新能源对电力电子提出的新课题

徐德鸿，陈文杰，何国锋，施科研，李海津，严 成

（浙江大学电力电子技术研究所，杭州 310027）

引言

随着我国经济持续、稳步的发展，能源消费也持续增长。全国能源消耗总量从2000年的14.5亿t标准煤猛增至 2013 年的 37.6 亿 t标准煤［1］。 发电总量从2000年的1.3万亿kW·h增长到2013年的5.3 万亿 kW·h［2］，预计到 2020 年和 2040 年分别达到 7.3 万亿 kW·h 和 11.6 万亿 kW·h［3］。 目前我国的电力仍以煤电为主导，2013年全国火力发电的装机占总发电装机的69%［4］。煤电生产导致一系列环境问题，近年来各地频繁出现的雾霾天气也敲响了能源结构调整的警钟。

为应对气候变化，发展新能源成为我国未来能源发展的必然选择。近年来，我国可再生能源发电的装机容量快速增长。截至2013年我国非化石能源发电装机占电力总装机的比重达到30.9%，并网风电累计装机达到7 548万kW，发电量1 400亿kW·h，光伏发电并网累计装机达到1 942万kW，发电量超过 80亿 kW·h［5-6］。 预计到 2040年，风力发电、太阳能发电和其他非水可再生能源发电装机容量将占电力总装机容量的17%［3］。对可再生能源发电的迫切需求推动着以新能源发电、储能、智能电网的发展。

电力电子技术在风力、光伏、海洋能、燃料电池发电等可再生能源发电、输电、配电、用电的各环节中发挥能源变换、控制的重要作用。如何将具有波动性、间隙性、不确定的可再生能源加以有效利用，将更高比例的可再生能源导入电力系统，成为电力系统的有机组成，建设以绿色能源为主导的可持续能源格局，仍面临很大的挑战。电力电子技术将与物联系统、储能等结合成为推动智能电网发展的支撑技术。随着可再生能源发电向多种功率等级、高效率、分布式、集群化、高智能化方向的发展，更加高效、可靠、智能化的电力电子系统将在可再生能源系统中发挥越来越重要的作用，推动着可再生能源系统产生革命性的变革。

1 新能源发电

风力、光伏、海流能和燃料电池等新能源发电装置一般通过了电力电子变流器与电网的接口。

1.1 风力发电

风力发电正由陆上风电向海上风电扩展，2012年全球海上风电装机容量已经突破了5 GW大关。2011年美国能源部提出到2030年海上风电容量达到50 GW的目标。于此同时，海上风电装置的单机容量快速增加，SIEMENS已有6 MW的海上风机推向市场，ABB和VESTAS也分别研制出了7 MW和8 MW的海上风电样机。风机单机容量增加促进了电压等级的提升，一般2 MW风机的机端与并网电压为690 V左右，ABB的7 MW风机机端电压可达到3.3 kV。由于IGBT器件耐压限制、成本、性能等因素，大容量风机变流器拓扑研究得到关注［7-9］。NPC三电平变流器、变换单元连接构成多电平变流器、并联组合变流器等方案也被Gamesa、Siemens等公司采用［10-11］。另外将更加关注高电压、大功率风机变流器可靠性问题。

另一方面，海上风电场的输配电问题成为热门话题，直流配电和电压源直流输电（HVDC）在海上风电场中首先获得应用。由于电力电子变压器采用中、高频率变换和隔离技术，显著减小了变压器体积并且提高了可控性，在新能源配电中有良好的应用前景［12-13］。对此类变流器，同样存在着器件耐压受限的问题。由于采用IGCT和IEGT等高耐压器件不足满足电压等级和容量的需求［14］，目前主要的途径是采用多个变流器串联的方式，在使用低压IGBT的条件下实现电压等级和容量的提升。SiC MOSFET由于可以做成10 kV等级的功率器件，具有较好的开关特性、较低的通态损耗，并适合高温运行，作为新一代器件，将助推直流配电和电压源直流输电的推广。

此外，随着大量风电接入电网，风电对电力系统的稳定性影响也引起了广泛关注。如何从风机角度配合电力系统，提高风电并网的可靠性并减小对电力系统的影响，对大规模风电并网的实现至关重要。出现了具有同步发电机特性的风电系统的概念，试图改变风电变流器的并网特性，模拟同步发电机特性，从而实现与电力系统的最大程度兼容运行［15］。总而言之，从风电机组到风场配套的输配电设备，以及与电网的稳定协调运行，均需要依靠电力电子这一核心技术［16-17］，并对电力电子器件和电路拓扑、控制提出新的要求。

1.2 光伏发电

光伏发电变流器按用途可分为集中式发电和分布式发电。

集中式光伏变流器将朝着更大功率方向发展，当前主流机型为500 kW，目前已出现2 MW光伏逆变器。为进一步降低光伏变流器的成本，随着光伏电池成本的下降和电池转换效率的提升，将出现单机容量为数MW到数十MW光伏变流器。随着单机容量的提升，将面临MW光伏变流器直流侧电压1 kV上限的限制，主流的光伏组件最大系统电压为1 kV（IEC61215标准）。为了突破1 kV上限的限制，可以采用三电平逆变器，通过双极性实现PV逆变器直流电压的倍增。另一条途径，必须突破现有的光伏变流器直流侧电压标准，已出现1 500V系统电压的光伏组件。

