電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 嵩谷 鳴李 瑩

1.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250002

2.國網(wǎng)山東省電力公司 山東 濟(jì)南 250001

3.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250200

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，世界能源需求持續(xù)增長，能源資源和環(huán)境問題日益突出，加快開發(fā)利用可再生能源已成為各國應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題的重要措施?？稍偕茉窗l(fā)電，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，是有利于人與自然和諧發(fā)展的重要電力資源［1-3］?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為各國電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。

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。電力電子技術(shù)的發(fā)展為可再生能源發(fā)電提供了重要的技術(shù)支持，而可再生能源發(fā)電的興起也為電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了契機(jī)。本文主要論述了可再生能源發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀，從電能交換、提高電能質(zhì)量以及電能存儲(chǔ)等方面詳細(xì)介紹了電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 可再生能源發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 可再生能源發(fā)電已成為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域

隨著能源形勢(shì)日益嚴(yán)峻和對(duì)保護(hù)環(huán)境的重視，可再生能源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈。 根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2014年4月7日發(fā)表的《2014年可再生能源投資全球趨勢(shì)》指出，2013年全球在可再生能源方面的投資為2144億，可再生能源的市場(chǎng)份額穩(wěn)步上升，除大型水力發(fā)電項(xiàng)目外，其市場(chǎng)份額占新裝發(fā)電量的43.6%，占全球發(fā)電總量的份額從2012年的7.8%上升至8.5%。一些國家新增可再生能源發(fā)電裝機(jī)占全部新增發(fā)電裝機(jī)的三分之二以上。其中，在全球經(jīng)濟(jì)繼續(xù)低迷的背景下，全球風(fēng)電保持了良好發(fā)展勢(shì)頭。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)35289MW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到318105MW，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量趨勢(shì)如圖1所示。同時(shí)，太陽能發(fā)電也得到各國重視，由中國太陽能光伏顧問委員會(huì)和中國光伏產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同發(fā)布的 《2013中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》指出，2013年全球光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量超過36000MW，累積裝機(jī)容量達(dá)到132000MW，太陽能發(fā)電成為2013年全球可持續(xù)能源重點(diǎn)投資領(lǐng)域，全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量趨勢(shì)如圖2所示。

圖1 全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量趨勢(shì)圖

圖2 全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量趨勢(shì)圖

1.2 可再生能源發(fā)電在全球電力供應(yīng)中發(fā)揮重要作用

可再生能源已在許多國家能源和電力消費(fèi)中占有重要地位，2012年，全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)超過14.7億千瓦，占全球發(fā)電裝機(jī)總量的26%，發(fā)電量占比也超過21%。其中，丹麥風(fēng)電占全部電力消費(fèi)的20%，德國的可再生能源發(fā)電量達(dá)到該國總發(fā)電量的25.1%，西班牙出現(xiàn)過多次風(fēng)電出力滿足全部用電負(fù)荷50%的情況，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模占總發(fā)電裝機(jī)比例達(dá)28%，可再生能源發(fā)電量約占全國總發(fā)電量的20%。可見可再生能源已在全球能源體系中發(fā)揮重要作用。

1.3 可再生能源在各國能源戰(zhàn)略地位逐步明確

為實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，走可持續(xù)發(fā)展道路，各國制定了明確的可再生能源發(fā)展規(guī)劃。歐盟提出了到2020年可再生能源達(dá)到歐盟全部能源消費(fèi)量20%的發(fā)展目標(biāo)，其中英國、德國、法國的目標(biāo)分別是15%、18%和23%。日本在福島核事故后，也提出2020年前可再生能源發(fā)電要滿足20%電力需求的目標(biāo)。丹麥提出了到2050年完全擺脫對(duì)化石能源依賴的宏偉戰(zhàn)略。我國提出了到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右的目標(biāo)。加快開發(fā)利用可再生能源已成為國際社會(huì)的共識(shí)和共同行動(dòng)，可再生能源發(fā)電將得到迅速發(fā)展［4］。

2 電力電子技術(shù)在電能質(zhì)量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)火力發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)出的電能與現(xiàn)有電力系統(tǒng)的用電設(shè)備的要求不匹配，往往需要通過電力變換器對(duì)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能達(dá)到并網(wǎng)要求。可再生能源發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種并網(wǎng)方式：逆變器并網(wǎng)方式和變頻器并網(wǎng)方式。

