1、电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 1 -电力电子技术在可再生能源电力系统中的应用概述扶 军（学院：电气信息学院 班级：07303014 学号：0743031062）随着经济的快速增长和社会的全面进步，我国的能源供应和环境污染问题越来越突出，开发和利用可再生能源的需求更加迫切。电力电子技术作为可再生能源发电的关键技术,直接关系到可再生能源发电技术的发展及前景，紧密联系着社会的进步与需求。本文旨在概述电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用，包括风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池等，为读者提供可再生能源发电系统中的电力电子技术的应用参考。关键词：可再生能源、风力发电、太阳能光伏发电、综合
2、发电、电力电子技术一、引言能源是支撑现代文明社会发展的主要基础物质之一，随着传统矿物能源，如石油、煤等的日益消耗，能源问题成为人类社会普遍关注的焦点和必须解决的重大课题。为解决目前能源短缺问题，世界各国为开发和利用新能源投入了大量的人力、物力进行研究。1982 年联合国召开了世界新能源和可再生能源国际会议，提出以新技术和新材料为基础，开发新的可再生能源来取代资源有限、环境污染的化石能源，保持可持续发展和保护生态环境。新能源和可再生能源在我国社会经济可持续发展中同样具有重要作用，是我国能源发展的重要内容和组成部分。由于太阳能、风能、水能、海洋能、生物能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅
3、可再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。因此，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并且已取得了重要的进展和成果。但是，新能源的应用人存在许多问题需要研究和解决。电力电子技术作为可再生能源发电技术的关键 ,直接关系到可再生能源发电技术的发展.可再生能源发出大小变化的直流电或频率变化的交流电 ,需要电力电子变换器将电能进行变换.二、可再生能源发电系统简介. 风力发电系统风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式.按照发电机的结构区分 ,有异步发电机、 同步发电机、 永磁式发电机、 无刷双馈发电机和开关
4、磁阻发电机等机型.风力发电的运行方式可分为独立运行、 并网运行、 与其它发电方式互补运行等. 风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有 3 种运行方式：(1)独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；摘要：电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 2 -(2)风力发电与其他发电力式 (如柴油机发电)相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场提供电；(3)并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这
5、是风力发电的主要发展力向。风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图 1 给出了两种风力发电系统的结构。. 太阳能光伏发电系统太阳能发电有热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射能通过光伏效应- 直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 3 -善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源。自
6、上世纪 50 年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池 )和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图 2 所示，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行 DC/DC 变换，或采用逆变器进行 DC/DC 变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。变流器的
7、电路结构如图 2 所示。图 2.太阳能光伏并网发电系统光伏发电系统可分为以下几类：(1) 城市住宅用小型并网系统光伏电池与居民住宅建筑结合，利用屋顶或墙面安装光伏阵列,一般每户配备 15kW 单相逆变器。(2) 工业与市电一般用 25kW 以上三相三电平大功率逆变器(也可发展为 100MW 大规模光伏电站) ，可分三类:(a) 独立运行、离网、储能式独立运行的光伏系统为完全离网式，有储能设备，阴雨天也可供电。可在荒漠地区建设大规模离网式、独立光伏电站。(b) 联网、无储能式联网式光伏系统是当今发展方向 (全世界联网式光伏系统年增长率约为 2530%) 。(c) 混合式光伏系统太阳能光伏与风力或
8、燃料电池等发电系统，组成混合式分布电力系统，应用于无电或缺点电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 4 -地区。. 燃料电池发电系统燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置.燃料电池发电最大的优势是高效、 洁净 ,无污染、 噪声低 ,模块结构、 积木性强、 不受卡诺循环限制 ,能量转换效率高 ,其效率可达 40%65%.燃料电池被称为是继水力、 火力、 核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置. 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃
9、料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(S0FC) 及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有洁净、无污染、低噪声，模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。燃料电池发电系统的结构如图 3 所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。. 混合能源发电系统利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的“风力 太阳能混合发电系统 ” ,可以弥补因风能、太阳能资源间歇性不稳定所带来的可靠性低的缺陷 ,在一定程度上提供稳定可靠电能。利用
