阶段进行限流充电,此时,蓄电池仍未充满,需要利用限流充电方式进行补充充电,逐渐降低充电电流,至浮充电压时电池基本充满,此时转入第3阶段,继续以小电流进行充电(即浮充),以弥补蓄电池的自放电。文献[10,11,13,20,27-32]中所研究系统对蓄电池的充电控制采用以上的三段式控制,提高了发电系统的使用效率。文献[22-33]采用了同样的控制方式,基于模糊-PID复合控制实现,通过仿真证明了该控制方式的优越性。文献[34]在此基础上提出了分只均充的新型控制方式,最大限度地利用了蓄电池的容量,同样延长了蓄电池的使用寿命。

(2)恒流充电-恒压充电-浮充控制方法首先对蓄电池采用恒流充电方式充电,蓄电池充电到达一定容量后,采用恒压方式进行充电。在两阶段充电完毕,即蓄电池容量到达其额定容量的80%~90%时,对蓄电池进行浮充,且这一阶段的充电电压要比恒压阶段的低[12]。

文献[7,12]采用上述的三段式方法控制充电,同样保证了蓄电池组高效率、低损伤、安全可靠运行。

三段式控制,既可以充分利用能源,提高蓄电池的充电效率,又不会损坏蓄电池。

3.3.2 放电控制

对于蓄电池的放电控制,目前研究的较少。文献[5]采用电压控制法,即在蓄电池组进行放电时,维持蓄电池输出电压稳定,保证当负载发生变化时,能够及时提供足够的能量。

3.3.3 运行保护控制[5]

运行保护控制主要指蓄电池的过充过放保护控制。

过冲过放保护控制原则:当蓄电池组的电压接近蓄电池组过放电压时,系统报警;达到蓄电池过放电保护电压阈值时,切除负载供电回路,蓄电池停止放电,当蓄电池端电压再次上升到蓄电池启动电压时才允许重新放电;而当蓄电池处于过充状态时,提前发出报警信号,并切断风力发电支路与太阳能发电支路对蓄电池的充电,防止进一步充电。

文献[24]通过设定双重的蓄电池电压上下限阈值,实现了更好的过冲过放保护控制;文献[31,35]采用的保护控制是建立在3级负载的基础上,将负载分为重要负载、次重要负载、一般负载,在蓄电池电压降低的情况下,按优先级切断负载,并不断检测电压,保证重要负载长时间供电。

4 结论

经济的不断发展促使可再生能源的利用成为未来能源领域研究的重要内容,风光互补发电系统以其特有的优势在新能源领域扮演着极其重要的角色。要获得稳定、良好的功率输出,控制器的设计尤为关键,智能化、集成化又是研究的重要内容。电力电子技术的日渐成熟使其控制器实现的功能日臻完善,系统各环节的多种控制技术能较好地匹配能量供需,提高了发电系统的能源利用率。

发展风能、太阳能等自然资源已是大势所趋,随着研究的不断深入,风光互补发电系统将向着小型化、数字化、绿色化的目标不断迈进,也将成为微电网研究中不可估量的重要内容。

摘要：风光互补发电利用了2种当前应用较广泛的可再生能源,是一种经济可行的发电方式。完善的风光互补发电系统需要对各个部分进行合理、有效的控制,方能使系统运行在安全、稳定的状态,并提高效率、延长寿命。良好的风光互补发电系统不但可以解决远离电网地区独立供电的问题,而且将成为微电网研究所关注的重要内容。对现有的独立风光互补发电系统控制技术进行了归纳和分类,分析各种控制技术的工作原理、特点、实现方法及适用场合,为进一步应用提供参考。

太阳能光伏发电技术应用综述 篇4

一、太阳能光伏发电的优点

太阳能光伏发电的能量资源是来自太阳能, 太阳能量资源有取之不尽, 用之不竭的巨型可再生能源。据测验统计, 太阳能照射到地球上的能量资源, 要比目前人类消耗总能量大6 000倍, 太阳能在地球上分布很广, 只要有光照的场所和地理位置适合的地区, 就可使用太阳能发电系统来发电。现在的光伏发电设备非常便利, 即装即发电, 不用任何类型的变压器, 只要符合机电电压产品, 就可直接使用。太阳能发电装置, 不论是平原, 山区高原以及广阔的大海和太空都可使它来发电, 目前人类所有的建筑物:包括楼房、馆所、房墙、房项、窗户以及走廊休闲空间等都可利用起来, 使用太阳能光伏发电设备发电来取得电力资源, 以解决供电不足的问题。光伏发电全过程是利用太阳的光辐射能通过光电池作用直接转换为电能, 因此光伏发电是一种最具有可持续发展的, 最具特殊性能的可再生能源的发电技术。

太阳能光伏发电, 能量转换过程简单, 它是直接将光能转换为电能, 没有中间环节 (如热能转换为机械能, 再由机械能推动磁电机组运转作用产生电能的机械旋转作用) , 所以光伏发电不但无噪音, 而且又无能耗无有毒污染气体排放、无水源冷却系统与设备, 节省了资金投入。目前人类使用的电力资源恰恰相反, 它的换取模式主要以燃煤、燃气、燃油等, 一次性燃烧物质在燃烧过程中, 把热能转换成机械能, 再由机械能推动发电机组运转的作用中获得到了电能。这种“以燃烧物质”作为换电模式, 其中间环节多, 有一个环节出了问题, 发电就无法进行, 并且往往因燃煤不到位, 水源不足而停止。除此之外, 从发展眼光来看, 它在发电运转过程还给人们许多烦恼。它排出有害气体和物质, 不但污染了水源和海洋, 而且更为严重的是污染空气, 使空气臭氧层浓度加大, 地球温度上升, 破坏了人类赖以生存的地球。总之, 热磁电体系换电模式, 所付出的代价实在太大, 甚至它的危害性到了无法估量的地步。相比之下, 光伏发电所具有的生态环保优势非常明显, 发展潜力很大。