2.1 逆變器控制技術(shù)在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用

并網(wǎng)逆變器通過合理的控制，可以使可再生能源發(fā)電系統(tǒng)以功率因數(shù)為1進(jìn)行并網(wǎng)，并且并網(wǎng)電流可以控制的接近正弦波從而提高電能質(zhì)量，因此在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用［5］。在保證正常的供電的基礎(chǔ)上，各國紛紛研究逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和并網(wǎng)控制方法，以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求并提高變換效率。由于自然條件和周邊環(huán)境等因素的影響，光伏發(fā)電等可在能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率往往具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，需要配合最大功率點(diǎn)跟蹤控制，以保證其輸出功率平滑，減少對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的沖擊，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，結(jié)合瞬時(shí)無功功率理論，采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略和PWM調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制，很好的解決了功率跟蹤、功率因數(shù)提高和諧波抑制等問題，并且保證了并網(wǎng)逆變器的快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為可再生能源發(fā)電提供了良好的并網(wǎng)方案［6］。

隨著可再生能源發(fā)電滲透率的不斷提高，可再生能源在電力供應(yīng)中占有越來越重要的地位。當(dāng)公共電網(wǎng)出現(xiàn)供電中斷時(shí)，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可以向本地負(fù)載繼續(xù)供電，從而形成一個(gè)自給式的供電孤島。“孤島”現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行以及檢修人員的安全，如何快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行“孤島”檢測(cè)和控制是可再生能源發(fā)電技術(shù)中的重要技術(shù)。人們通過檢測(cè)電壓、頻率和相位的變換等方法來判斷可再生能源發(fā)電系統(tǒng)是否進(jìn)入 “孤島”運(yùn)行，并控制保護(hù)裝置動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)供電從而提高供電可靠性。在孤島運(yùn)行模式下，通常采用下垂控制對(duì)逆變器進(jìn)行控制，以提供電壓支撐并合理功率分配。靈活的逆變器技術(shù)大大促進(jìn)了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

2.2 變頻器控制技術(shù)在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用

在可再生能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟，最具規(guī)?；l(fā)展的發(fā)電技術(shù)，并且具有清潔環(huán)保，建設(shè)占地少，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電既可獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電可以采用直接并網(wǎng)和通過變換器并網(wǎng)兩種方式進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。直接并網(wǎng)方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其運(yùn)行方式是不加控制的直接并網(wǎng)。由于受風(fēng)力大小變化的影響，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有間歇性和波動(dòng)性，很容易對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，并影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。為了限制異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)較大的沖擊電流，一般還需配備軟并網(wǎng)裝置，并在出口處安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。采用變速恒頻控制的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過變換器并網(wǎng)可以有效解決直接并網(wǎng)帶來的問題。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子側(cè)繞組與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)。交流勵(lì)磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，因此通過變頻器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率。由于變頻器僅供給轉(zhuǎn)差功率，其容量較小，投資少，發(fā)電效率高。通過最大功率點(diǎn)的跟蹤控制，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最佳功率輸出，從而提高發(fā)電效率。在風(fēng)速變化的情況下，可實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，在提高了機(jī)組發(fā)電效率的同時(shí)，減少了力矩的脈沖幅度，從而降低了對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度要求。通過合理的控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率、無功功率解耦控制，使其具備電壓的控制能力。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)，極大的解決了異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)較大沖擊電流影響電網(wǎng)穩(wěn)定的問題。不斷創(chuàng)新的控制方法使電力電子裝置充分發(fā)揮了改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的作用，改善了風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行特性，提高了風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。變頻器及其控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電日益展現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)大大促進(jìn)了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

3 電力電子技術(shù)在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用

3.1 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)接入將會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生重要影響［7］。其中對(duì)電能質(zhì)量的不利影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面的：（1）容易引起電壓波動(dòng)。隨著可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的在供電系統(tǒng)所占比重的不斷增加，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的啟停，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的短時(shí)驟變，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)電壓反饋控制裝置相互作用等都易引起電壓波動(dòng)［8］。（2）容易引起諧波問題。隨著含有半導(dǎo)體等非線性電氣元件的各種整流裝置、大容量變頻器、大型交直流變換裝置以及其他的電力電子裝置的使用和含有非線性材料用電設(shè)備的增加，大量的諧波注入電網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓、電流波形畸變。諧波的產(chǎn)生，對(duì)電能質(zhì)量是一種污染，降低了供電品質(zhì)，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來危害［9-10］。