分布式光伏发电可以提升电网对新能源的吸纳能力，可以避免集中式电站面临的长距离输电投资问题和长途电力运输中的损耗。截止到2013年，我国分布式光伏310万kW，计划到2015年建成分布式光伏发电总装机容量1 000万kW。由于分布式逆变器处于中小容量范围，除成本、效率外，还将关注功率密度。在分布式逆变器拓扑中，三电平逆变器具有一定的优势。到2013年，根据PHOTON测试，中小功率逆变器效率达98.6%。随着新型SiC和GaN宽禁带器件的发展，已出现一些宽禁带器件光伏逆变器的实证系统。由于SiC MOSFET器件的成本较高，预计IGBT与SiC二极管组合的混合功率器件在分布式光伏逆变器中将首先获得应用。另一方面，对于高频、高功率密度的分布式逆变器，也可以通过软开关技术降低开关损耗和提升功率密度。随着都市分布式光伏装机的增加，光伏发电在配电网中渗透率的升高，将面临间歇、不确定的光伏电能与配电网的相互作用问题［18-19］，配电网能量管理和控制将提到日程，将促进分布式储能和微电网的发展［20］。

1.3 燃料电池发电

燃料电池发展一波三折，但人们始终没有放弃对它的研发。燃料电池涉及的应用领域包括便携式电子设备、通讯移动基站电源、IT数据中心的不间断电源（USP）、电动汽车、新能源发电、船用热电联供系统、航空航天特种电源、以及军事国防领域等。燃料电池装机容量从2009年的80 MW上升到2013年的220 MW。质子交换膜燃料电池凭借其工作温度低、功率密度高、启动快等特点，适用于多种应用场合。中小功率应用领域，以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为主；在大功率固定发电系统，固体氧化物燃料电池（SOFC）具有较好发展前景。最近，燃料电池在电动汽车中应用又兴起了新一波的热浪，丰田等企业提出了量产化的目标。2013年推出了燃料电池概念车 “Toyota FCV Concept”，将于2015年正式上市。该车燃料电池电堆功率100 kW，功率密度是3 kW/L，采用70 MPa的高压氢气罐，续航里程超过500 km。

燃料电池应用在不间断供电场合优势明显，相比传统柴油发电机具有噪音小，污染小的优势，相比蓄电池可靠性高、维护成本小。随着燃料电池成本的进一步降低，基于燃料电池的不间断电源系统优势将会更加明显，具有十分诱人的发展前景。燃料电池发电应用在不间断供电系统中的关键问题是其输出电压变化范围大，并且动态响应较慢，冷启动时间和负载突变调整时间均为秒级。 因此，需要电力电子变换技术结合超级电容等储能原件来实现燃料电池供电系统的能量管理。文献［21］提出了一种适用于长备用场合的燃料电池UPS系统。为了延长燃料电池使用寿命，在电网正常时，燃料电池处在冷备用状态；电网故障时，采用无缝切换算法保证负载不间断供电，克服了燃料电池冷启动慢的不足。使用基于超级电容的能量管理单元，输出负载电流的高频分量，补偿燃料电池动态性能不足，同时保证燃料电池安全运行。为满足数据中心、核电等重大工程的极高可靠供电需求，出现了超级UPS概念，如图1所示。超级UPS系统包括了电网和燃气管道两种独立的公共供能基础设施［22］。同时包含了燃料电池和锂电池两种独立的储能装置。通过多种能源、多种储能、高可靠的电力电子功率变换实现负载的不间断、高可靠供电。超级UPS还需要有可靠的容错能力，以实现故障的快速隔离以及无缝切换，故障后系统重构和容错运行也是超级UPS中的重要研究课题。

图1 超级UPS结构简图

2 储能系统

随着越来越多的可再生能源发电系统接入电网，其输出功率间歇性波动的特点对电力系统的稳定运行带来了挑战。储能技术可以将电能的生产与消费在时间上进行解耦，减轻了新能源发电对电力系统造成的压力，目前正受到越来越多的关注［23-24］。采用储能技术，可以在光伏发电高峰时期减少40%的光伏电能注入电网，这不仅可以减轻电网负担，同时也使电网可以吸纳更多的光伏发电系统。2011年美国能源部发布的储能项目计划指出未来5～10 a，美国需要安装10～100 GW的储能容量来应对可再生能源发电的发展。在我国，《国家“十二五”科学和技术发展规划》把储能技术列为智能电网建设的关键技术，到2013年底，已经投运的储能项目在电力系统中的累计装机量为53.7 MW，占全球装机规模的7%。因此，储能技术的发展潜力巨大。