二、太阳能光伏发电技术经济分析

1. 特点。

太阳能发电组件结构具有体积小、重量轻, 便于运输和安装, 光伏发电系统建设周期短, 电负荷容量大小, 方便灵活, 极易组合扩容等特点, 可随人之需而定。光伏发电系统性能稳定可靠, 使用寿命长 (30年以上) , 一套光伏发电系统, 只要有太阳能电池组件发电, 有自动化控制系统来控制, 基本可实现无人值守与维修降低成本。

光伏发电过程本身不需要水源的, 可以安装在没有水源的荒漠戈壁滩上以及太空和海洋地带。它可节省土地资源又节约水源, 大大扩大它自身发电领域。

2. 产品优势。

随着科学技术的发展, 太阳能光伏发电产品成本下降速度加快。

(1) 光伏发电成本逐年下降。在20世纪60年代第一个地面用光伏组件发电售价1 500美元/W, 经过改进后下降到300美元/W, 到2003年, 世界主要公司光伏组件成本下降, 售价下降为2.5~3美元/W, 由于光伏组件成本下降, 光伏组件发电, 电价也随之下降。国外许多机构预测认为, 光伏发电的电价在2020年可降低到与火力发电的电价相竞争水平的电价每度在2006年时为0.25美元/ (k W·h) , 到2010年下降为0.14美元/ (k W·h) , 光伏电价下降是光伏发电走进百姓家庭的最好因素。但是按照当前0.14美元/ (k W·h) 换面成人民币为0.886元/ (k W·h) 光电比火电每度还要贵两毛多钱, 说明还有差距, 还需要继续下降, 降至比火电还低的水平, 光电产品就有更强劲的竞争力。

(2) 光伏发电组件的快速增长。面对日益逼近的石化能源逐步走向枯竭, 保护人类赖以生存的地球的生态环境, 光伏发电的优势更为明显。世界上发达国家, 如美、德、日等国家十分重视可再生能源的开发利用。美国、日本欧洲提出的世界太阳能发展预测目标:在2010年装机总量达到14 GW, 其中日本4.8GW, 欧洲3.0 GW, 美国3.0 GW, 中国0.25 GW, 其他2.95 GW;2020年, 装机总量达到200 GW, 其中日本30 GW, 欧洲41 GW, 美国36 GW, 中国1.6 GW, 其他91.5 GW。中国近20年来, 光伏产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2003年、2004年中国太阳能电池组件的生产量有了大幅度增长, 2003年过1.2万k W, 约占世界份额的2.2%。2004年达3.5万k W, 约点世界份额的3%。截至2007年底, 中国太阳能发电量已达到4 000 MW, 而世界累计实际生产只有12 GW。最近5年, 中国的太阳电池产量由2002年536.8 MW到2007年增加到4 000 MW, 平均每年增长率近50%, 见表1。

三、太阳能光伏发电技术在中国的开展

我国政府高度重视光伏产业的开发与使用工作。2007年8月由国家发改委经国务院审议通过了《可再生能源中长期发展规划》, 规划提出2006年--2020年中国可再生能源发展的指导思想。我国中长期光电发展目标是在2010年光伏发电总量为25万k W·h, 到2010年达到160万k W·h指标要求。国家有政策和指标要求, 各级领导重视, 有一心一意献身光电事业的广大科技人员, 谐调一致, 共同攻关, 协同作战, 有目标, 有计划地对光电产业进行了大刀阔斧的创新、改造、完善工作。在短短10年里, 我国的光伏发电设备产业得到迅速发展, 品质不断地提高, 产品价格大幅度下降, 其市场竞争力更强大。据统计, 无锡和常州产电将扩大到1 000 MW。2008年阿特斯的产能达到500MW, 保定和南京的产能分别扩大到600 MW, 研发单位达到数十个, 相应人员配制的力量也逐年扩大。目前有河北与美国在中国廊坊建设一座产能500 MW薄膜电池厂, 苏州在2009年底实现产能1 000 MW薄膜光伏电池厂等, 形成常规化晶体硅光伏发电和薄膜光伏发电系统装制两种形式。两股力量汇聚在一起, 力量更强大, 速度更快, 更有力地推动光伏发电产业不断的向前发展。

四、太阳能光伏发电产品推广应用建议

太阳能光伏发电是个新鲜事物, 因此难免存在这样那样诸多问题和缺陷, 所以需要有自力更生, 独立自主的精神。努力做好不断地创新改进和完善产品的质量工作, 必须拿出物美价廉又经得起考验的一流新产品来, 逐步走进百姓家庭, 让百姓放心、政府放心以及管理部门都放心。与此同时也要争取外援, 努力学别人之长处, 进行有条件升级改造, 创新与完善自己的不足。本文, 笔者对于太阳能光伏发电技术应用提出如下建议。

1.加强光伏发电的优越性能宣传指导, 目前多数人群对光伏发电认识不足, 存在着半信半疑的思想和观望的态度。因此需要拿出光伏发电实际产品, 用事实说服人。

2.光伏发电产品, 目前以小中型为主, 产品需要走进百姓家庭, 或社区和边远山区无电区域。这样很需要政府和有关部门与单位合作出台相应的政策与法规等。建议房地产商或有关单位进行协商, 在房顶, 走廊空间, 楼房馆所以及照明路灯等, 配置并安装光伏发电设备系统。让百姓将来也得到低廉价格实实在在的东西。

