可再生能源中的控制與電力電子技術(shù)研究

馮佳夢(mèng) 湯煜東 周曉旭

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，河北 唐山063000；2.國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司，北京 100052；3.北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401）

0 引言

能源是人類賴以生存的必需品，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要素，更是社會(huì)發(fā)展的重要組成部分，基于此，能源的再生直接影響著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。近幾年，由于我國(guó)發(fā)展速度過快，能源短缺問題嚴(yán)重影響了國(guó)家的發(fā)展進(jìn)度，尤其是優(yōu)質(zhì)能源問題，直接影響著我國(guó)的發(fā)展進(jìn)程，嚴(yán)重制約我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使其產(chǎn)生瓶頸?；诖耍覈?guó)在全國(guó)人大常委會(huì)對(duì)可再生能源進(jìn)行立法，使其成為當(dāng)前我國(guó)開發(fā)利用較為重要領(lǐng)域，并且要求能源發(fā)展優(yōu)先，為我國(guó)可再生能源事業(yè)提供發(fā)展方向，并為后續(xù)工作奠定有利基礎(chǔ)。

1 能源形式與可持續(xù)發(fā)展

我國(guó)一次性能源包括了以下三項(xiàng)：首先是石油，其次是天然氣，最后是煤炭化石類能源，此類能源不可再生，并且在開采的過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，尤其是空氣污染較為嚴(yán)重，此類因此已經(jīng)對(duì)人類生存環(huán)境造成了污染。我國(guó)過程性能源種類較多，具體包括了太陽能、風(fēng)能等，并且此類能源對(duì)于環(huán)境污染較少，它不僅可以再生，并且整體蘊(yùn)含量巨大，能夠滿足各類所需。

與其他能源相比較，石油類的能源屬于不可再生并且較為優(yōu)質(zhì)的能源之一。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使我國(guó)在能源消費(fèi)方面占據(jù)了世界比例的百分之十以上，并且在此過程中單對(duì)石油能源，我國(guó)整體的對(duì)外依存度超過了百分之四十。隨著油價(jià)的不斷上漲，多個(gè)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)讓石油成為世界斗爭(zhēng)的武器，此類現(xiàn)象愈演愈烈。目前占據(jù)世界前二十的石油跨國(guó)企業(yè)擁有百分之八十的石油儲(chǔ)備量，這使世界格局產(chǎn)生變動(dòng)，并且在此過程中加劇了市場(chǎng)壟斷問題，及時(shí)是發(fā)生了此類狀況，相關(guān)企業(yè)仍然選擇繼續(xù)此項(xiàng)工作，導(dǎo)致中國(guó)石油安全長(zhǎng)期被他人威脅和限制。為了解決能源問題，中國(guó)早前開啟了海外尋找石油的旅程，整體跨越了將近三十個(gè)國(guó)家，并且充分開展了多個(gè)石油開發(fā)合作，以此滿足國(guó)內(nèi)的需求，并為后續(xù)事項(xiàng)做好萬全之策。

2 風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其是非線性對(duì)象，所以整體設(shè)計(jì)難度較高，因此在設(shè)計(jì)和建設(shè)的過程中需要結(jié)合空氣電力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)考慮，并且也需對(duì)后續(xù)的機(jī)電能量進(jìn)行考慮。在機(jī)組設(shè)計(jì)和建設(shè)的過程中結(jié)合了風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率傳遞等等多個(gè)要素進(jìn)行考量，以此豐富動(dòng)態(tài)模型建設(shè)內(nèi)容，使其不斷在后續(xù)工作中發(fā)揮出相應(yīng)作用，并且降低后續(xù)設(shè)計(jì)工作中出現(xiàn)的各類影響因素，以此讓其完成實(shí)際工作需求。并且在建設(shè)的過程中還需將其與物理量相互結(jié)合，考量因素越多后續(xù)系統(tǒng)的能力越強(qiáng)，并且被考慮因素也會(huì)隨之增多，此類事項(xiàng)能夠降低發(fā)散性病態(tài)模型的出現(xiàn)。如何能夠得到一個(gè)完善的風(fēng)電機(jī)組模型是當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電中較為關(guān)鍵的內(nèi)容，所以需要相關(guān)技術(shù)人員不斷優(yōu)化此項(xiàng)工作內(nèi)容，使其能夠?yàn)檎n題提供研究條件。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)合建設(shè)內(nèi)容可以被分為兩大類，首先是自治系統(tǒng)，其次是并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。其中自治系統(tǒng)可以分為兩大類，一個(gè)是獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，另一個(gè)是互補(bǔ)運(yùn)行系統(tǒng)，而并網(wǎng)系統(tǒng)也被分為兩大類別，一個(gè)是單機(jī)并網(wǎng)另一個(gè)是多機(jī)并網(wǎng)。為了提高研究力度，相關(guān)研究人員和設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容選擇了建模的方式進(jìn)行豐實(shí)，對(duì)于后續(xù)研究原理方面，相關(guān)技術(shù)人員可以先從風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造開始研究，結(jié)合激勵(lì)模型各單元需求對(duì)此項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行分析，后續(xù)選擇適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)的特性將其有效綜合，最終得到整機(jī)的機(jī)理模型。

