新能源发电及并网技术--山东电力研究院 电气工程研究所.ppt

新能源发电及并网技术 Technology of New Energy and Paralleling operation,孙树敏 Sun Shumin 13805403338 山东电力研究院 电气工程研究所 E-mail: ,直流输电技术介绍,风力发电及并网技术,光伏发电及并网技术,核电技术简单介绍,未来风电技术发展的展望,风力发电并网中的关键技术,现代风力发电技术的发展概述,风力发电及并网技术,风力发电的基本原理及结构,中国是一个能源资源相对贫乏的国家，人均占有能源资源仅相当于世界平均数的一半。,中国的能源状况,我国化石能源的结构：石油、天然气资源数量明显低于世界平均水平,资源构成以劣质能源为主。,中国的能源状况,我国电源装机及发电情况,1、风力发电的基本原理及结构,1. 风力发电的基本原理及结构,1.1 风力发电机组的基本原理及结构,1. 风力发电的基本原理及结构,1.2 风力机的类型,1. 风力发电的基本原理及结构,1.2 风力机的类型,1. 风力发电的基本原理及结构,风力机基础理论,贝茨（Betz）理论 假定风轮是理想的，没有轮毂，叶片无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。纯粹的能量转换器。 根据该理论可以计算风轮获取的风能和功率。,叶素理论 把叶片分割成无限多个微元，每个微元都是叶片的一部分，每个微元的长度无限小。用于分析微元的空气动力学特征。,动量理论 应用该理论去研究风力发电机组各部件的运动规律及运动状态的理论。,1. 风力发电的基本原理及结构,1. 风力发电的基本原理及结构,1. 风力发电的基本原理及结构,风力发电系统的基本结构和工作原理,离网型,并网型,1. 风力发电的基本原理及结构,恒速恒频风力发电系统,1. 风力发电的基本原理及结构,变速恒频风力发电系统,1. 风力发电的基本原理及结构,变速恒频风力发电系统,G128-4.5MW 半直驱,2008年底Gamesa 在西班牙 Cabezo Negro安装了半直驱的G128-4.5MW风电机组.风轮直径 128米，机头重量250吨 传动系统采用紧凑型设计，包含主轴（双轴承）、两级齿轮箱(1:37)和永磁同步发电机； 多变量控制系统：减少叶片振动和载荷。,2、现代风力发电技术的发展概述,我国陆地10米高度年平均风功率密度分布图（W/m2）,我国电能输送流向图,东 北,西 北,南 方,西 藏,哈密,酒泉,吉林,江苏,河北,蒙西,蒙东,“三华”受端 电网,辽宁,千万千瓦级风电基地跨区域输电方案,3、风力发电并网中的关键技术问题,大规模风电接入电网的影响,对调峰调频 能力的影响,对无功功率 平衡与电压 水平的影响,对电能质量 的影响,对稳定性 的影响,风电并网存在的相关问题,1、并网运行问题 （1）调峰问题 风电出力具有随机性、间歇性，反调节特性明显，增加系统调峰难度。,负荷曲线,风电出力曲线,（2）电压控制问题 我国风电接入地区大多处于电网末端，风电功率的大幅度变化，导致电网运行电压调整十分困难，影响系统电压稳定。,由于风电出力快速增长，导致白城电网同发风电场母线电压最低下降到213kV，并大幅波动。,（3）安全稳定问题 风电大规模并网后，电网稳定运行的风险增加。,系统潮流多变，断面运行控制困难； 系统惯量下降，动态稳定水平降低； 故障后风电无法重新建立机端电压，导致电压失稳； 风电机组没有低电压穿越能力，在系统扰动造成电压的瞬间跌落时，风机自行脱网对系统造成冲击。,（4）电能质量问题 风电出力的随机波动会引起电压波动和闪变，风机中的电力电子设备会给电网带来一定的谐波污染，导致电能质量下降。 