电力电子技术在可再生能源中的应用.docx

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电力电子技术在可再生能源中的应用

电力电子技术在可再生能源电力系统中的应用

杨慧敏

（河南理工大学电气学院电力系统及其自动化河南省焦作市454000）

摘要：

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。

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。

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。

并对逆变器及并网控制技术、太阳能充电控制器、变速恒频风力发电系统、燃料电池功率调节系统及可再生能源发电系统中的谐波抑制技术等电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用和发展趋势进行了详细的综述，为再生能源发电系统中的电力电子技术研究提供了有价值的参考。

关键词：

可再生能源；风力发电；太阳能光伏发电；综合发电；电力电子技术

Powerelectronictechnology’sapplicationofthepowersysteminrenewableenergy

YangHuiMin

（Henanuniversityoftechnology,Jiaozuo454000,China）

Abstract:

Powerelectronictechnologyasarenewableenergytechnologies,directlyrelatedtotherenewableenergytechnology.Withtherapideconomicgrowthandtheoverallsocialprogress,China'senergysupplyandenvironmentpollutionproblemisbecomingmoreandmoreserious,thedevelopmentandutilizationofrenewableenergyneedsmorecompelling.Thispaperaimstoprovideanoverviewofpowerelectronictechnologyinrenewableenergyoftheapplicationofthesystem,includingwindpower,solarphotovoltaicpowergeneration,andfuelcell,forreaderswithrenewablepowergenerationsystemofpowerelectronictechnologyapplicationsreference.Andtheinverterandgridcontroltechnology,solarchargingcontroller,VSCFwindpowersystems,fuelcellpowercontrolsystemandrenewablepowergenerationsystemofharmoniccontroltechnology,powerelectronictechnologyinrenewableenergysystem,theapplicationanddevelopmenttrendforthedetailedreview,forrenewableenergypowersystemofpowerelectronictechnologyresearchprovidesvaluablereference.

Keywords:

renewableenergy;windpower;solarphotovoltaicpower;comprehensivepower;powerelectronictechnology

中图分类号：

TM344.1文献标志码：

A

1引言

从目前世界的能源结构来看，以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。

太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。

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。

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。

2可再生能源发电系统简介

2.1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。

Ⅱ.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。

　自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研

图1两种风力发电系统的结构

Figure.1twokindofwindpowergenerationsystemstructure

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。

图2太阳能光伏并网发电系统

Figure.2solarphotovoltaic（pv）gridpowergenerationsystem

2.2光伏发电系统

光伏发电系统结构图如图2所示。

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1～5kW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25～30%）。

（c）混合式光伏系统：

太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统，组成混合式分布电力系统，应用于无电或缺点地区。

2.3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。

依据电解质的不同，燃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。

图3燃料电池发电系统的结构

Figure.3fuelcellpowergenerationsystemsstructure

2.4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。

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。

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4新能源混合发电系统结构

Figure.4newenergymixpowergenerationsystemstructure

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，带动发电机组成电力系统。

图4所示为混合发电系统结构。

3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。

3.1关键技术

3.1.1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。

图5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。

图5多电平交流逆变电路结构

Figure.5multilevelinvertercircuitstructureexchange

3.1.2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。