2.2 變速恒頻控制

當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)廣泛應(yīng)用的發(fā)電機(jī)組是并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，所以風(fēng)速風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于電網(wǎng)所造成的沖擊和污染較大，對(duì)于后續(xù)電網(wǎng)工作狀態(tài)造成了影響，并且在此過程中電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性受到了威脅。為了解決此類問題，相關(guān)設(shè)計(jì)人員經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)考量決定采用變速恒頻的方式對(duì)此進(jìn)行解決，并且在此過程中還能對(duì)輸出進(jìn)行保護(hù)，使其輸出處于恒定狀態(tài)下。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)，可以從以下兩個(gè)方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先是將發(fā)電機(jī)的輸出系統(tǒng)通過整流將其電能進(jìn)行改變，后續(xù)結(jié)合電力變流裝置對(duì)功率進(jìn)行改變，將其容量擴(kuò)大到一般容量的1.1和1.3倍，但是此項(xiàng)研究需要較高的成本進(jìn)行支持，所以實(shí)行此項(xiàng)方案的概率較小，并且整體并不切合實(shí)際。另一類方法是從風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)體入手，將其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，之后結(jié)合變流裝置，實(shí)現(xiàn)控制方案，此時(shí)變流裝置在控制通道中可以將其容量降低，并且此項(xiàng)應(yīng)用符合實(shí)際需求，因此能夠?qū)崿F(xiàn)的概率較大[1]。

3 可再生能源發(fā)電中的電力電子技術(shù)

3.1 逆變器并網(wǎng)控制裝置

可再生能源發(fā)電輸出，需要結(jié)合并網(wǎng)中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支持進(jìn)行后續(xù)聯(lián)網(wǎng)工作，并且在此基礎(chǔ)之上還應(yīng)結(jié)合變換器聯(lián)網(wǎng)，最終以DC－AC變換單元的聯(lián)網(wǎng)方式出現(xiàn)。矩陣式變換器對(duì)于電容的要求不高，只要確保相應(yīng)的可靠性即可，并且后續(xù)控制的復(fù)雜性不高，整體難度較小。目前我國(guó)可再生能源發(fā)電幾乎采取的形式是DC－AC變換單元與電網(wǎng)的連接，而此內(nèi)容中DC－AC變換單元需要確保電能的質(zhì)量和外在條件，在此基礎(chǔ)之上還需實(shí)現(xiàn)可再生能源的其他功能，以此完善風(fēng)能控制的最大功率輸出控制環(huán)節(jié)?；诖讼嚓P(guān)設(shè)計(jì)人員還需結(jié)合電路結(jié)構(gòu)對(duì)功能問題進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)無功功率的可調(diào)性，并且使其擁有較高的變換效率。目前我國(guó)對(duì)于以上內(nèi)容的研究有了相關(guān)成果，但是在研究的過程中還需對(duì)各類問題進(jìn)行解決，提高技術(shù)成果的實(shí)用性能，后續(xù)對(duì)于功率的跟蹤和控制也需進(jìn)行綜合考慮，最終統(tǒng)一系統(tǒng)算法[2]。

3.2 太陽能充電控制器

太陽能發(fā)電在我國(guó)發(fā)展中有一定不穩(wěn)定性存在，因此為了提高太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合蓄電池組的支持，以此提高太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性。在蓄電池組中鉛酸蓄電池組的整體成本較高并且使用壽命受到限制，所以在開發(fā)的過程中不支持使用。對(duì)于太陽能發(fā)電而言，蓄電池組的成本一直是影響技術(shù)推廣的主要障礙。對(duì)于太陽能發(fā)電而言，常規(guī)的充電方法一共分為以下幾種：恒流充電法、階段充電法、恒壓充電法，各類充電方式均是以特性曲線進(jìn)行。但是常規(guī)充電的方式容易受到外界因素的影響，所以后續(xù)常規(guī)充電的方式應(yīng)該采取自適應(yīng)的算法對(duì)蓄電池的控制能力和功率進(jìn)行跟蹤控制，才可確保后續(xù)工作的穩(wěn)定進(jìn)行[3]。

基于太陽能發(fā)電當(dāng)前建設(shè)形勢(shì)，我國(guó)對(duì)于太陽能的控制主要針對(duì)蓄電池組的成本問題，為了高效改變此類問題的發(fā)生，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)蓄電池組進(jìn)行高度重視。

4 結(jié)語

綜上所述，面對(duì)我國(guó)當(dāng)前能源形式，為了提高可再生能源的建設(shè)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合各類電力電子技術(shù)完善此項(xiàng)工作，以此讓其伴隨能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷提高自身能力，為后續(xù)工作奠定相關(guān)基礎(chǔ)。