风电场多次发生电压波动和电压闪变超标现象。 风电场出力大幅波动，引起附近35千伏母线电压越限。,风电穿透功率小于5%时，风电对电网调度的影响不明显，此时可配置风电功率预测系统及资源实时监测系统 风电穿透功率5%-10%，明显感受到风电出力对发电计划的影响，此时可配置风电调度日前计划系统 风电穿透功率10-15%，可能出现限风电现象，此时可配置日内滚动计划系统 风电穿透功率超过15%，将对调度运行产生极大压力，应具备完整的风电调度支持系统,预测系统结构,41,我国当前新能源接入系统技术上存在的主要问题: 由于电源结构而导致的调峰能力问题。 电网资源配置能力难以满足千万千瓦风电基地远距离电力外送问题。 风电机组并网电气性能问题。 新能源发电功率预测及调度决策支撑系统问题。 技术标准与检测认证体系问题。 配电网建设适应新能源发电分布式接入问题。,4、未来风电技术发展的展望,（1）风电发展缺乏系统整体规划。风电发展目标十分宏伟，但对风电与其它电源、风电与电网的协调发展问题研究不够，有待结合电力系统的整体规划，进行深入研究。,风电发展规划问题,（2）目前规定5万千瓦以下的风电场由地方政府审批，由此带来风电项目拆批现象严重,根据相关统计结果： 2008年，全国共核准风电场199个，装机容量1167万千瓦；其中装机容量为4.95万千瓦的风电场139个，占70%，装机容量688万千瓦，占60%。,风电发展规划问题,千万千瓦级风电基地规划10 GW size Wind Power Base Planning,甘肃酒泉,吉林西部,江苏沿海,河北,新疆哈密,蒙东,蒙西,七大风电基地2020年的风电装机将达到1.3亿千瓦，2030年将达到1.9亿千瓦。此外，山东也提出规划建设沿海千万千瓦级风电基地（已获批）。,单位：万千瓦,优势： 风能资源稳定丰富 不占用土地空间 技术难题： 海上风资源评估，气象参数难测定 海上风电机组设计注重可靠性 海上风电送出问题 海上风电面临台风危害,风电技术研究、设计咨询和服务业相继发展,为求风电技术创新，一批国家高等研究单位如中国科学院、中国电科院，学府如清华大学，华北电力大学等和各大型企业的研发机构对风电技术包括理论研究和风电机组气动、结构、传动、控制、材料以及风电场的并网特性等方面，开始进行全面深入研究，以期有所大突破； 顺应风电发展的需求，我国已水规院、电规院， 东北、华北西北、华东、中南以及各省级国家大型有关电力的设计咨询机构全面进军风电设计领域，承担风电场设计的重大任务； 与此同时，风电行业的学术组织、协会组织，信息、中介、认证、试验以及专业运行、维修等风电服务机构也相继建立并发挥越来越重要的作用。,风电机组及风电场并网测试,Wind power plant performance solutions 风电场的性能解决方案,风电机组及风电场并网测试,1、 山东电网风电调度管理规定（试行）,2、 山东电网新建风电场并网验收流程,3、山东电网风电场并网验收测试规程（试行）,未来光伏发电技术的发展前景,国内外光伏发电的发展概况,光伏发电原理及基本知识,光伏发电及并网技术,1、光伏发电原理及基本知识,太阳能电池光伏效应 光生伏特效应简称光伏效应，指光照使pn结产生电位差的现象。,太阳能应用： 光伏 光热 光热发电,Wp（峰瓦）：指太阳电池组件，在标准测试条件下（1000W/m2的太阳光照射、AM1.5、25）的额定最大输出功率。,光伏电池的I-V曲线,辐照度：太阳光在单位面积上照射的能量。MJ/M2 转换效率：把太阳能转化为电能的百分比。