3.建议筹建一批机电产品, 例如, 日常使用的电视机、空调、电风扇以及电冰箱等。它们可直接使用直流电流, 不用变压器来降低电压, 可节省零件和能耗费用。

生物质能发电技术现状分析与展望 篇5

1.1 资源丰富

生物质资源丰富,发展潜力巨大。从现有水平上分析,植物界每年所固定的太阳能为世界总能耗的10倍。现今全世界每年由光合作用所形成的有机质约为2000亿t,相当于3×1021J能量;全世界每天产生垃圾2700万t,各种废水的排放量每年多达4500亿t,每年的人畜粪便超过几十亿吨;海洋生物每年通过光合作用获得的能量为世界总能耗的三倍,即9.2×1020J。

我国幅员辽阔,人口众多,生物质分布十分广泛,约有80%的人口居住在农村;太阳能资源丰富,全国各地太阳能年辐射总量在335~835k J/cm2之间。因此,通过光合作用产生的生物质能储量大、分布广。

1.2 改善生态环境

利用生物质时排放的二氧化碳和生物质植物成长过程中吸收的二氧化碳可以相互循环、抵消,所以生物质能源的利用可以实现二氧化碳零排放,从而达到减少温室气体排放,改善环境的效果。同时,生物质中有害物质(硫和灰分等)的含量仅为中质烟煤的1/10左右,因此生物质产业可以从根本上解决我国农村大量秸秆被就地焚烧造成烟气污染环境问题。

1.3 增加农民收入

能源将是我国新农村建设进程中一道难以逾越的障碍。生物质资源较分散、廉价和易得性等特点,为其在广大农村地区的发展提供了可能性。如果能够因地制宜,充分利用本地农村生物质资源,加快生物质能源技术的普及,将使得生物质能产业形成良性循环。良性的生物质能产业不仅可以积极地带动机械加工以及物流运输等相关产业发展,而且在产业的相关加工环节,都需要新增劳动力的投入,从而扩大农民就业机会,增加农民收入。

1.4 适合发展分布式电力系统

所谓分布式电力系统是指分布在用户端,以资源、环境效益最大化确定方式和容量。根据生物质能的占有量确定电厂规模,将资源配置及能源需求进行有机结合。生物质资源相对于传统的化石类燃料较分散,根据生物质资源分散性这一特点,可因地制宜地选用生物质发电技术,发展分布式电力系统。

2 国内外生物质能发电技术现状

生物质燃烧发电是将生物质替代化石燃料在锅炉中燃烧,产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热,生成的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功产生电能。

目前生物质能发电技术主要包括:直燃发电技术、气化发电技术、沼气发电技术。

2.1 直燃发电技术

生物质直接燃烧发电是指生物质原料送入适合的锅炉内燃烧,生产蒸汽,产生的蒸汽膨胀做功,从而带动发电机发电。在国外,生物质直接燃烧发电技术已基本成熟,进入推广研究阶段。在国内,该发电技术处于起步阶段,部分技术设备具备自主开发能力。

2.2 气化发电技术

生物质气化发电是指将生物质转化为可燃气,利用净化的可燃气推动燃气发电设备进行发电。气化发电技术具有以下三个特点:(1)技术有充分的灵活性;(2)具有较好的洁净性;(3)经济性。国际上,生物质气化发电技术尚不成熟,目前还处在示范和研究的阶段。我国具有良好的生物质气化发电基础,生物质资源丰富,气化发电具有较好的发展空间。

2.3 沼气发电技术

沼气发电是指汽轮机和往复式发动机以沼气作为主要的燃料来源,以发动机的动力驱动发电机发电的过程。沼气发电过程中的热能不能完全转化为机械能,大部分热量随废气排出。因此,发动机的废气回收是提高沼气能量利用率的有效途径。沼气发电在发达国家已经受到了广泛的重视和积极的推广,如日本的阳光工程,美国的能源农场,荷兰的绿色能源等。我国沼气发电的研发历史已经有20多年,在应用研究及设备质量上有一定的基础。我国的沼气发动机主要有两类:即全烧式和双燃料式。目前,“沼气—柴油”双燃料发动机的研发引起了普遍的重视。

3 生物质能应用中存在问题及解决方法

3.1 生物质能应用存在的问题

我国生物质产业最大的障碍是生物质资源分散,运输成本高,燃烧效率低,生物质过量消耗,致使我国的生物质能利用工程规模都偏小。具体问题如下:(1)设备利用率低,转化效率低;(2)新技术开发缺乏力度,关键的技术问题得不到有效的解决;(3)行政管理体制不健全,国家财政支持力度不够。

3.2 解决方法

3.2.1 采用优质生物质原料

普通秸秆、粪便等生物质存在气化热值低,在稳定运行、焦油清除、气体净化等技术上难以提高而且秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发难度很大,不适合大规模推广应用。据瑞典农业大学专家数十年研究分析,一种称为“比特”的荆条类植物,具备成为生物质能发电技术原材料的优质特性。1t比特的热值约等于1t煤。适宜于生长在包括沙漠在内的任何地区,且生长周期短,繁殖迅速,“比特”被称为“地上石油”。目前瑞典已经利用该材料使得生物质能发电初具规模。

