220kv地區(qū)變電所電氣一次初步設(shè)計(jì)劉沛然

220kv地區(qū)變電所電氣一次初步設(shè)計(jì)劉沛然,220kv地區(qū)變電所電氣一次初步設(shè)計(jì),劉沛然,kv,地區(qū),變電所,電氣,一次,初步設(shè)計(jì) 華 北 電 力 大 學(xué) 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）附 件 外 文 文 獻(xiàn) 翻 譯 學(xué) 號(hào)： 071901010717 姓 名： 劉沛然 所在系別： 電力工程系 專業(yè)班級(jí)： 電氣07K6 指導(dǎo)教師： 楊用春 原文標(biāo)題： Technical analysis of an electric power system consisting of solar PV energy,wind power,and hydrogen fuel cell 2011年 6 月 22 日 由太陽(yáng)能光伏發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電，氫燃料電池 組成的電力系統(tǒng)的技術(shù)分析 Ahmad Zahedi 摘要：本文總結(jié)了設(shè)計(jì)混合可再生能源系統(tǒng)時(shí)需要考慮到的技術(shù)問題。本文介紹了一項(xiàng)供電系統(tǒng)在技術(shù)層面的研究成果，其中風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電與氫燃料電池結(jié)合。雖然這個(gè)系統(tǒng)中的動(dòng)力來(lái)源是間歇性的，但因?yàn)槟茉创鎯?chǔ)技術(shù)（氫氣）被納入到系統(tǒng)中，間歇性的負(fù)面影響將微乎其微。本文還介紹了使用計(jì)算機(jī)建模仿真整個(gè)發(fā)電和存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)果。這一方案使我們能夠得到一個(gè)近乎完美的系統(tǒng)元件的容量并預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。 Ⅰ.介紹 本次研究中的電力系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏（PV）方陣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池（FC）組成。這些組件有著差別非常大的特點(diǎn)。但是，當(dāng)他們?cè)O(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，他們可以以可持續(xù)和可靠的途徑一起工作來(lái)發(fā)電。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電可以互補(bǔ)，在夏天可以預(yù)計(jì)少風(fēng)的時(shí)候可以多使用太陽(yáng)能發(fā)電，在冬天可以預(yù)計(jì)少太陽(yáng)能的時(shí)候可以多使用風(fēng)能發(fā)電。因此，太陽(yáng)能和風(fēng)能可以在一定程度上供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定的電能。然而，由于這兩個(gè)動(dòng)力來(lái)源的間歇性，電源不會(huì)傳遞恒定的負(fù)載功率，所以在電力平衡方面總是會(huì)產(chǎn)生過?；蛘咛潛p。在正平衡情況下，多余的電力將在電解槽中轉(zhuǎn)換為氫氣；當(dāng)電力平衡出現(xiàn)虧損時(shí)，燃料電池將提供虧損額。 Ⅱ.該系統(tǒng)描述方法的研究 本研究中提出的混合動(dòng)力系統(tǒng)遵循一般理論上的任何混合動(dòng)力站，如圖1所示。這個(gè)系統(tǒng)的主要組成部分是太陽(yáng)能方陣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，燃料電池，電解槽和控制器。 由太陽(yáng)能方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能被分為了兩個(gè)部分。電能的一部分被直接輸送并馬上被負(fù)荷應(yīng)用，另一部分是被轉(zhuǎn)化成氫氣并儲(chǔ)存在容器中，無(wú)論是壓縮還是液體形式，然后被送到一個(gè)不間斷生產(chǎn)的燃料電池中，以恒定的功率貫穿全年。電解槽用于此轉(zhuǎn)換過程。 這個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分的最佳容量取決于混合化水平，被定義為直接從太陽(yáng)能方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)上傳送的能量與負(fù)荷的總的消耗量的比值。 由間歇性能量來(lái)源造成的發(fā)電量的變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)是一個(gè)人人關(guān)心的問題，但是完整的能源儲(chǔ)存技術(shù)將減少這種影響。 然而，間歇性的風(fēng)能在低或中等的普及水平程度上使用或者與其他的間歇性能源，例如太陽(yáng)能，結(jié)合使用時(shí)很少造成問題。 