单晶 18%，多晶16%，薄膜6% 倾角：与地面夹角 峰值日照时数:太阳辐射能量的有效时间段 平均日照天数：每年太阳辐射能量的有效天数,峰值日照时数,例如： 年太阳辐射总量约5103MJ/平方米，可换算出每天平均峰值日照时间为4.52h，平均日照天数约308天。1Wp年可发电量为4.52*308=1.39kWh，7MWp光伏电站年发电量约975万度电。,中国的五类区域： 1、西藏新疆 2、西北东北华北西南部分（包括东营滨州） 3、华东中南（山东大部） 4、华南 5、四川重庆贵州 跟：辐照度、峰值日照时数、平均日照天数有关,太阳电池和太阳电池组件,组件结构,电池结构,支架种类： 固定式 平单轴 单轴跟踪 跟踪式 斜单轴 双轴跟踪,固定式 太阳高 度角和 方位角 不变,双轴太阳能追日系统 太阳电池组件 始终垂直太阳 光线，与固定 式相比可提高 40%发电量,平单轴太阳能追日系统 太阳电池组件 始终垂直太阳 高度角，与固 式式相比可提 高25%发电量 适用于赤道 地区,斜单轴太阳能追日系统 太阳电池组件 始终垂直太阳 方位角，与固 定式相比可提 高25%的发电 量,建筑物安装,不同位置发电效率,逆变器,逆变器MPPT跟踪 由于太阳电池收到光强以及环境等外界因数的影响，其输出功率随光照强度的增加而增加，减小而减小。逆变器MPPT跟踪技术充分的利用太阳电池，使之运行在最大功率点。当环境发生变化时，太阳电池的功率发生变化，逆变器的输出功率也发生变化。,温度特性：随着温度降低，转换效率变高,光伏产业链,光伏产业链,光伏太阳能发展的技术优势 光伏发电是光子与电子的直接转换，纯物理过程不排放 任何有害物质，对环境友好； 可与 建筑物结合，节省土地资源； 在地面建设不影响生态； 光伏发电性能稳定可靠，维护成本低，使用寿命长（ 25年以上）。,光伏产业链,材料资源优势： 硅元素在地球中的含量丰富（在地球中的丰度为25.8% ，排第二），无毒，性能稳定。 能量回报率高： 能源回收期目前2年左右，未来可以降低到1年左右，寿 命30年以上，属于高能量回报率发电放电方式。,光伏产业链,太阳能发电与用电负荷高峰时间基本吻合,光伏产业链,光伏太阳能发展的劣势 1、成本：现在是火电成本的3-5倍。 2、发电时间：不平均,光伏产业链,大型地面并网电站,光伏产业链,用户侧并网电站,光伏产业链,防逆流光伏发电系统,光伏产业链,离网独立光伏发电系统,光伏产业链,光伏产业链,由于太阳电池组件在阴雨天发电量小，无法满足负载的用电要求，故需要蓄电池进行储能。通过蓄电池来满足系统阴天天的供电，增加了系统的成本，所以大型地面光伏电站是太阳能光伏发电的趋势。,2、国内外光伏发电发展概况,光伏发电未来战略主导地位,光伏发展概况,2009年世界和欧洲太阳光伏市场,2001-2009世界主要国家和地区光伏系统安装量,德国对光伏发电成本的预测 2017年光伏发电成本与常规发电成本相交,美国对光伏发电成本的预测 2015年前后光伏发电成本与常规发电成本相交,光伏发电补贴模式： 欧洲：补贴上网电价，如德国最初为每度0.40.6欧元。 美国：补贴电价 中国：补贴投资发展方向为补贴电价。,我国光伏产业及市场发展状况 多晶硅产业发展状况 20052008年中国多晶硅产量及需求 吨 2009年我国多晶硅产量将超过万吨，供应仍不足，但渐趋缓和。 (发改委科技部关于多晶硅产能是否过剩之争）,组件制造 2007年我国成为光伏组件最大生产国。 2008年年我国光伏组件产量占世界总产量的32.9%。 2009年达到世界产量一半以上。 2010年预计达到世界产量的近70%,我国光伏发电系统装机容量,3、未来光伏发电技术的发展前景,中国对太阳能发电的支持是渐进式的： 1、 2006年1月1日可再生能源法正式实施。