竹柳也是一种新型生物质能源原料林,优良速生树。具有生长快、再生能力强、热值高等特点。可选择非耕地,大面积种植,非常适合做生物质发电原料。

3.2.2 开发新的成型技术

传统的生物质成型工艺复杂,设备庞大,原材料运输半径大,处理成本较高。为了提高生物质能的燃烧效率,降低运输半径,扩大产业规模,开发研制新型的生物质压缩成型技术是行之有效的措施。目前国内成功开发了常温压缩固化成型技术(CZSN技术)和生物质能就地及时成型技术很好的解决了生物质规模化应用中存在的收、运、储成本高等瓶颈问题。

新技术优化了工艺流程,省去了加热及控温设备系统,大大降低了系统的复杂程度、占地面积、厂房要求。使得流动收集生物质原料成为可能,从而给生物质能的大规模生产带来希望。

3.2.3 政策管理

现行的可再生能源机构管理混乱,执行力度低。为实现可再生能源行业的高效、统一管理。我国需在加强国家能源局统一综合管理力度的同时,加快地方性可再生能源管理部门的建立,以整合地方政府不同部门的可再生能源管理职责。作为新兴产业,在税收、贷款和融资渠道等方面,政府同样需给予有力的支持。

4 前景展望

积极开发生物质能发电技术既可降低对化石能源的依赖,又可保护生态环境,发展前景十分广阔。生物质直接燃烧发电技术是技术较成熟的利用方式,而且我国资源及电力系统较分散。因此,应大力推广成型生物质能燃料及专用锅炉来取代燃煤、取暖锅炉,甚至发电系统的锅炉。

摘要：本文对生物质能发电技术进行了综述,分析了生物质能发电技术应用过程中所存在的问题,并对生物质能发电的前景进行了展望。

生物质能发电技术综述 篇6

3.1 太阳能光热发电与热电耦合发电系统概念

按照太阳能与热电的主辅关系, 太阳能与热电耦合发电系统可以分为两大类:太阳能辅助热电系统和热电辅助太阳能发电系统。太阳能辅助热电系统是在常规化石燃料发电机组的设计基础上, 利用太阳能集热系统吸收太阳能热量合理集成的耦合热发电系统。热电辅助太阳能发电系统, 是在单纯太阳能发电机组的设计基础上, 投入合适的化石燃料辅助太阳能发电的热发电系统。该系统以太阳能发电为主, 化石燃料补充发电为辅, 可以实现大规模利用太阳能持续发电。还可以充分利用热电机组的可调整性来弥补太阳能的间歇性, 降低独立太阳能热发电的投资成本。美国加州运行的9座SEGS电站就是属于化石燃料辅助太阳能热发电系统的典型。

太阳能光热-热电耦合系统 (双能源循环系统) 相对于集中式光热电站而言, 可以不设置储热子系统, 无需增加汽轮发电机组, 光热系统造价比独立集中式光热电站要低的多, 大约只有其55%~60%, 采用槽式光热系统, 单位功率建造成本约为1.1万~1.5万元/k W。

国外越来越多的项目选用太阳能光热与热电站 (包括火电站、天然气电站、垃圾发电站和工业余热电站) 联合建设、联合运作。一来可提高光热电站的发电持续性, 二是通过提高工质运行温度可提高电站系统效率。目前, 在国外已经有这方面的工程应用, 太阳能在联合循环发电系统中的热能贡献率约为15%~40%。

另外, 联合电站投入使用后还有望改善当地生态环境, 因为集热器可吸收遮挡阳光, 可降低电站地区的地表温度和蒸发量, 同时聚光镜的冲洗水漏入地面, 有利于植物生长。

3.2 太阳能光热发电与热电耦合发电系统类别

目前, 根据我国工业产业布局实际情况, 光热与热电 (火电、余热发电) 耦合构成双能源发电系统, 概括起来不外乎如下几大类:

3.2.1 光热系统与水泥窑余热电站构成联合循环发电

目前, 水泥余热发电市场将近饱和, 但实际上由于各种原因, 很多水泥余热发电装机容量没有得到充分利用。可在太阳能和土地资源条件适合的地区, 将光热发电与水泥余热发电结合起来, 挖掘水泥余热发电潜力。国内外目前还没有在水泥余热发电领域商业化应用的先例。

利用槽式光热技术, 聚光镜将太阳光线性聚焦到吸热管上, 加热管内传热工质, 直接或间接地产生一定参数的中压/低压过热水蒸气, 与水泥余热发电系统中AQC锅炉中压/低压过热器的蒸汽汇合, 增加汽轮机主蒸汽/补蒸汽流量, 从而增加发电量。阴雨天和晚上则关闭光热系统, 切换到原来的系统运行。

以4500t/d水泥余热发电项目为例, 如在晴天用光热增产主蒸汽10t/h, 则可增加进入汽轮机的蒸汽热量18%, 增加发电功率1500k W;增发电量450万k Wh/a, 节省标准煤1800t/a;减排CO24500t/a;增加经济效益324万元/a;光热初投资成本1800万元, 投资回收期6年 (未考虑土地成本) 。

3.2.2 光热系统与烧结余热电站构成联合循环发电

钢铁行业有大量的烧结冷却机余热电站, 很多因为设计原因或者工艺波动原因而不能达到额定的发电量, 汽轮发电机组还有很大的挖潜空间。

在有空闲土地资源和太阳能资源的钢铁厂, 可以增加光热系统, 与烧结余热电站耦合起来构成双能源联合发电系统。利用光热直接预热锅炉给水, 或者产生蒸汽补充到汽轮发电机组去发电, 均可提高余热电站的系统效率, 增加余热发电量。