3.2 電力電子技術(shù)在提高電能質(zhì)量中的應(yīng)用

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)作為一種新發(fā)電形式，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電等發(fā)電模式相比，還存在許多需提高的地方。同時(shí)，大量非線性電力電子器件的使用，電能質(zhì)量問題引起人們的高度重視。為了提高電能質(zhì)量，人們采用類似于柔性輸電技術(shù)來控制可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中現(xiàn)有的電力電子裝置，實(shí)現(xiàn)控制有功功率和無功功率輸出、改善三相不平衡和抑制諧波的目的。

針對(duì)電力電子技術(shù)在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用，世界各國進(jìn)行了大量深入的研究。在諧波抑制方面，在向電網(wǎng)注入有功功率的基礎(chǔ)上，通過諧波抑制策略控制逆變輸出諧波，補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量［10］。為了提高電壓和頻率穩(wěn)定性，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可以采用下垂控制方法，對(duì)頻率和電壓進(jìn)行控制，尤其在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)起到電壓支撐作用。CUSTOMPOWER技術(shù)的是改善電能質(zhì)量的一種重要方法，它綜合電力電子控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息通信技術(shù)，為電力用戶提供高品質(zhì)電力供應(yīng)。該方法在改善用戶電能質(zhì)量方面將發(fā)揮重要作用。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些用于快速控制的電氣設(shè)備陸續(xù)被開發(fā)出來并得以應(yīng)用。以固態(tài)斷路器（SSB）、靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensation）、靜態(tài)無功發(fā)生器（Static Var Generator）和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（Dynamic Voltage Regulator）為代表的現(xiàn)代電力電子控制器用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)控制已經(jīng)得到充分的論證，這些設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制又能實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬變電能質(zhì)量問題的控制［8］。由于一些電力電子設(shè)備價(jià)格過高，限制了其在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和供電企業(yè)以及電力用戶人們對(duì)于電能質(zhì)量的關(guān)注，電力電子設(shè)備的成本將逐漸降低，其性能也將逐漸提高，其在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用將具有廣闊前景。

4 電力電子在儲(chǔ)能中的應(yīng)用

由于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)如太陽能、風(fēng)能等能源受自然環(huán)境和氣候條件的影響較大，其輸出功率具有間歇性和波動(dòng)性。為了提高供電品質(zhì)，往往需要為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配備一定容量的儲(chǔ)能裝置，以平滑可再生能源發(fā)電系統(tǒng)功率輸出，減少對(duì)電網(wǎng)的影響。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置之間的能量交換提供了靈活的接口。電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能以及超導(dǎo)儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)已在可在生能源發(fā)電中有所應(yīng)用［11-15］。

電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)存電能時(shí)，運(yùn)用電力電子技術(shù)先將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能儲(chǔ)存在蓄電池或電容器中；當(dāng)需要釋放電能時(shí)，再通過電力電子裝置將儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)換為與系統(tǒng)兼容的交流電向電網(wǎng)供電。

飛輪儲(chǔ)能是一種電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能技術(shù)。它通過電力變換器可實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的電能與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)子機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。新型材料和制造技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)了由理論向?qū)嶋H應(yīng)用的跨越。

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括超導(dǎo)磁體和變流器。電流在由超導(dǎo)磁體構(gòu)成的閉合電感中不斷循環(huán)，而不會(huì)消失。變流器主要有電流源型逆變器和電壓源型逆變器兩種，它來控制儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的能量交換。超導(dǎo)儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比具有可以長期儲(chǔ)存能量損耗小，能量存儲(chǔ)密度高，能量返回率高，能量的釋放速度快等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用到可再生能源發(fā)電中，還存在存儲(chǔ)容量較小、可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差的缺點(diǎn)。電力電子技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)需要融合發(fā)展，不斷提高儲(chǔ)能容量和安全性、可靠性，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況和電力用戶需要安全可靠地吸取和釋放電能，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

面對(duì)全球日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和環(huán)境問題，開發(fā)利用可再生能源發(fā)電已成為世界各國保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的共同選擇。電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及前景，可再生能源發(fā)電的發(fā)展又為電力電子技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊空間。

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