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2016-8-11 閱讀(2264)
從目前世界的能源結(jié)構(gòu)來看,，以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無限,、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu),。太陽能、風(fēng)能,、水能,、海洋能、生物質(zhì)能,、地?zé)崮?、燃料電池等可再生能源作為新興的綠色能源，以其枯竭,、無污染,、不受地域資源限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應(yīng)電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵,，直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,。可再生能源發(fā)出大小變化的直流電或頻率變化的交流電,，需要電力電子變換器將電能進(jìn)行變換。
1電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢1.1可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大,，使其逐步從補(bǔ)充型能源向替代型能源過渡,。下面簡介幾種基金項目：江蘇省六大人才高峰課題（06-A-045）資助項目。
主要的可再生能源發(fā)電系統(tǒng),。
1光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),。是一個太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由太陽能,、光伏陣列,、雙向直流變換器、蓄電池或超級電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成,。光伏陣列除保證負(fù)載的正常供電外,，將多余電能通過雙向直流變換器儲存到蓄電池或超級電容中；當(dāng)光伏陣列不足以提供負(fù)載所需的電能時,，雙向直流變換器反向工作向負(fù)載提供電能,。
112風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池發(fā)電zui大的優(yōu)勢是,、潔凈,，無污染,、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu),、積木性強(qiáng),、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高,，其效率可達(dá)40%~65%.燃料電池被稱為是繼水力,、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動力裝置,。
114混合能源發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能資源和太陽能資源天然的互補(bǔ)性而構(gòu)成的“風(fēng)力一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)”可以彌補(bǔ)因風(fēng)能,、太陽能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能,。
統(tǒng)“的結(jié)構(gòu)如所示,。
作為可再生能源應(yīng)用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開發(fā)也成為一個重要的研究課題?？稍偕茉窗l(fā)電中應(yīng)用到的電力電子技術(shù)主要包括逆變器及并網(wǎng)技術(shù),、太陽能充電控制技術(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),、燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),、諧波抑制和能量管理等。
1.2逆變器及并網(wǎng)控制技術(shù)可再生能源發(fā)電輸出功率的并網(wǎng)主要采用針對變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的ACAC變換器并網(wǎng)和采用逆變器的并網(wǎng)方式,。目前,，可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)多采用逆變器與電網(wǎng)連接，并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有功率因數(shù)為1,、網(wǎng)側(cè)電流正弦化,、能量可雙向流動等特點，從而使其具有優(yōu)良的控制性能,。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時,，并網(wǎng)逆變器還必須具有快速的動態(tài)響應(yīng)。逆變器除了要保證并網(wǎng)所要求的電能品質(zhì)和條件外,，還要實現(xiàn)可再生能源發(fā)電技術(shù)的一些功能,，如太陽能zui大功率輸出跟蹤控制和風(fēng)能zui大捕獲控制等，要求其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有有功,、無功功率解耦可調(diào),，且有高的變換效率。此外,，通過并網(wǎng)運行和獨立運行兩種模式的無縫切換技術(shù),，可以減小對電網(wǎng)的沖擊。目前這方面的研究多集中在電路拓?fù)浞矫?，所采用的控制策略多為PI控制,，對外界環(huán)境不具備魯棒性,。利用現(xiàn)代控制理論提高并網(wǎng)逆變器性能已有一些成果，如采用非線性狀態(tài)反饋線性化方法實現(xiàn)了線電流中的有功和無功分量的解耦控制,，達(dá)到了提高動態(tài)性能的目的,；在PI控制基礎(chǔ)上，引入預(yù)測控制,，也能改善控制器的動態(tài)性能,，并可減小直流側(cè)緩沖電容的容量；將滑?？刂茟?yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制器中,，可實現(xiàn)低速下的可靠發(fā)電控制；基于自抗擾控制器原理的并網(wǎng)控制器,，在動態(tài)性能和魯棒性方面具有明顯提高,，且容易實現(xiàn)。以上研究雖然得出了一些研究成果,，但都是針對各個問題分別解決,，要得出實用性的技術(shù)成果，應(yīng)將功率跟蹤控制,、功率因數(shù)控制和輸出電流波形控制等問題綜合考慮,，研究出統(tǒng)一控制算法。目前我國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仍以獨立供電系統(tǒng)為主,，自主研制的并網(wǎng)逆變器存在系統(tǒng)運行不穩(wěn)定,，可靠性低的弱點，而且保護(hù)措施不全,，容易引起事故,，與建筑一體化等問題也沒有得到很好考慮。