3.2.3 光热系统与小型燃煤热电厂构成联合循环发电

由于小型燃煤发电机组热经济性较差, 已属于淘汰机组, 在太阳能与其集成进行联合发电时, 原有燃煤发电机组不必重复投资, 这部分成本可以不考虑, 从而使这种太阳能辅助燃煤热发电机组的单位热经济学成本大大下降。

以C50-8.82/0.294型供热机组为例, 如果将光热产蒸汽取代1段高压加热器的抽汽, 当不考虑原有燃煤发电机组部分投资成本时, 其发电成本为0.16元/k Wh, 远低于纯燃煤发电机组的发电成本0.25元/k Wh。这为我国的小型火电机组升级改造提供了可能的方向。

3.2.4 光热系统与大型燃煤热电厂构成联合循环发电

目前大型燃煤热电厂的主力机组为300MW、600MW凝汽式汽轮发电机组, 它们都是八级抽汽加热, 将锅炉给水温度加热到278℃左右。以300MW机组为例, 从第一级到第七级, 各级的抽汽加热温度范围从386~95℃, 这样的温度范围, 一般的中高温太阳能光热系统都是可以达到的。

根据太阳能光热系统的参数, 选择某一级或者几级参数比较匹配的给水加热器, 利用光热直接加热给水代替汽轮机抽汽加热, 构成太阳能-常规能源联合循环发电系统。这种系统具有如下特点:

光热系统只作为联合循环电站的给水预热系统, 系统投资小而太阳能利用率高。

可以很方便地用于现有燃煤热力发电厂的节能减排技术改造。

国外已有成功应用实例。如澳大利亚的太阳热动力工程公司利用条形菲涅尔式光热装置, 产生265℃的湿蒸汽, 对Liddell燃煤热力发电厂的锅炉给水进行加热。

利用光热系统直接产生中高温参数的过热蒸汽, 与汽轮机高压缸的排汽汇合, 再进入中压缸, 太阳集热器入口接自锅炉的除氧器出口, 锅炉、光热统一供水, 构成联合循环发电系统。这种系统具有如下特点:

无需独立光热电站的储热子系统, 大大简化了总系统, 节省了大量设备投资。

夏季电网负荷高峰期, 正好是太阳辐射最强的季节, 充分利用了光热发电的天然调峰功能。

主要适用于新建燃煤热力发电厂, 增加光热系统, 组成太阳能-常规能源联合循环发电。

以国产N600-16.7/537/537型凝气式汽轮发电机组为例, 若以光热直接产汽代替除氧器从汽轮机抽汽, 可节省汽轮机抽汽35t/h, 则可增加发电功率7600k W, 按年2800h计算, 每年可增加发电量约2130万k Wh, 电费按0.6元/k Wh计算, 年增发电效益约1280万元。节约标煤8520t/a, 减排CO221300t/a, 年节省标煤量可得国家财政补贴255万元, 合计年增效益1535万元。光热设备初投资约9120万元, 设备投资回收期约6年 (未考虑土地成本) 。

3.2.5 光热系统与燃气-蒸汽热电厂构成联合循环发电

将槽式太阳能光热发电系统与燃气轮机发电系统相结合, 利用燃气轮发电机组发电, 燃气轮机尾气排入余热锅炉, 加热水工质, 产生蒸汽, 推动汽轮发电机组发电。光热系统直接产蒸汽, 与汽轮机高压缸排汽汇合, 进入中压缸。这种系统具有如下特点:

(1) 无需独立光热电站的储热子系统, 简化了总系统, 节省了设备投资。

(2) 对天然气燃烧尾气作了充分的余热利用。

(3) 主要适用于新建燃气-蒸汽热力发电厂, 增加光热系统, 组成太阳能-常规能源联合循环发电。

太阳能联合循环系统 (ISCC发电系统) , 可避免因自然条件造成的发电设施闲置问题, 较常规单一太阳能热发电厂和常规单一燃气-蒸汽联合循环发电厂而言, 总体热效率可提高。同时, “联合循环”能保证电站长时间稳定供电, 可增加电网的安全性。

自20世纪90年代ISCC系统研发成功投入使用以来, 已在埃及、美国等国成功运营。该系统适用于光热和油气资源都较丰富的地区, 在中国西北部地区有着广泛的应用前景。

亚洲首个槽式太阳能-燃气联合循环 (ISCC) 发电站建设于宁夏回族自治区盐池县高沙窝毛乌素沙漠边缘。该项目由宁夏哈纳斯新能源集团投资22.5亿元建设, 规划容量92.5MW, 2013年10月建成投产。项目建成后年发电量相当于节约标准煤10.4万t/a, 减排CO2 21万t。

4 太阳能光热发电市场前景展望

至2010年底, 全球已实现并网运行的光热电站总装机容量为110万k W, 在建项目总装机容量约1200万k W。欧盟、美国等发达国家或经济体都将太阳能光热发电作为可再生能源重要领域, 制定了2020年乃至更长远的发展目标。欧盟启动了“欧洲沙漠行动”计划, 计划在撒哈拉沙漠建设大规模太阳能电站向欧洲电力负荷中心输电。欧洲太阳能光热协会2005年发布的一份报告中预计, 到2040年, 光热发电将满足世界上5%的电力需求。

中国通过863、973计划对光热发电进行了基础研究和示范项目建设, 光热发电已被列入《产业结构调整指导目录2011版》。根据规划, 2011~2015年主要为技术验证和商业化起步阶段;2015~2020年为商业化规模化建设阶段;2020年后进入飞速发展阶段。预计造价将降低至1万元/k W, 光热发电成本将低至6美分/k Wh, 届时光热发电将如同现在的风电。