太阳能发电电价采用“一事一议”政府定价原则 。 2、 2009年3月23日，国家对部分光伏建筑进行每瓦最多20元人民币补贴。 3、 2009年7月21日，国家实施金太阳工程，在2-3年内，对太阳能发电投资补助50%-70%。,2009年金太阳示范工程 审批部门：财建2009397号，有财政部、科技部、国家能源局职能部门颁发 审批规模： 本次全国申请容量为642MW 共275个项目，其中山东省 7个项目 21MW 补贴内容： 1.并网光伏发电项目原则上按光伏发电系统及其配套输配电工程总投资的50给予补助；2.偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的70给予补助。,今年国家光伏政策： 住建部：每瓦补贴1315元。 金太阳二期： 272兆瓦。同时确定北京经济技术开发区等13个开发区或工业园区作为太阳能光伏发电集中应用示范区。 特许权招标：西部八省区，280兆瓦。上网电价0.70.9元每瓦。 东部特许权？-招出上网电价（类似于风电）,不仅如此，各省也陆续出台相应的政策鼓励光伏电站建设。例如：宁夏自治区出台统一上网电价，规定光伏上网电价为1.15元/千瓦时；江苏省、山东省陆续出台光伏鼓励政策，规定2010年上网电价为1.7元/千瓦时、2011年和2012年的上网电价分别为1.4元/千瓦时和1.2元/千瓦时。,山东省是我国最大的能源消耗省，而山东省的化石资源（石油、天然气煤他、煤炭等）已近枯竭。可再生能源将在山东省的能源结构中占有越来越大的比重。 在可再生能源中，水、风、太阳是主要能源形式。山东省地势较平坦，基本无可利用水资源；山东省主要风场分布在环渤海一带，目前已被五大电力公司分割过半；剩余可利用的只剩太阳能资源。,山东省光伏发电概况,山东省光伏发电概况,光伏发电系统建设需用大量的土地资源，山东省是黄河入海的地方，由于地理位置的特殊性，每年可生成3万亩土地，山东省内滨州、淄博、潍坊、东营市拥有大量的闲置土地。这些土地多为盐碱滩涂地，无其他开利用价值，且地形平坦，成片出现。这就为光伏电站的建设提供了得天独厚的地理条件。,山东省光伏发电概况,根据山东省气象局历年资料统计，山东省年日照时数在国内属太阳能资源三类地区。而东营滨州等地为太阳能资源二类地区，具有较好的太阳能利用价值。为光伏电能转换提供了优越的气候条件。 山东省电网变电站分布均匀；输送电距离短；电网接入方便，为光伏电站的建设提供了便利条件,山东省光伏发电概况,山东省发展光伏产业比南方（江、浙、沪一带）拥有好的资源优势，比西部拥有好的区位及电网优势。光伏发电在山东省有着良好的发展前景。2009年以来山东省先后出台了多项政策，着力发展太阳能行业。,山东省光伏发电概况,2009年底，山东省出台政策，对在省内屋顶光伏发电给予10元/W的补贴。 对于LED与光伏结合的应用，给予5元/W的补贴,山东省光伏发电概况,2010年6月21日，山东省政府办公室下发关于扶持光伏发电加快发展的意见的39号文件。文件明确指出：东营、滨州两地有大面积的未利用荒碱、滩涂地，非常适合建设大规模光伏电站。济宁等地有大量废弃矿山，也适合建设大规模光伏电站。并确定了未来几年的光伏电价补贴。,山东省光伏发电概况,按照文件要求，上网电价实行国家、省、市三级分摊的办法。2010年地面光伏电站目标电价确定为1.7元/千瓦时，2011年和2012年地面光伏电站目标电价确定为1.4元/千瓦时和1.2元/千瓦时。随着这些政策的逐步实施，未来几年山东省的光伏发电项目必将得到快速发展。