10、风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力一太阳能混和发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间歌性不稳定所带来的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供稳定电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 5 -可靠电能。各发电装置的合理协调运行，还可有效减少配置的蓄电池容量(图 4)。图 4. 风力-太阳能混合发电系统结构原理图从结构上来看，风力一太阳能混合发电系统是一个分布式的能量系统，其各组成部分都具备了单元控制的功能。因而将它们做为主体(Agent) ，再加入若干管理 Agent，从而构成一个分散式的智能化能量管理系统，使之在负荷、风力、光照等外界条件发生变化时进行协调控制实现最优调度策略，成为未来
11、研究的一个热点。将风力与太阳能技术加以综合利用，从而构成一种互补、可控、优质、可分散布点的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。图 5. “ 太阳能光伏制氢储能 燃料电池发电系统 ” 的结构图新能源作为电力系统未来的发展方向是：采用几种新能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起。另一种混合方式是，利用燃料电池的产生的废气或热量，带动发电机组成合 电力系统。图 6 所示为混合发电系统结构。图 6 新能源混合发电系统结电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 6 -构作为可再生能源应用的重要组成部分的电力电
12、子变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题.可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器及并网技术、 太阳能充电控制技术、 变速恒频风力发电系统、 燃料电池功率调节系统、 谐波抑制和能量管理等.三、电力电子技术在可再生能源中的应用利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究，开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成
13、形成产品，以方便用户。（一）关键技术 电能变换众所周知，新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路。图 7给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。由于新能源电力系统中电能变换主要是依赖 DC/DC 变换和 AC/DC 变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。软开关技术是减低开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段，因此需要开发基于软开关的变流器。图 7. 多电平交流逆变电路结构电力电子在可再生
14、能源电力系统中的应用概述- 7 - 电能储存由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。比如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。与电解电容相比，超级电容利用碳电板表面产生的双层电极储能，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。如今，超级电容功率密度可高达 20kw/kg，充放电时间各为 0.1100 分钟。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等
15、许多领域。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。如果与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁悬浮技术使飞轮转轴稳定地悬浮于空间是一种有效的解决方案。预计飞轮储能装置将在国防、电力、交通等领域具有应用前景。 电能管理电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS 将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括：(1)电能分配；（2)优化控制；(3)状态监测；(4)故障诊断；电力电子在可再生
16、能源电力系统中的应用概述- 8 -(5)容错控制。实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。例如：整个系统可以采用网络化控制，通过三层网络结构：底层采用现场总线和基于DSP 的嵌入式控制器实现实时控制、数据采集和通信；中间层通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；上层采用人工智能技术构建智能 PMS，实现负荷预测、电能分配、系统优化和能
17、量管理。在电源管理系统(PMS)方面，将在智能优化及安全控制上有所突破。 电能质量控制近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电力公害” ，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。电能质量控制的主要研究内容是：(1)电源谐波检测和分析技术 谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法(FFT)以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。因此，如何减小因同步
18、偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。(2)电能质量控制和管理 包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正(PFC)技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术(APFC)已成为电力电子领域的研究热点。现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相 PFC 电路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost 、Buck-boost、Cuk 等 DC/DC 基本变换电路的专用电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 9 -或通用的 PFC 控制器。目前的研究重点在三相 PFC 控制技术上，