2012年10月26日, 国家电网出台太阳能发电免费并网的相关政策。五大发电集团的新能源公司纷纷投入光热领域, 在内蒙古、甘肃武威、新疆吐鲁番、青海格尔木、西藏等地开始光热的前期工作。

大唐电力和皇明联合体中标国内首个光热发电项目——内蒙古鄂尔多斯50MW槽式光热电站;华电集团与澳大利亚雄狮国际正在青海省格尔木合作开发100万k W光热发电项目。

国内企业从零部件开始切入光热产业链, 部分公司开始涉入光热发电。首航节能、航空动力、三花股份、杭锅股份、金晶科技、湘电股份、华仪电气、天威保变、亚玛顿等均进入该产业。一类是光热发电系统研发和系统集成商, 如天威保变和三花股份均已着手光热电站的项目规划工作;另一类是光热发电相关核心设备制造商, 包括研制斯特林太阳能发动机的航空动力和规模生产太阳能玻璃的金晶科技等。相关机构预计至2020年, 国内光热发电的装机有望突破1000万k W, 市场规模可达千亿元以上。

我国多处于中低纬度, 每年接收太阳辐射总量在3300~8300MJ/m2之间, 相当于2.4×104亿t标准煤, 太阳能资源十分丰富。其中西北地区尤其是青藏高原, 空气稀薄、日照时数长, 是我国太阳能资源最丰富的地区。因此, 我国具备开发太阳能热发电的先天优势。

在我国辽阔的西北部地区, 如内蒙、新疆、青海、宁夏、西藏等地区以及河北北部、山西北部、四川高原地区、辽宁西北部、吉林西部、黑龙江西部和山东部分地区, 有丰富的太阳能资源和良好的地质环境, 在这些地区开发利用太阳能光热资源具有得天独厚的自然条件。我们可以根据当地的能源具体分布情况, 采取不同的光热利用措施。

(1) 可建设大型光热电站, 发电并网, 满足本地区的工业和生活用电或者输送到其它缺乏电力的地区。可结合当地的风力资源条件, 建设风、光互补型的电站, 发电并网。

(2) 在有闲置空地的水泥厂, 可利用光热与水泥余热发电结合起来, 形成双能源联合循环发电, 从而可提高水泥余热电站的发电功率, 创造更大的节能效益。

(3) 在有闲置空地的钢铁厂, 可利用光热与烧结余热发电结合起来, 形成双能源联合循环发电, 从而可提高烧结余热电站的发电功率, 创造更大的节能效益。

(4) 在条件合适的火电厂, 可将光热系统与之有机结合起来, 形成双能源发电系统, 节约化石能源, 增加发电量, 节能减排、创造经济效益。

(5) 光热系统与油田燃气锅炉组成双能源联合循环发电/采油系统。油田有很多旧油井, 经过多年开采, 地下储油的浓度越来越高, 从而开采难度也越来越高。为了提高采油率, 传统的做法是用燃气锅炉产生的蒸汽注入废旧油井, 稀释浓油, 需要消耗大量的一次化石能源。可以利用光热与原来的燃气锅炉耦合构成双能源联合循环发电/采油系统, 与燃气锅炉有机组合和切换, 光热可以预热锅炉给水或者直接产生高压蒸汽, 用于发电或采油, 充分利用太阳能, 节省化石能源。

5 结论

生物质能发电技术综述 篇7

1 双馈感应风机的最大风能捕获和工作状态分析

与同步发电机类似地, 双馈感应风电机也可以写出相应的磁链、电压、功率以及电磁转矩方程 (在dq旋转坐标系下) 。与传统同步机不同的是, 双馈电机带有由全控器件构成的背靠背双PWM型变流器, 该变流器一侧连于发电机转子侧, 另一侧连于电网, 称为转子侧和网侧变流器。对DFIG, 可以通过矢量定向的手段, 分别进行转子侧和电网侧矢量控制, 在转子侧换流器矢量控制基础上再引入电压前馈补偿, 实现对风电机组有功和无功功率的解耦, 达到最大风能捕获的控制目标。最大风能捕获曲线图1 所示。

变速恒频风力发电机组, 通过变流器控制来实现电气控制部分, 桨距角控制来实现机械控制部分[5], 输出的风功率与风速v, 转子角速度 ωr, 桨距角 β 均有关系。根据风速和转子转速的不同, 风电机组的运行工作曲线致可以分为四个区间, 风电机输出功率的参考功率P*opt可大致由以下分段函数来表示[6]:

P*opt是最大风能捕获时风力机捕获的机械功率;Kopt为最大功率跟踪曲线比例系数;ω0为DFIG的切入转速对应的角速度;ω1为DFIG进入转速恒定区的初始转速对应的电角速度;ωmax为DFIG转速限值对应的电角速度;Pmax为DFIG输出有功功率限值;R为风机叶片半径;ωt叶片转动的角速度;CP为风机的风能利用系数;λopt为最佳叶尖速比;β 风机叶片桨距;V为风速。