Ⅲ.PV和WT子系統(tǒng)的最優(yōu)容量 最佳容量是任何工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。最佳容量產(chǎn)生最小的系統(tǒng)花銷。這個(gè)系統(tǒng)中的兩個(gè)重要組成部分即PV和WT的最佳容量是在每年負(fù)荷的能源需求的基礎(chǔ)上確定的。它的選擇能夠使這些組成元件產(chǎn)生負(fù)荷至少50%的能源需求。這使得在涵蓋系統(tǒng)內(nèi)功率損耗的情況下可以提供可靠的電力負(fù)荷。PV系統(tǒng)的容量取決于負(fù)荷的能源需求以及太陽(yáng)能電廠的太陽(yáng)輻射量。從澳大利亞的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)手冊(cè)得到的每月太陽(yáng)輻射的平均值如表1所示。 風(fēng)能和風(fēng)速之間的關(guān)系可以由取自參考書目[12]中的等式1確定。 其中，ρ(rho)是以kg/m3的單位的空氣密度，A是風(fēng)流動(dòng)的截面積。這種關(guān)系告訴我們，我們不能簡(jiǎn)單的把平均風(fēng)速帶入等式中來(lái)獲取平均風(fēng)功率。我們需要使用這種非線性特性的風(fēng)以確定平均風(fēng)功率。為了達(dá)到這一目的，我們需要就平均量重寫這個(gè)等式。 所以我們需要確定速度的立方((U3)Ave)的平均值。平均風(fēng)速被用來(lái)確定平均風(fēng)功率[12]。如下所示。（n是所有的可利用的風(fēng)速） 根據(jù)Gilbert M.教授所說的，風(fēng)的概率密度可以通過等式3估算出。 瑞利統(tǒng)計(jì)平均風(fēng)功率的計(jì)算方法是利用公式4。 每月的平均風(fēng)速值見表二 太陽(yáng)能光伏子系統(tǒng)：光伏性能比=75%，并且燃料電池（FC）的效率為45%。 風(fēng)能子系統(tǒng)：效率=0.45，收集風(fēng)的數(shù)據(jù)的高度是10m。半徑=30m；ρ=1.225kg/m3；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量：1；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高度是60m；粗糙度因數(shù)為0.15。模擬結(jié)果如圖10到18所示。供電給50戶平均每天消耗20kWh的用戶，因此電力的平均需求為每天1MWh或者每年365MWh。光伏方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量是基于這兩個(gè)單位均能生產(chǎn)超過50%電力需求的假設(shè)上確定的。 Ⅳ.間歇性問題 間歇性能量來(lái)源是一些變化的或者間歇的能量來(lái)源，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能。使用間歇性能源發(fā)電的產(chǎn)生的變化的性質(zhì)，使人們提出了電網(wǎng)對(duì)間歇性電源的承受能力以及其對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響的擔(dān)憂。但是，通過對(duì)電能存儲(chǔ)技術(shù)的整合，利用間歇性的電源只會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成很小的影響。 間歇性的負(fù)面影響也必須被考慮在發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性中。使用目前已知的方法來(lái)管理變化電源的供應(yīng)會(huì)增加風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)中的總成本，特別是在高度普及后。 當(dāng)使用低、中等普及程度的風(fēng)力發(fā)電或與其他間歇性能量來(lái)源如太陽(yáng)能配合使用時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的間歇性很少產(chǎn)生問題。 Ⅴ.能量存儲(chǔ) 增加風(fēng)能和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的普及程度的一個(gè)潛在的方法就是充分利用能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。許多不同的技術(shù)可以有效的存儲(chǔ)電能，包括電池技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能等。對(duì)于大型電網(wǎng)而言，抽水蓄能水力發(fā)電站已經(jīng)被大規(guī)模的應(yīng)用了，但是適合這種設(shè)施的站點(diǎn)的數(shù)量是有限的。在我們的研究中，我們使用電解槽/燃料電池的存儲(chǔ)技術(shù)。 Ⅵ.電解器 在該系統(tǒng)中，我們正在研究由太陽(yáng)能光伏方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的過剩電能用于電解產(chǎn)生氫氣。電解過程本身是清潔和有效率的。電解器的效率取決于工作電壓，溫度，氫氣流。電解水的能源效率變化很大。電解水的效率在無(wú)壓縮機(jī)，攝氏23℃的情況下為65%；在55℃的情況下的效率為70%。在氫氣被壓縮后電解槽的效率減少5%。 Ⅶ.