電力電子技術(shù)在新能源中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在新能源中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)是一門(mén)新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)主要用于電力變換。目錄CONTENTS010203緒論電力電子技術(shù)在太陽(yáng)能中的應(yīng)用電力電子技術(shù)在風(fēng)能中的應(yīng)用總結(jié)04：緒論

電力電子技術(shù)應(yīng)用具有良好的產(chǎn)業(yè)和節(jié)能效益：第一，優(yōu)化電能質(zhì)量，降低電能生成和傳輸過(guò)程中的諧波及畸變；第二，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的工業(yè)伺服控制，提高電力使用效能；第三，為工業(yè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠、潔凈和滿足具體要求的電能供給。第四，完成電力形式轉(zhuǎn)換，以便電能生成和并網(wǎng)傳輸。

01新能源(NE）：又稱非常規(guī)能源。是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。1太陽(yáng)能（solarenergy），是指太陽(yáng)的熱輻射能（參見(jiàn)熱能傳播的三種方式:輻射），主要表現(xiàn)就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。2地?zé)崮堋睪eothermalEnergy〕是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來(lái)自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發(fā)及地震的能量。3風(fēng)能(windenergy)空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)化形式。由于太陽(yáng)輻射造成地球表面各部分受熱不均勻，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平氣壓梯度的作用下，空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。風(fēng)能資源的總儲(chǔ)量非常巨大，一年中技術(shù)可開(kāi)發(fā)的能量約5.3X10^13千瓦時(shí)。風(fēng)能是可再生的清潔能源，儲(chǔ)量大、分布廣，但它的能量密度低（只有水能的1/800），并且不穩(wěn)定。在一定的技術(shù)條件下，風(fēng)能可作為一種重要的能源得到開(kāi)發(fā)利用。風(fēng)能利用是綜合性的工程技術(shù)，通過(guò)風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能、電能和熱能等。新能源的分類4

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過(guò)各種物理過(guò)程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、海流能等形式存在于海洋之中。海洋能的利用是指利用一定的方法、設(shè)備把各種海洋能轉(zhuǎn)換成電能或其他可利用形式的能。由于海洋能具有可再生性和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此是一種亟待開(kāi)發(fā)的具有戰(zhàn)略意義的新能源。5

生物質(zhì)能是自然界中有生命的植物提供的能量。這些植物以生物質(zhì)作為媒介儲(chǔ)存太陽(yáng)能。屬再生能源。據(jù)計(jì)算，生物質(zhì)儲(chǔ)存的能量為270億千瓦，比目前世界能源消費(fèi)總量大2倍。人類歷史上最早使用的能源是生物質(zhì)能。19世紀(jì)后半期以前，人類利用的能源以薪柴為主。當(dāng)前較為有效地利用生物質(zhì)能的方式有：(1)制取沼氣。主要是利用城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾、秸桿、水、人畜糞便，通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生可燃?xì)怏w甲烷，供生活、生產(chǎn)之用。(2)利用生物質(zhì)制取酒精。當(dāng)前的世界能源結(jié)構(gòu)中，生物質(zhì)能所占比重微乎其微。6核聚變是指由質(zhì)量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下（如超高溫和高壓）,發(fā)生原子核互相聚合作用,生成新的質(zhì)量更重的原子核,并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量,原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經(jīng)被人類加以利用用來(lái)發(fā)電，而裂變堆的核燃料蘊(yùn)藏極為有限，不僅產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射，傷害人體，放射性核廢料的處理也一直是讓人頭疼的難題。與之相比，核聚變輻射極少，且核聚變?nèi)剂峡梢哉f(shuō)是取之不盡，用之不竭。

核聚變是新能源，但核裂變不是新能源。：電力電子技術(shù)在太陽(yáng)能中的應(yīng)用照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約

40

分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以

供全球人類一年能量的消費(fèi)?？梢哉f(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而

且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。

從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)

電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈（無(wú)公害）；③不受資

源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易

接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。不足之處是：①照射的能量分布密度小，即要占用

巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。但總的說(shuō)來(lái)，瑕不掩

瑜，作為新能源，太陽(yáng)能具有極大優(yōu)點(diǎn)，因此受到世界各國(guó)的重視。

目前國(guó)外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速。目前的研究主要集中在空間矢量

PWM

技術(shù)、數(shù)字鎖相控制技術(shù)、數(shù)字DSP控制技術(shù)、最大功率點(diǎn)跟蹤和孤島檢出技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等。國(guó)外的有些并網(wǎng)逆變器還設(shè)計(jì)同

時(shí)具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行功能。

國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用仍以獨(dú)立供電系統(tǒng)為主，并網(wǎng)系統(tǒng)則剛剛起步。目前國(guó)內(nèi)自

主研制的并網(wǎng)逆變器存在有系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性低的弱點(diǎn)；且保護(hù)措施不全，容

易引起事故，與建筑一體化等問(wèn)題也沒(méi)有得到很好考慮。

本文主要討論太陽(yáng)能光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用；介紹獨(dú)立供電光伏系統(tǒng)和

并網(wǎng)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)；根據(jù)逆變電路不同的電路拓?fù)洌懻摿颂?yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤

技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法；最后給出了一套獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最大功率

點(diǎn)跟蹤技術(shù)和高效的逆變電路設(shè)計(jì)得到實(shí)現(xiàn)。022

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成

2.1

獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)組成

獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖

1

所示。由于太陽(yáng)能電池只能在白

天光照條件下輸出能量，根據(jù)負(fù)載需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)提

供夜間所需電力。整個(gè)光伏系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、蓄電池、負(fù)載和控制器組成。