一般情况下, 在 λopt为8~9 时, 风能利用系数可以达到最大值Cpmax即最佳风能利用系数, 约为0.59 左右。

P*opt的分段函数表明, 在时, 也就是DFIG转子转速小于切入转速时, 无论风速是多少, 双馈风机发出的功率都很小, 此阶段成为起动阶段, 此阶段的功率主要受转子转速的影响和制约;在时, 也就是转子转速增加到切入转速以后时, 风电机组工作在最大功率跟踪区保持最大风能捕获, 随着风速的变化, 风力机转速也不断改变以跟踪最大功率点轨迹, 此时风速和转速共同影响着输出的风电功率;随着风速增大以及转子转速的增加, 在时, 风力机进入转速恒定区, 此时转速变化范围很小, 即ω1和ωmax值很接近, 输出的风功率主要受到风速的影响;随着风速和转子转速进一步增加, 在时, 即转子转速超过了风力机转速限值时, 进入恒功率区, 该区域内风电机组引入变桨距调节, 减少捕获的风能, 维持风力机的转速和输出功率在限值之下。

在DFIG实现最大功率跟踪的过程中, 转子侧换流器的矢量控制仅根据风电机组转子转速变化来调节输出的有功功率。因此, 当电网中出现扰动时, 风电机组依然遵循基本的矢量控制指令对电网提供有功, 不能对系统有功变化做出动态响应, 也不能对系统提供惯性支持[7]。

2 双馈风机虚拟惯性控制法调频的现状

针对上述情况, 国内外学者纷纷展开了对双馈风机组虚拟惯性控制的研究, 利用转子转速可调范围大的特点, 充分挖掘风机组潜在的旋转动能, 使其可以在系统频率出现波动时参与频率调节。目前的双馈风机虚拟惯性控制方法主要分为两种, 一种是将系统频率的变化量直接引入风力力发电机转子运动方程中, 产生一附加的有功功率参考值, 使实际的电磁功率追踪经控制后新的参考功率, 不断调整双馈风机有功出力, 直接参与系统频率调整;另一种是将系统频率变化量引入为最大功率跟踪曲线比例系数中, 对此系数进行优化, 这样就可以保证在最大功率追踪的同时使得DFIG参与系统频率调节, 即基于功率跟踪优化的双馈风机虚拟惯性控制, 以下分别对两种方法的原理做以分析。

2.1 双馈风机传统的虚拟惯性控制原理[8.9]

发电机的转子动能:

j是机械转动惯量, ωr是转子角速度。当 ωr发生变化时, 可以释放或者吸收转子动能。风电机可变化的功率即频率变化时风机释放动能:

发电机惯性时间常数:

将式 (7) 代入式 (6) 后两边同时除以Sn标幺值化:

因频率由转子转速决定, 因而用频率变化率代替转速变化率:

采用虚拟惯性控制后, 引入产生附加参考功率:

可以看出, 在系统频率发生变化时, 双馈感应风机电磁功率的参考值随之发生变化, 附加的电磁功率来自于转子吸收或者释放的动能。在次控制策略下, 系统频率变化时刻影响着DFIG功率输出, 使得双馈风机可以参与到电网频率的动态调节中来。实践证明k1取30 左右, k2取0.1 时, 调节效果较好。

2.2 基于功率跟踪优化的双馈风机虚拟惯性控制[10]

基于功率跟踪优化的DFIG虚拟惯性控制是在系统频率发生变化时, 力图在短时期内优化最大功率跟踪曲线, 将系统的频率变化引入比例系数中, 使得双馈风机运行在经过虚拟惯性控制以后的曲线上, 在频率变化不断修正恢复到正常范围内时, 再回到原最大功率跟踪曲线的一种方法。修正方法如下:

Kopt1是优化后的最大功率跟踪曲线系数;ωro是转速调节前风机初始角速度;λ 是转速调节系数;f是系统实时频率;fn是系统额定频率。其中:

为了功率跟踪曲线工作的稳定性, 对Kopt1要实行限幅。可以看出, 在系统频率降低时, f小于fn, ωro加上一个负数值变小, Kopt1变大, 风电机组运行在使得电磁功率瞬间增大, 提供有功支持, 此时风电机发出电磁功率大于风力机捕获机械功率, 转子开始减速, 释放动能。随着转子转速的降低, 输出的电磁功率缓慢降低直至恢复初始的功率跟踪曲线。当系统频率升高时与上述过程相反。由此看出, 该方法也可以对系统频率变化起到动态支持作用。

结束语

本文提到的两种双馈风机虚拟惯性控制方法均可以起到对系统频率变化提供动态支持的作用, 但无论哪种方法, 由于虚拟惯量控制并不能改变原动机的输入功率, 因此只能提供短期功率支撑。除此之外, 还应注意的是, 如果惯性控制参数较大, 可能对系统内功率振荡衰减特性产生明显的影响。因而该控制方法应注意尽量避免对交流电网的振荡产生负阻尼作用, 解决方式一般是将该调频方法与超速控制调频法和阻尼控制调频法结合起来起到完善与优化的作用。

摘要：随着风力发电的大规模迅速发展, 风电机组的运行状态对电力系统稳定运行带来的影响引起越来越多的关注。目前我国多采用双馈反应发电机组 (doubly fedinduction generator, DFIG) , 机组运行时由于其换流器结构的存在, 使得转子转速与电网频率解耦, 对电力系统的惯性贡献很小[1]。因此, 挖掘其“隐藏”惯量, 使其在系统频率变化时作出响应成为解决风电调频的关键。双馈风电机组的虚拟惯性调频方法应运而生, 本文对目前该种调频法的提出过程做以研究;原理做以总结;方法做以分类;结果做以分析。