燃料電池 在這項(xiàng)研究中，我們假設(shè)用質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行電力再生產(chǎn)。燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，原則上它就像一個(gè)電池工作。不同于電池，燃料電池不需要進(jìn)行充電。它只要能夠滿足燃料的供應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生電能和熱能兩種形式的能量。由于燃料電池的工作依靠的是化學(xué)反應(yīng)而不是燃燒，這個(gè)類型的系統(tǒng)中的排放物會(huì)比清潔燃料燃燒過程中產(chǎn)生的排放物還要少很多。燃料電池技術(shù)的意義在于它有能力通過改變輸入能量源（目前有6個(gè)不同的）產(chǎn)生電能。一個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)可以是緊湊的，輕便的，并且對(duì)于運(yùn)行元件需要較少的維護(hù)。 Ⅷ.仿真系統(tǒng) 為了分析系統(tǒng)運(yùn)行而開發(fā)的仿真軟件工具同時(shí)考慮到了所有涉及的設(shè)備的特點(diǎn)和效率。這個(gè)仿真工具通過輸入過去一年的平均風(fēng)速的數(shù)據(jù)和太陽(yáng)輻射的數(shù)據(jù)計(jì)算出在產(chǎn)氫量和存儲(chǔ)等級(jí)這兩個(gè)不同的部分之間的能量流動(dòng)，以及燃料電池的可用性。 根據(jù)所選器件（太陽(yáng)能光伏方陣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電解器，燃料電池和氫氣罐）的容量和效率，可以預(yù)測(cè)出該系統(tǒng)一年內(nèi)的性能。而整個(gè)系統(tǒng)的效率是有太陽(yáng)能光伏方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量比確定的。 由風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)生的多余電能供給電解器產(chǎn)生氫氣，而氫氣又被輸送到燃料電池進(jìn)行發(fā)電。如圖2和圖3所示。 圖2：從太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的過剩電能被供應(yīng)到電解池產(chǎn)生氫氣 圖3：從電解池產(chǎn)生的氫氣被提供到燃料電池進(jìn)行發(fā)電 由于以下幾個(gè)目的，MATLAB被用于模擬該系統(tǒng)： 為了最優(yōu)化系統(tǒng)組件的容量； 為了預(yù)測(cè)能量流動(dòng)的性能； 為了確定每臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量； 為了確定供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷的電量； 為了確定電能過剩或虧損； 為了確定每月氫氣總的產(chǎn)量以及由氫氣產(chǎn)生的發(fā)電量。 電解器是在以下條件下運(yùn)行的： 1.當(dāng)電源提供給電解槽的功率在電解槽的額定功率運(yùn)行范圍內(nèi)，并且存儲(chǔ)罐不滿時(shí)； 2.當(dāng)電源提供給電解槽的功率超過了其額定功率并且容器不滿時(shí)，電解槽是滿負(fù)荷運(yùn)行，而過剩電能就會(huì)廢棄掉。如果存儲(chǔ)罐已滿，那么過剩電能就會(huì)直接被廢棄掉。這些廢棄的電能可以用于其他設(shè)備，如加熱水和抽水，但不在本次研究?jī)?nèi)討論。仿真結(jié)果如圖4—圖11所示。 圖4：每月由太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能 圖5：每月由風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能 圖6：每月由太陽(yáng)能和風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電產(chǎn)生的電能 圖7：每月的電能平衡 圖8：每月氫氣的產(chǎn)量 圖9：每月氫氣的發(fā)電量 圖10：氫氣的累積產(chǎn)量 圖11：由氫氣產(chǎn)生的累積發(fā)電量 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們暫時(shí)假定為75戶用戶每天消耗15kWh且全年保持不變的情況進(jìn)行計(jì)算。 Ⅸ.總結(jié) 本文介紹了一個(gè)由風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電與氫燃料電池結(jié)合起來(lái)的電力系統(tǒng)在技術(shù)角度上的一項(xiàng)研究成果。雖然這個(gè)電能的來(lái)源是間歇性的，但是因?yàn)槟茉磧?chǔ)存技術(shù)（氫氣）納入到了系統(tǒng)中，間歇性的負(fù)面影響微乎其微。 本文還介紹了計(jì)算機(jī)仿真在MATLAB環(huán)境下開發(fā)的用來(lái)模擬整個(gè)發(fā)電和存儲(chǔ)系統(tǒng)的程序。這個(gè)程序使我們能夠找到一個(gè)近乎完美的容量的系統(tǒng)組件，并且可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能。