系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。隨著光伏產(chǎn)業(yè)

的迅速發(fā)展，

太陽(yáng)能電池的價(jià)格正在逐步下降，

然而它仍是整個(gè)系統(tǒng)中最昂貴的部分。

它的容量選取影響著整個(gè)系統(tǒng)的成本。相比較而言，蓄電池價(jià)格較為低廉，因此可以

選取相對(duì)較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽(yáng)能電池所發(fā)出的功率。另外，在與

負(fù)載容量配合時(shí)，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對(duì)系統(tǒng)容量留出一定裕度。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。隨著光伏產(chǎn)業(yè)

的迅速發(fā)展，

太陽(yáng)能電池的價(jià)格正在逐步下降，

然而它仍是整個(gè)系統(tǒng)中最昂貴的部分。

它的容量選取影響著整個(gè)系統(tǒng)的成本。相比較而言，蓄電池價(jià)格較為低廉，因此可以

選取相對(duì)較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽(yáng)能電池所發(fā)出的功率。另外，在與

負(fù)載容量配合時(shí)，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對(duì)系統(tǒng)容量留出一定裕度。獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)組成

與獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)相比，并網(wǎng)系統(tǒng)一般都沒(méi)有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，直接由并網(wǎng)逆變器

接太陽(yáng)能電池和電網(wǎng)，如圖

2

所示。并網(wǎng)逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太

陽(yáng)能電池輸出較大范圍內(nèi)變化時(shí)，能始終以盡可能高的效率將太陽(yáng)能電池輸出的低壓

直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。太陽(yáng)能電池輸出的大范圍變動(dòng)，主要

原因是白天日照強(qiáng)度的變化。從上述分析可以看到:太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源的應(yīng)用技術(shù)正在得到迅速發(fā)展，而電力電子技術(shù)作為其中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展起著決定性作用。

：電力電子技術(shù)在太陽(yáng)風(fēng)能中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電是低碳新能源中最具開(kāi)發(fā)條件，商業(yè)化發(fā)展前景和潛力最大的的發(fā)電方式之一。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的效率和電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而應(yīng)用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)是有效的實(shí)現(xiàn)手段，本文總結(jié)了在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用較多的幾種電力電子器件及控制技術(shù)，分析了各種方法的特點(diǎn)、功用和發(fā)展。

風(fēng)能是潔凈的，可再生的，儲(chǔ)量很大的低碳能源，為了緩解能源危機(jī)和供電壓力，改善生存環(huán)境，在20世紀(jì)70年代中葉以后受到重視和開(kāi)發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：施工周期短，投資靈活，實(shí)際占地少，對(duì)土地要求低等，但仍在并網(wǎng)、輸電、風(fēng)機(jī)控制等方面存在問(wèn)題，阻礙了風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用。因此，要大規(guī)模的應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)到風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中，有效的解決現(xiàn)有問(wèn)題，使得風(fēng)力發(fā)電成為電力行業(yè)的生力軍。本文將從不同角度展現(xiàn)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。031.蓄電池

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在與其它發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行時(shí)通常使用蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。在風(fēng)力-柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行中，采用配備蓄電池短時(shí)儲(chǔ)能的措施，可避免由于風(fēng)力及負(fù)荷的變化而造成的柴油機(jī)的頻繁起動(dòng)與停機(jī)。此外，蓄電池還可以減少柴油機(jī)的輕載運(yùn)行，使其絕大部分時(shí)間運(yùn)行在比較合適的功率范圍內(nèi)。同樣的，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電中，也使用蓄電池作為主要的儲(chǔ)能方式。鑒于蓄電池成本考慮，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。

2.超導(dǎo)儲(chǔ)能器(SMES)

開(kāi)發(fā)超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能的可行性，美國(guó)在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究了。超導(dǎo)線圈可在超導(dǎo)溫度下流過(guò)極高電流密度的大電流而不消耗電能，是儲(chǔ)存電能的最佳選擇之一。利用超導(dǎo)儲(chǔ)能可以吸收或發(fā)出有功和無(wú)功功率，響應(yīng)快，容量大，大大減少了電路的損耗。

使用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率穩(wěn)定，從而使電網(wǎng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)在詳細(xì)介紹了超導(dǎo)儲(chǔ)能SMES的調(diào)節(jié)原理及其最優(yōu)控制方法的基礎(chǔ)上，提出在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，建立了SMES模型，同時(shí)用基因算法對(duì)SMES的控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，仿真結(jié)果表明，SMES單元用于并網(wǎng)形風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和頻率的同時(shí)控制，提高了輸出穩(wěn)定性。結(jié)論：

開(kāi)發(fā)風(fēng)力，光等資源，電力電子器件的應(yīng)用和先進(jìn)的控制技術(shù)是關(guān)鍵。將最新的電力電子技術(shù)、控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，提高風(fēng)力發(fā)電的效率和電力變換質(zhì)量、降低風(fēng)電的成本，使得清潔可再生能源逐步替代傳統(tǒng)的化石燃料，以改善人類生存的環(huán)境，提高人們的生活水平，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。總結(jié)04

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，電力的應(yīng)用，使人類從原始走向文明?？傊?，電力電子技術(shù)在全球能源危機(jī)以及環(huán)境問(wèn)題上具有獨(dú)特的特點(diǎn)，發(fā)揮著其重要的作用，并且其潛力是非常大的。