关键词：双馈风机,功率跟踪,惯性控制,调频

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生物质能发电技术综述 篇8

关键词：发电,电力可再生能源,生物质生物质发电,燃料特性,燃烧分析

传统的煤炭等其他可发电能源的逐渐短缺, 并且这些不可循环资源的利用对环境的污染也比较严重。如果不加以制约和改善, 必将制约国民经济社会的可持续发展和我国国民的生活质量。根据我们国家有很多生物质资源的国情, 有很多可以作为重要的替代补充能源的可再生能源如风能、太阳能、水能、生物质能等等, 都是我国的宝贵财富。我国地大物博, 拥有丰富的绿色环保的天然资源, 所以说, 如果能够合理的开发和利用这些能源, 将大大推动我国的国民经济发展和社会发展。在所有的可再生能源中, 生物质直燃发电产业化前景非常广阔。生物质发电不但不会对环境产生什么负面作用、而且所发的电能质量比较好、技术的可靠性高还比较成熟、综合效益也很好。

我国各个地区无论从地理、气候、作物种类还是从农村经济、文化、生活习惯等方面, 差异都很大, 一方水土养一方人。秸秆发电产业这一个产业不可能依靠单一国有技术的技术来支撑, 其基础是靠技术的多元化支持的。

每种技术都有自己的优点和缺点, 所以在选择合适的技术路线时, 我们必须因地制宜, 根据项目所在地的实际情况, 选择最合适最便宜最有效的方法。中国的生物质直燃发电技术产业的已经变得越来越好, 我们可以看到全国生物质直燃项目在在全国建好和正在筹建的已达45个项目。总而言之, 生物质直燃发电技术的清洁生产在我国甚至全世界有着广阔的发展前景。

1 发展前景

我国电力行业发展生物质发电产业的一个特别的重大优势是我国可以结合生态建设种植农作物的林地有5400多万hm2。大力发展生物质直燃发电技术的清洁生产技术在电力产业是可以突破经济社会发展资源环境制约的重要途径。利用生物质再生能源如农产品加工废弃物 (稻壳、玉米芯、花生壳等) , 发电是解决能源短缺的重大举措。

根据相关人员预测, 生物质直燃发电技术的清洁生产到2025年之前在电力行业占据非常非常重要的地位。大力发展实施生物质直燃发电技术的清洁生产, 一方面不但可以大大降低因为燃烧对环境严重的空气污染, 对环境的污染的影响力是非常小的, 另一方面还可以大大降低二氧化碳和二氧化硫排放量。

2 发电形式

2.1 燃烧发电

通俗的讲, 直接燃烧发电是把生物质直接放在在锅炉中直接燃烧后所产生的蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电。

2.2 混合发电

生物质直燃发电技术的清洁生产有的是将生物质直接与煤混合后投入直接混合燃烧后进行发电, 但遗憾的是, 并不是所有燃煤发电厂都能采用这种方式进行发电, 因为它对于燃料处理和燃烧设备要求有点高;有的是先将生物质气化, 产生的燃气与煤混合后在混合燃烧系统中燃烧, 采用燃烧后所产生的蒸汽进行发电。

2.3 气化发电

燃气净化是生物质直燃发电技术的清洁生产的重要环节, 因为气化出来的燃气都含有灰分、焦炭和焦油等众多有害杂质, 需保证发电设备的正常运行就要把气化出来的气体经过净化系统把杂质除去后才可以。我国又有一种新的发电技术是指将生物质在气化炉中转化为气体燃料经净化后直接进入燃气机中燃烧发电或者直接进入燃料电池后在进行发电。

2.4 沼气发电

沼气发电的主要原理:利用工农业或城镇生活中的大量有机废弃物经厌氧发酵处理产生的沼气进行发电。

2.5 垃圾发电

垃圾发电被认为是最具有前景的垃圾发电技术, 包括垃圾焚烧垃圾发电和垃圾气化发电, 这不仅解决了垃圾处理的问题, 同时还节约资源和利用了垃圾中的能量是很受欢迎的垃圾处理方法。他是利用垃圾所产生的热量进行发电。

3 未来展望

生物质直燃发电技术的清洁生产, 首先是在我们国家得到法律和政策的支持, 可再生能源尤其生物质能在现代能源中的地位在我国政府已经在逐步提高。从2006年1月1日起《可再生能源法》法律的正式实施中可以体现, 另一方面, 生物质直燃发电技术的清洁生产将得到进一步的优化, 对生物质直燃发电技术的清洁生产得到市场效应具有很大的促进作用;我们国家正在不断的建立和完善可持续的、市场化的推广生物质能发电综合性服务网络是第二步的支持, 把国外先进技术和经验学习过来, 制定国家级生物质能直燃发电工程技术规范, 进一步完善国家的技术指标;第三方面, 大力鼓励研究院所和企业之间的密切友好合作, 建立我出我们国家自己的生物质能发电技术设备保障体系, 开发出符合我国国情具有自主知识产权的生物质能发电设备及配套设施。借鉴发达国家生物质直燃发电技术的清洁生产的技术以及我们国家对再生能源的优惠政策导向, 我相信, 我国的生物质能发电产业在不久的将来将会有飞跃性的变化。

4 结语

这篇文章讨论了生物质能发电技术清洁生产的应用应运领域和其相关政策导向, 得出结论:有效合理的利用生物质能源的方法就是发展生物质气化发电技术, 将我国丰富的生物质能转换为文明的燃料改善了我国的能源结构, 也是从矿物燃料为主到可再生能源为主能源系统转变的一个重要举措。生物质能发电总装机容量力争在2020年达到1600万k W, 将会让我国达到一个双赢目标:解决我国电力短缺与生物质能源的合理利用。

参考文献

[1]惠枫.中国可再生能源发展论坛在京隆重召开[J].可再生能源, 2006.