并網(wǎng)中的“孤島”現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)失電后,，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)載處于獨立運行狀態(tài)，就會由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成一個自給式供電孤島,。“孤島”現(xiàn)象會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全正常運行,，危及線路維修人員的人身安全。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其它分散式并網(wǎng)電源的增多,，發(fā)生“孤島”效應(yīng)的概率也會越來越高,，近年來在可再生能源發(fā)展較快的國家和地區(qū)引起了人們的廣泛重視。一般情況下,，一個裝有過壓,、欠壓、過頻和欠頻繼電器的逆變器具有對“孤島”的基本保護(hù)功能,。但在源-負(fù)載功率平衡的情況下,，電壓和頻率變化很小,，這些繼電器將失效，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入“孤島”運行,。“孤島”檢測方法分為兩大類,，即被動檢測法和主動檢測法。被動檢測是通過觀察電網(wǎng)的電壓,，頻率以及相位的變化來判斷有無“孤島”發(fā)生等,。然而當(dāng)光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率基本接近，導(dǎo)致斷電時局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時,，被動檢測法就會失效,。為了解決此問題，主動檢測法應(yīng)運而生,。主動檢測法是通過在并網(wǎng)逆變器的控制信號中加入很小的電壓,、頻率或相位擾動信號，然后檢測逆變器的輸出,。當(dāng)“孤島”發(fā)生時,，擾動信號的作用就會顯現(xiàn)出來，當(dāng)輸出變化超過規(guī)定的門限值就能預(yù)報“孤島”的發(fā)生,。但一般的主動檢測法（如頻率偏移法,、輸出功率變化測量法等）中，負(fù)載相角特性對檢測的有效性影響較大,，這類方法存在“檢測盲區(qū)”,。如何快速、準(zhǔn)確,、低成本地進(jìn)行“孤島”檢測與控制將成為并網(wǎng)技術(shù)的一個研究熱點,。
1.3太陽能充電控制器191為提高太陽能發(fā)電的可靠性，需配備一定容量的蓄電池組,。鉛酸蓄電池組成本較高,，且使用壽命有限，若使用不當(dāng),，會嚴(yán)重影響壽命,。蓄電池組的成本已成為影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的一個主要障礙。常規(guī)的充電方法,，如恒流充電法,、階段充電法、恒壓充電法,、脈沖充電法等,，都是基于蓄電池的充電特性曲線進(jìn)行的，但充電控制精度易受外界環(huán)境影響，采用自適應(yīng)控制算法則能很好地兼顧蓄電池充電控制和太陽能電池zui大功率跟蹤控制,。
1.4變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)141目前我國風(fēng)力發(fā)電基本都是采用并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,，運行方式是不加控制的直接并網(wǎng)運行，風(fēng)速風(fēng)向變化時很容易對電網(wǎng)形成沖擊,、注入諧波,、造成污染，甚至影響局部電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性,。解決這一問題的方案是采用變速恒頻控制,，即當(dāng)風(fēng)速改變引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時，仍能保證輸出電能頻率恒定,。實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的方法眾多,，其中雙饋發(fā)電機(jī)方案優(yōu)勢。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)又稱交流勵磁發(fā)電機(jī),，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同,，定子側(cè)三相對稱繞組直接與工頻電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)三相對稱勵磁繞組要求與能提供可控幅值,、相位及頻率的電源相連,。由于交變換器只需供給轉(zhuǎn)差功率，大大減少了對容量的要求,。發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓頻率,，實現(xiàn)恒頻輸出，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功,、無功功率獨立調(diào)節(jié),，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速實現(xiàn)zui大風(fēng)能的跟蹤和捕獲運行。在風(fēng)速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,，使之始終運行在轉(zhuǎn)速上,，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運行條件,。此外,，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時，幾乎沒有電流沖擊,，不必?fù)?dān)心異步機(jī)并網(wǎng)時沖擊電流過大的問題,。同時，雙饋發(fā)電機(jī)工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的,，當(dāng)風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時，也不必?fù)?dān)心同步電機(jī)直接并網(wǎng)運行時可能出現(xiàn)的失步問題,。無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制,，降低變頻器的容量外，還可以實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制,，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。同時發(fā)電機(jī)本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本,，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性,。
變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)的AC―AC變換器為四象限變換器，按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為交一交變頻器,、交一直一交變頻器和矩陣變換器,。交一交變頻器不需中間直流濾波環(huán)節(jié)，晶閘管采用自然換流方式,，始終吸收無功功率,，功率因數(shù)低，諧波含量大,，輸出頻率低,。交一直一交變頻器是目前應(yīng)用zui廣泛的ACAC變換器，但其直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積大,，壽命較短,，且開關(guān)損耗較大。目前應(yīng)用的兩種主要結(jié)構(gòu)ACDC―AC方式和AC―AC方式如所示,。