19、比如：单开关、多开关以及软升关三相 PFC 电路的研制。特别是，软开关技术与 PFC 技术的融合是发展的新趋势。虽然，目前 PFC 产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。（二）具体介绍可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代能源过渡。与前述控制技术同样重要的作为可再生能源应用的重要组成部分的电力变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题。可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。 逆变器及并网控制技术可再生能源发电输出功率的并网主要采用针对变速恒频双馈风力发电机组的 ACAC变换器并网和采
20、用逆变器的并网方式.目前 ,可再生能源发电的并网多采用逆变器与电网连接 ,并网逆变器应具有功率因数为 1、网侧电流正弦化、能量可双向流动等特点 ,从而使其具有优良的控制性能.当光伏并网发电时 ,并网逆变器还必须具有快速的动态响应.逆变器除了要保证并网所要求的电能品质和条件外 ,还要实现可再生能源发电技术的一些功能 ,如太阳能最大功率输出跟踪控制和风能最大捕获控制等 ,要求其主电路拓扑结构具有有功、 无功功率解耦可调 ,且有高的变换效率.此外 ,通过并网运行和独立运行两种模式的无缝切换技术 ,可以减小对电网的冲击.目前这方面的研究多集中在电路拓扑方面 ,所采用的控制策略多为 P I 控制 ,对外
21、界环境不具备鲁棒性.利用现代控制理论提高并网逆变器性能已有一些成果 ,如采用非线性状态反馈线性化方法实现了线电流中的有功和无功分量的解耦控制 ,达到了提高动态性能的目的; 在 P I 控制基础上 ,引入预测控制 ,也能改善控制器的动态性能 ,并可减小直流侧缓冲电容的容量;将滑模控制应用于风电机组的并网控制器中 ,可实现低速下的可靠发电控制;基于自抗扰控制器原理的并网控制器 ,在动态性能和鲁棒性方面具有明显提高 ,且容易实现.以上研究虽然得出了一些研究成果 ,但都是针对各个问题分别解决 ,要得出实用性的技术成果 ,应将功率跟踪控制、 功率因数控制和输出电流波形控制等问题综合考虑 ,研究出统一控制
22、算法.目前我国太阳能光伏发电系统仍以独立供电系统为主 ,自主研的并网逆变器存在系统运行不稳定 ,可靠性低的弱点 ,而且保护措施不全 ,容易引起事故 ,与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑.并网中的“ 孤岛 ” 现象是指当电网失电后 ,光伏并网发电系统与本地负载处于独立运行状态 ,就会由太阳能并网发电系统和周围的负载形成一个自给式供电孤岛 .“ 孤岛 ” 现象会严重影响电力系统的安全正常运行 ,危及线路维修人员的人身安全.随着光伏并网发电系统及其它分散式并网电源的增多 ,发生“ 孤岛 ” 效应的概率也会越来越高 ,近年来在可再生能源发展较快的国家和地区引起了人们的广泛重视.一般情况下 ,一个装有
23、过压、 欠压、 过频和欠频继电器的逆变器具有对“ 孤岛 ” 的基本保护功能.但在源 -负载功率平衡的情况下 ,电压和频率变化很小 ,这些继电器将失效 ,导致系统进入“ 孤岛 ” 运行.“ 孤岛 ” 检测方法分为两大类 ,即被动检测法和主动检测法.被动检测是通过观察电网的电力电子在可再生能源电力系统中的应用概述- 10 -电压 ,频率以及相位的变化来判断有无“ 孤岛 ” 发生等.然而当光伏电源的功率与局部电网负载的功率基本接近 ,导致断电时局部电网的电压和频率变化很小时 ,被动检测法就会失效.为了解决此问题 ,主动检测法应运而生.主动检测法是通过在并网逆变器的控制信号中加入很小的电压、 频率或相
24、位扰动信号 ,然后检测逆变器的输出 .当“ 孤岛 ” 发生时 ,扰动信号的作用就会显现出来 ,当输出变化超过规定的门限值就能预报“ 孤岛 ” 的发生.但一般的主动检测法 (如频率偏移法、 输出功率变化测量法等 )中 ,负载相角特性对检测的有效性影响较大 ,这类方法存在 “ 检测盲区 ” .如何快速、 准确、 低成本地进行“ 孤岛 ” 检测与控制将成为并网技术的一个研究热点. 太阳能充电控制器为提高太阳能发电的可靠性 ,需配备一定容量的蓄电池组.铅酸蓄电池组成本较高 ,且使用寿命有限 ,若使用不当 ,会严重影响寿命 .蓄电池组的成本已成为影响太阳能光伏发电系统推广应用的一个主要障碍.常规的充电方
25、法 ,如恒流充电法、 阶段充电法、 恒压充电法、 脉冲充电法等 ,都是基于蓄电池的充电特性曲线进行的 ,但充电控制精度易受外界环境影响 ,采用自适应控制算法则能很好地兼顾蓄电池充电控制和太阳能电池最大功率跟踪控制. 变速恒频风力发电系统目前我国风力发电基本都是采用并网型异步风力发电机组 ,运行方式是不加控制的直接并网运行 ,风速风向变化时很容易对电网形成冲击、 注入谐波、 造成污染 ,甚至影响局部电网运行的稳定性.解决这一问题的方案是采用变速恒频控制 ,即当风速改变引起风轮转速变化时 ,仍能保证输出电能频率恒定.实现变速恒频发电的方法众多 ,其中双馈发电机方案最具优势.双馈感应发电机又称交流励
26、磁发电机 ,其结构与绕线式异步电机相同 ,定子侧三相对称绕组直接与工频电网相连 ,转子侧三相对称励磁绕组要求与能提供可控幅值、 相位及频率的电源相连.由于交 2 交变换器只需供给转差功率 ,大大减少了对容量的要求.发电机根据风力机转速变化调节转子励磁电压频率 ,实现恒频输出 ,实现发电机的有功、 无功功率独立调节 ,进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行.在风速变化的情况下实时地调节风力机转速 ,使始终运行在最佳转速上 ,从而提高了机组发电效率 ,优化了风力机的运行条件.此外,变速恒频风力发电系统在并网时 ,几乎没有电流冲击 ,不必担心异步机并网时冲击电流过大的问题.同时,双馈发电机工作频率与电网频率是彼此独立的 ,当风轮及发电机的转速变化时 ,也不必担心同步电机直接并网运行时可能出现的失步问题.无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制 ,降低变频器的容量外 ,还可以实现有功、 无功功率的灵活控制 ,对电网而言可起到无功补偿的作用 .同时发电机本身没有滑环和电刷,既降低了电机的成本 ,又提高了系统运行的可靠性.变速恒频双馈发电系统的 ACAC 变换器为四象限变换器 ,按其拓扑结构可以分为交 交变频器、交 直 交变频器和矩阵变换器.交 交变频器不需中
