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可再生能源独立发电系统简介

时间:2012-06-19 16:43来源:未知 作者:admin 点击:
摘要:可再生能源发电主要指风力发电、光伏发电、氢能等能源发电形式。该文介绍了新型可再生能源独立发电系统的基本结构、特点、设备选型、输配电系统、电气主接线等有关问题。 关键词:可再生能源;独立发电系统 1 独立可再生能源发电系统的结构 独立可再生能源发电系统,

 摘要:可再生能源发电主要指风力发电、光伏发电、氢能等能源发电形式。该文介绍了新型可再生能源独立发电系统的基本结构、特点、设备选型、输配电系统、电气主接线等有关问题。

关键词:可再生能源;独立发电系统

1 独立可再生能源发电系统的结构

        独立可再生能源发电系统,按能源的构成形式可分为单一能源发电系统和多能源互补式发电系统;按有无储能设备可分为有储能系统和无储能系统。图1为单一可再生能源发电系统结构,图2为多能源互补独立发电系统结构。


图1 单一可再生能源发电系统结构


图2 多能源互补独立发电系统结构

2 独立可再生能源发电系统的特点

         独立可再生能源发电系统区别于常规的电力系统,具有它自身的特点。分析它的特点,对于判断系统可能存在的问题,选择合适的分析方法和提出解决问题方案都有很重要的意义。

         发电系统的电力由风力发电机组、太阳能光伏电池等获得,在发电能源获取形式上分属于风力或太阳能等类型。因此,它们分别具有风力发电系统、光伏发电系统等所具有的特殊结构和特点,同时整个系统在运行方式等方面也具自身特有的特点。

因为它采用风能、太阳能等为能源,同时又采用常规的交流输配电技术,故决定了系统具有采用电力电子变换装置以及直流和交流的系统并存的特点。

区别于常见的小型供电系统,以及并网运行的分布式电源系统,它具备系统结构相对完整的特点,包括发电、输配电、用电和控制保护系统。

它还具有常规独立电力系统的特点,如具有系统独立、容量有限、调节能力低等。这些特点,在分析独立电力系统的稳定性问题时,尤其重要,是影响这类系统稳定性最重要的因素之一。

3 独立可再生能源发电系统设备选型

3.1 风力发电系统

         风力发电机组的选择与当地的风能资源密切相关,风能资源以年有效风能量密度衡量。在采用多种能源供电的情况下,对风能资源丰富区,系统的总功率应主要分配到风力发电机上;对于风能资源较丰富区,系统的总功率应根据其他可再生能源资源(如太阳能)状况为风力发电机组分配合适的功率。

充分考虑从风力发电机组输出端到用户端电能传输、变换及利用的效率。风力发电机组输出端提供的最小保证电量为

E w= E0KD / η

式中 Ew——风力发电机组年最小保证发电量,kWh;

E0——负荷耗电量,kWh;

KD——用户提出的风电供电百分比;

η——风能传输效率,0.6~0.9。

在初选风力发电机组容量时,通常应假设一个设备年利用系数K q,对于100 kW级风力发电机组来说,Kq值随当地风力资源的不同情况,其值况在0.21~0.30之间变化。

风力发电机组初选容量公式为

PN = Ew/(8760Kq)

此外,风力发电机组的选择还要考虑其运行可靠性、安装维护的方便性、启动风速等因素,风力发电机组最好应具有自动调速、超速自动保护等功能,以提高整个系统可靠性和安全性。

3.2 光伏发电系统

光伏发电系统容量的确定要以系统所在地区的地理环境、太阳总辐射量等因素为依据,光伏发电系统的装机容量由下式决定

H≤0.2778 WQb

式中 H——用户用电量,kWh;

W——电站装机容量计算值,kW;

Qb——太阳能年总辐射量,MJ/m2

R——方阵表面接收到的太阳能年总辐射量与水平面年总辐射量比值;

η ——系统总效率。

3.3 控制器、逆变器的选型

        控制器是电站的主要设备之一,作用是对充放电进行控制、监测,要求设备具有较完善的测量和保护功能。逆变器功能是将直流电变换成交流电,具有断路、过流、过压、过热等保护功能,逆变器容量由下式确定

P = LNB /(SM)

式中 L——负荷功率,kW;

N——用电同时率;

B——逆变器负荷率;

S——负荷功率因数;

M——各相负荷不平衡系数。

3.4 燃料电池容量的计算

由于燃料电池投资大,运行费用高,在独立可再生能源发电系统中,可采用保障基本负荷连续供电容量计算。

计算公式为Pfuelcell = P0(1+δ)

式中 Pfuelcell ——燃料电池容量;

P0——基本负荷;

δ ——电功率裕度,可取0.2。

4 独立可再生能源发电系统储能方式

        对于独立运行的风力发电和光伏发电系统,系统供电受季节与气象条件的影响是其固有的弊端。通过储能单元来调整发电系统的发电与供电之间的时间差,是减少自然条件影响,保证连续稳定供电的主要手段。因此,研制高密度、低成本、长寿命、无污染的储能系统,减少发系统对自然条件的依赖性,提高发电系统的供电稳定性,是普及可再生能源发电技术的重大课题。到目前为止,人们已经探索和开发了多种形式的储能方式,主要可分为化学储能、物理储能和超导储能,图3为目前存在的主要储能方式。图 4为各种储能技术的主要应用领域,分为电源质量调节和不间断电源、备用电源、能源管理三个层次。


图3 目前存在的主要储能方式


图4 各种储能技术的主要应用领域

        表1储能装置性能比较,列出了几种有巨大发展潜力和有着庞大市场的储能设备的一些主要性能指标。在各种储能设备中,抽水蓄能、氢能、压缩空气储能可以长时间地将电能以其它形式存储起来,实现季节间的能量存储。


表1 储能装置性能比较

独立发电系统以制氢储能的方式主要有以下优越性:

        第一,无论是高压储氢还是金属储氢,其能量密度均非常高,经粗略计算,高压储氢能量密度大约是铅酸电池的4倍,金属储氢大约是铅酸电池的6倍;第二,氢的储存基本没有时间限制,而其它铅酸电池、飞轮储能等储能方式如长时间储能,必须考虑自放电、机械损耗问题;第三,高压储氢钢瓶及金属储氢器的维护工作量极少,维护周期以若干年计。

5 负荷

        由于独立发电系统主要是为偏远地区的用户提供电能供应。因此独立可再生能源系统负荷可分为两大部分:一是满足人们生活需要的基本用电负荷,主要为照明负荷,和以电视机为主的家用电器负荷,一般没有旋转动力设备负荷。照明负荷大量采用节能灯,这种负荷因为镇流器的存在,因此功率因数相对较低。而以电视机为主的电器负荷,均为整流性负荷,具有非线性负载特性。二是保证生产正常运行和发展的动力负荷,如一些容量较大的动力泵等。

 

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