矩陣變換器是一種ACAC直接變頻器,，由直接接于三相電源和三相負(fù)載之間的9個開關(guān)陣列組成，沒有中間直流環(huán)節(jié),，功率電路簡單可輸出幅值,、頻率、相位和相序均可控的電壓,。諧波含量較小,，輸入功率因數(shù)可控，可四象限運行,，但是其換流過程不允許兩個開關(guān)同時開通或關(guān)斷,，控制較復(fù)雜。矩陣變換器作為發(fā)電系統(tǒng)交流勵磁電源,，不但能滿足交流勵磁變速恒頻發(fā)電所必需的雙向功率流動,，而且其優(yōu)良的輸入、輸出特性確保了生產(chǎn)滿足要求的高質(zhì)量電能,，同時在真正意義上解決了能源的利用和環(huán)保問題,。目前矩陣式變換器的控制多采用空間矢量變換控制方法，借用傳統(tǒng)交一直一交控制策略,，在魯棒性和實現(xiàn)性方面還有待提高,。
風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)兼容的問題也必須加以關(guān)注,。如今的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還不能適應(yīng)較大的電網(wǎng)電壓和頻率暫態(tài)變化，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,，風(fēng)機(jī)脫離電網(wǎng),，而當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)定后風(fēng)機(jī)重新并網(wǎng)運行。對于風(fēng)機(jī)較少的電網(wǎng)來說,，這是可以接受的,，但是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電量增長到電網(wǎng)容量的10%~15%時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須支持電網(wǎng)穩(wěn)定,，并且其行為必須和傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相似,，這對發(fā)電系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。
1.5燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃料電池是有內(nèi)阻的,，輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化,，這樣的輸出電壓是不能直接應(yīng)用的，并且輸出電壓隨著溫度的增加而增加,。對于直流負(fù)載而言,，一般只需一個恒定不變的供電電壓，而對于交流逆變器燃料電池升壓變換器蓄電池或超級電容雙向直流變換器負(fù)栽燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)載,，還需要將直流電逆變?yōu)樗枰慕涣麟?，因此燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)必須要有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能正常工作。燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如所示,，系統(tǒng)由燃料電池,、蓄電池或超級電容、升壓變換器,、雙向直流變換器和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成,。由于目前燃料電池發(fā)電成本還比較高，因此對功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率要求較高,。
針對燃料電池電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器輸入電壓變化范圍寬,，則需選用一種適用于寬輸入的變換器拓?fù)渥鳛樵摴β收{(diào)節(jié)器的前級，此外還得考慮動態(tài)響應(yīng)速度慢的特點,。雙向直流變換器研究的幾個關(guān)鍵問題是：（1）如何研制簡單的雙向直流變換器拓?fù)洌?）探尋新型雙向直流變換器的軟開關(guān)技術(shù),，從而進(jìn)一步降低變換器的開關(guān)損耗，并拓寬軟開關(guān)負(fù)載適應(yīng)范圍,；3）減小雙向直流變換器中的循環(huán)能量,，降低通態(tài)損耗，提高總體效率,；（4）進(jìn)一步提高雙向直流變換器的動態(tài)響應(yīng),；5）建立雙向直流變換器的控制模型，有助于變換器的優(yōu)化設(shè)計,，改善變換器的性能,；（6）實現(xiàn)雙向直流變換器的數(shù)字控制,，有利于進(jìn)行系統(tǒng)移植、數(shù)據(jù)采集,、顯示和監(jiān)控。
1.6可再生能源中的諧波抑制可再生能源發(fā)電多采用電力電子裝置來實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換,，通常會給電網(wǎng)帶來電力諧波,，使功率因數(shù)惡化、電壓波形畸變,、增加電磁干擾隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的增大,，因而給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注。目前,，諧波抑制主要有兩種方法：無源濾波和有源濾波,。無源濾波利用電容和電感諧振的特點來抑制特定頻率的高次諧波分量和提高功率因數(shù)，但存在體積大,、濾波頻率固定和會出現(xiàn)串并諧振等缺陷,，限制了其應(yīng)用場合。近年來,，有源濾波以其可補(bǔ)償各次諧波,，還可抑制電壓瞬變、補(bǔ)償無功等一機(jī)多能的特點,，成為一個研究熱點,，且在一些工業(yè)*國家得到了大量應(yīng)用，但在補(bǔ)償性能,、可靠性以及降低成本和損耗方面還有待進(jìn)一步完善,。針對有源濾波器的強(qiáng)非線性和高實時性要求，許多學(xué)者將*控制技術(shù)應(yīng)用于有源濾波器的控制,，也取得了許多有益的結(jié)果,。以上研究成果雖然可實現(xiàn)對有源濾波器品質(zhì)的改善，但尚未成熟,。另外,，電源品質(zhì)的改善應(yīng)是綜合性的多目標(biāo)優(yōu)化問題，應(yīng)加強(qiáng)對統(tǒng)一電源品質(zhì)的管理,。
1.7其它隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,，對混合發(fā)電系統(tǒng)的能源管理，電力電子應(yīng)用系統(tǒng)的集成化,、模塊化,，并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性、容錯與冗余,，電能品質(zhì)等提出了更高的要求,，電力電子產(chǎn)業(yè)面臨著良好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。
2結(jié)束語本文對可再生能源發(fā)電中太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電,、燃料電池發(fā)電和混合能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,，詳細(xì)研究了電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，新能源發(fā)電系統(tǒng)給電力電子技術(shù)提供了新的方向,，也為從事可再生發(fā)電能源系統(tǒng)的研究提供了新的思路,。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。