电池储能系统凭借其高能量比、高转换效率、高循环次数等特点，受到了更加广泛的关注。电池储能装置一般由电池、电池管理系统（BMS）和功率调节系统（PCS）构成。功率调节系统（PCS）是电池与电网的接口，一般由一个双向DC/AC变流器组成，它担负电池的储能管理和电网的配合。对于大容量储能系统 ，采用级联式的中压PCS的拓扑结构受到追捧，但需要每个级联模块连接的电池单元处于隔离状态，给电池和系统的维护带来不便［25］。采用直流固态变压器汇流，再连接到一个中压的DC/AC逆变器的方式并入配电网，可以简化对电池的隔离要求。而对于分布式电池储能系统，主要关注成本、功率密度、效率等指标，更倾向于采用双有源桥 （DAB）DC-DC变换器和高效率DC/AC逆变器组合的架构。

电动汽车接入电网（V2G）技术可以让电动汽车内的车载电池作为分布式的电池储能装置，协助电力系统进行调频，在国际上已有相关试验。丹麦的EDISON项目利用V2G储能技术提高电网对风能的消纳能力。日产汽车公司推出了 “LEAF to Home”系统，电动汽车用户可以在电价比较便宜的晚间对汽车的锂电池进行充电，在白天用电高峰对家庭进行供电。

对于单一的储能元件，其各项性能指标往往相互矛盾，例如比能量与比功率指标，动态特性与比能量指标。混合储能系统采用多种储能元件的组合，可以达到储能元件取长补短的效果，在满足储能系统对多个维度的性能需求的同时，还可以增加储能系统的可靠性、可用度以及容错性。多个储能元件之间如何协调，实现高可靠性、长寿命、高效率的储能，需要通过探讨混合储能系统架构理论及方法来解决这些问题。

3 微型电网

分布式电源、储能设备、局部负荷一起构成了微型电网，简称微网。微网具有环保、能源利用率高、可靠性高、电能质量好、可扩展性强等显著优点［26］。而微网内的电源、储能设备与外电网的连接等均需要通过控制灵活的电力电子装置来实现。

微网结构可以分为3大类：即交流微网、直流微网和混合微网。由于电力电子技术的迅猛发展，直流用电负荷越来越多，因此，直流微网受到热捧。直流微网中不存在交流电网的稳定性问题，没有无功的问题，电力设备的利用率得到提升；配电线路不会产生涡流损耗，传输效率更高；与直流负荷连接方便，减少了功率变换环节，降低了设备成本和电能损耗［27-28］。但目前直流微网的保护还没有规范的执行标准，以及成熟的开关的设备。

新能源和微网发展，推动了大功率变流器固态变压器（SST）研究［29］。美国北卡罗来纳州立大学的FREEDM研究小组将15 kV耐压的SiC-MOSFET应用到固态变压器中，目标把效率提升至98%。随着SiC功率器件耐压等级提高和电路拓扑技术的发展，固态变压器（SST）有可能在一些场合取代传统的工频变压器，将配电电压转换为低压电网。此外，固态变压器还具有调节电压、控制功率流动、进行电压补偿和故障限流的功能。固态变压器的开关频率能够从几kHz到几十kHz之间，因而能够显著地减小变压器的体积和重量。目前固态变压器存在成本、效率、可靠性等方面的不足，呼唤电力电子器件水平和电力电子电路变换技术的提升。图2所示为一种基于固态变压器示意。

图2 基于固态变压器示意

4 新能源发电装置与电网的作用

新能源发电系统的电网故障穿越运行能力已经在世界多国风电和光伏发电的并网标准明确提出。许多国家和地区要求了新能源发电装置在电压短时间跌落下具有穿越运行能力（LVRT）。随着未来电网中新能源发电所占比例的提高，相关的并网标准将会愈加严格。目前，丹麦的电网标准中已经要求风力发电系统具有多次（重复性）电网故障下的穿越运行能力，如图3所示，风力发电系统需要穿越间隔最短0.5 s的多次电网故障，对风电系统的设计和控制提出了新的挑战。

图3 丹麦电网标准中的重复性故障穿越要求

由于新能源并网变流器器输出存在开关频率的谐波分量，并网变流器输出阻抗与电网阻抗耦合，可能发生电网那个谐振，严重时造成谐波放大的问题。多逆变器接入电网的谐振问题时有发生，引起人们的关注［30］。目前报道的阻尼谐振方法有极点优化配置、虚拟阻抗、有源阻尼控制［31］。总体上说，目前多逆变器接入电网的谐振问题仍停留在分析阶段，研究多逆变器并网谐振原理及其谐振抑制策略具有重要的理论和实用意义。

5 结语

可再生能源技术被誉为人类的“第三次工业革命”，在过去的短短十几年中已经取得了巨大的发展，在某些国家或地区已经显著的改变了社会的能源结构。无论新能源发电装备、储能装备，还是构建交直流配电或微型电网都对电力电子器件和系统技术提出的新的要求。可再生能源发电和智能电网的发展将推动宽禁带和其他新型电力电子器件的发展，同时推动新颖电力电子电路拓扑和控制技术的持续发展。

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