,光伏电站并网验收测试,1、 山东电网光伏电站调度管理规定（试行）,2、 山东电网新建光伏电站并网验收流程,3、山东电网光伏电站并网验收测试规程（试行）,新能源是朝阳产业New energy is a sunrise industry,一期工程建设2台AP1000百万千瓦级压水堆核电机组,660kV银东直流简介,直流输电系统分类,直流输电技术介绍,直流输电的定义,1、直流输电的定义,在高压直流输电（HVDC）系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。,交流输电,直流输电,直流输电是电厂发电交流形式输送至换流站整流成直流，通过直流线路送至另一换流站，将直流逆变成交流，然后以交流的形式输送给用电用户。 即ACDC-DC AC,换流站II,交流系统 I I,直流输电线路（以架空输电线路为例）,按照工程性质来分： 1）远距离大容量直流架空输电线路工程 2）跨海峡直流海底电缆工程 3）向大城市送电的直流地下电缆工程 4）向孤立的负荷点送电或从孤立点送电至电网 5）背靠背直流联网工程,2、直流输电系统分类,按照工程结构来分： 1）两端直流输电工程 （a：单极 b：双极 c：背靠背） 2）多端直流输电工程,a.单极系统 单极系统，只有一极导线或者两极导线中只有一极导线上有电流在输送电能。 单极系统可以采用正极性或者负极性，换流站出线端对地为正则为正极，为负则为负极。一般采用负极，因为电磁干扰和可听噪声因素。 因其回线方式不同有大地回线、金属回线、双导线并联大地回线等3种方式。,两端直流输电工程,b.双极系统 双极系统因中性点的接地方式不同有三种类型 1）双极两端中性点接地； 2）双极一端中性点接地； 3）双极金属中线,c.背靠背直流系统 特点：没有直流线路的HVDC系统。 主要作用：实现两个不同额定频率交流系统的联网,1换流变压器，2换流器，3平波电抗器,将直流系统联接到交流电网上的节点多于两个时，就构成了多端高压直流系统。 分为串联和并联两种形式。 串联式MTDC：多个换流器串联于直流网络中，公共（直流）电流流经所有换流器的MTDC。,多端直流输电系统,并联式MTDC：多个变流器并联于直流网络中，共有一个直流电压的MTDC。包含：辐射状直流网络型MTDC、网状直流网络型MTDC。,3、直流交流输电比较,4、660kV银东直流简介,工程概况： 银东山东660kV直流输电工程西起银川东换流站，东至青岛换流站，输电距离约1335km，直流额定电压660kV，直流额定电流3030kA，输送功率4000MW，2008年12月开工建设，2011年2月底双极投运。工程把西北黄河上游水电和银东火电“打捆”送往能源消耗大省山东，输电能力4000MW，每年可节约原煤1120万吨，减少二氧化硫排放5.7万吨。 银东660kV直流工程是双极直流系统，包括2个完整单极，每个完整单极由1个12脉动换流器构成。设备绝缘水平接近于800kV直流输电工程。每极每端布置4台电感值为75mH的平波电抗器，其中1台布置在直流极线上，另外3台布置在中性母线上。,换流站工作原理 要实现直流输电必须将送端交流电转换为直流电，称为整流；而受端又必须将直流电转换为交流电，称为逆变，整流、逆变统称为换流。 主要设备：换流变压器、换流器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿电容器组等。,青岛换流站,直流场配电装置,晶闸管阀塔,银东直流控制系统 1）极控系统 2）交流站控系统 3）直流站控系统,极控系统原理图,银东直流保护系统 换流器保护 极保护 双极保护,保护三取二原理框图,核电技术介绍,核能在能源系统的地位与作用,中国核能发展,核反应堆与压水堆核电厂基本原理,核能在能源系统的地位与作用,人类能源结构三次重大的演变： 18世纪60年代：煤炭逐步替代了木柴； 20世纪20年代：煤炭转向石油和天然气； 20世纪70年代：石油、天然气，煤，核能和再生能源等多种能源结构； 21世纪主要能源：核能,世界核电的发展大体可分为四个阶段: 19541960年：试验阶段； 19611969年：实用化阶段； 1969年至二十世纪70年代末：大发展阶段； 二十世纪80年代至二十世纪末：低潮阶段； 二十一世纪开始：复苏阶段。 电力结构： 目前世界上有核电站441座，总装机容量3.6亿千瓦。平均核电发电量占总电量比重为17。 有核电的国家和地区是32个，核发电超过30有16个国家。法国85，比利时（593），瑞典（516），英国23，俄罗斯16，日本34，美国20，中国1.5%。（美国仍第一核电大国，核电站109个，装机容量占全世界的三分之一。其次是法国、前苏联、日本和德国。）,中国核能发展,中国能源结构的特点及矛盾： 能源结构方面以煤为主体，煤炭资源有限，不可能作为长期主要能源；油和天然气和水电资源很不丰富； 能源资源分布与工业布局不平衡，而且正好相反。煤的运输量大，由煤造成的运输紧张状况不可能解决； 煤炭的污染严重，我国的环境将无法承受。 发展核能是中国的必然选择： 需求：2020年中国GDP翻两番（4万亿美元），需要电力8亿9亿千瓦，目前国内已有装机容量是3.5亿千瓦，需要新增量4.5亿5.5亿千瓦。,核电相比其他能源特点： 和传统的火电相比,核电无论在发电成本还是在上网电价的利润上，都有明显的优势。 和传统的清洁能源水电，风电相比，虽然水电，风电在单价利润中占优，但是水电，风电年发电利用小时数还不到核电的一半，全年满负荷运转情况下，核电仍然在经济效益中占优。,中国核电发展现状,目前国内在建核电站统计,国内拟建核电站,核反应堆与核电厂基本原理,反应堆的基本工作原理： 核反应有聚变反应和裂变反应 核燃料：铀-235、铀-233、钚-239 235U+1n140Ba+94Kr+21n+200MeV 每1g铀裂变所释放出来的能量相当于 2700kg标准煤燃烧时发出来的总能量。 每产生100万千瓦的热功率，则 需要消耗1.22千克的铀-235。,核反应堆的分类: 轻水堆（包括压水堆和沸水堆） 重水堆 气冷堆 快中子增殖堆 聚变堆聚变堆 现在使用最普遍的民用核电站大都是压水反应堆核电站，海阳核电一期工程建设2台AP1000百万千瓦级压水堆核电机组 。,核电站原理流程图,核电厂原理： 核电即利用原子能（目前为核裂变）发电的技术，它与传统的火电具有一定的相似性，即都是对水加热形成蒸汽而后推动汽轮发电机组生产电能。 一个核电机组大体上可以分为三部分核岛（NI,利用核能产生蒸汽）、常规岛（CI,利用蒸汽发电）、辅助设施（BOP,指为核岛和常规岛配套的设施）。 、,核电厂基本原理,压水堆核电厂基本原理,现在使用最普遍的民用核电站大都是压水反应堆核电站，它的工作原理是：用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动发电机旋转。,第一类是牵涉到核安全的安全系统：安全注入系统、安全壳喷淋系统、辅助给水系统和安全壳隔离系统。 第二类是保证反应堆和压力回路正常启动、运行和停堆的核辅助系统：化学和容积控制系统、硼和水的补给系统、余热排出系统、反应堆和乏燃料水池冷却和处理系统、设备冷却水系统、核岛应急生水系统、蒸汽发生器排污系统、硼回收系统、核取样系统、核岛排气和疏水系统和核岛冷冻水系统。 第三类是回收和处理放射性废物以保护和监视环境的系统：废液处理系统、废气处理系统和固体废物处理系统。,压水堆核电厂安全和辅助系统,谢谢,