具有电功质量调节的光能联网发电与无功补偿及控制技术应用和发展研究

高潮

（深圳信息职业技术学院学报编辑部，广东 深圳 518172）

具有电功质量调节的光能联网发电与无功补偿及控制技术应用和发展研究

高潮

（深圳信息职业技术学院学报编辑部，广东 深圳 518172）

基于开关功率开关变流器技术，光能并网发电电工技术的可靠变换正在进一步发展，另一方面功率开关器件装置组成系统已经成为许多领域不可或缺的基本设备。在信息数字革命时代的二十一世纪上半叶，对电功调节光能联网发电，并网型兆瓦级电功调节光能联网发电，无功补偿及控制技术要求也相对提高。论文讨论了具有电功调节的光能联网发电与无功补偿及控制技术的应用和发展。

电网 ；质量控制；补偿技术；电功调节；光/电能

1 电能质量调节与光能并网发电

光能并网发电中光电子技术是光子技术和电子技术结合而成并标志着未来信息产业的核心技术。通常并网型光伏发电通常有一定容量的光发电机组构成发电机群，由于光伏发电是一种特殊的电力形式，光源电功率器件在未来电子通信、生物医疗等领域也是不可缺乏的功率电子开关器件。从可再生能源利用的角度考虑，希望尽量扩大光伏发电的范围，而其本身的运行规律使得井网运行对电网的电能质量以及安全稳定运行构成一定的要求。并网光电电场电能质量是依靠太阳能电池组件再利用半导体材料的电子学特性，太阳光照射在光半导体器件PN结其由于结势垒区产生了较强的内建静电场，在静电场的作用下，电子和空穴向相反方向运动，离开势垒区，结果使电势升高，区电势降低从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。光伏联网的直流交流逆变器可以将直流电经过电力电子开关变流技术等措施变换成交流电，由于太阳能电池发出的直流电所以一般的负载是交流负载逆变器是不可缺少的。并网逆变器用于太阳能电池发电系统并在并网逆变器中用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电能电网应用中。如图1所示为结构方框图。

图1 发电系统的基本结构方框图Fig.1 The power system of blockgramm

为了满足输电系统故障时发电机不脱网运行，并保证发电机制系统安全的要求，能源设备都在向智能化方向发展。每一个网络能源设备，都是动力环境监控系统中的一个结点。为每台设备分配一个控制地址，它们就可以互相连接，实现远程通信与管理。当这种通信具有分布式特性时，每台设备不但要支持IP，还应有唯一的设备编码，具体保护自己的安全特性。可以通过控制电子开关将电机从电网中切除，以保护机组的安全，故障切除后，又通过电子开关将机组迅速投入电网运行，对电网恢复正常运行起到积极的支持作用。我国自“十五”期间以对理想光伏电网条件下的运行控制进行了较为深入的分析和研究。 电网表现出非理想特性，电压骤降 ，这种故障下提高并网光电电场机组对这种故障的适应能力。深圳市关于并网光电电场发电设备研究、设计和生产方面，某些技术已走在国内同行的前面，因此走并网光电电场发电系统国产化的道路、掌握核心技术，形成产业规模，既可以满足国内风源地区需求，又可以出口到有光源的国家、地区，从而带动我国产业的发展，产生巨大的社会、经济效益。 这不仅使并网光电电场发电技术国产化发展的需要，同时也是推动我国光电技术向国外先进水平迈进、打破国外生产商在该市场上的垄断局面迅速发展的需要。目前国内并网光电电场市场蓬勃发展，对光电发电机组的需求与日俱增从沿海地区来看，都是发展并网光电电场的绝佳地方，其前景非常广阔。以目前一年生产1000台兆瓦级并网光电电场发电系统，如果并网光电电场发电设备投入按6000元/kW计算，每年的产值将超过100亿元以上，由此看，发展并网光电电场发电的社会经济效益十分显著 。

2 电能质量调节并网发电与无功补偿

在工业生产的发展基础上电力电子电网中电功率能质量问题、电能质量问题主要表现在无功损耗和谐波危害这些电力电子公害问题，需要有效地加以补偿无功功率降低网络损耗以便可以更好的提高供电系统的电能质量。直流与交流的互相转换离不开电力电子开关。但是电子开关装置及设备有损耗，电力电子技术就是研究如何降低这个损耗并保证器件安全。由变压与隔离的需要而引入了变压器，实际的变压器在实现变压与隔离的同时并带来了电感效应，在电力供电系统中采用兼顾电网电压和无功的综合控制策略后，可以进行无功的实时智能补偿，实现无功功率供需就地平衡；从而可以更好提高功率因数改善电压质量和降低网络损耗。随着动力环境集中监控系统的广泛应用，网络能源及其相关的配套设备广泛被远程监控，远程监控引导着维护模式的变革。光伏能源网络时代，能源网络的核心是无处不在的监控，通过监控手段进行网络能源维护和管理。在开关电力电子变流器中，大功率变压整流器电路为正弦电压，通过LC组合变量器接整流器到负载。由于负载是直流，可以等效为电阻；开关的电压电流基本同相开与关过程中电压电流的上升/下降的交越区即损耗区将缩减到最小值，损耗也就随之下降。

3 基于电网电能质量调节的电力电子控制

多重积分控制的应用，突破了开关周期对控制方法的限制，为电功调节光能联网发电，无功补偿脉冲宽度调整技术控制增添了新的思路。

图2 基本三角波脉冲多重前控积分控制Fig.2 The basemend blockgrang of PWM

对于其外部输入随着时间变化的延时的网络，同样对他们的存在和周期性解决方法的指数稳定性取得一些标准。总和增量(ΣΔ)控制、脉冲面积调制、预测开关调制等方法是极具代表性的控制方法，在电力电子变流器控制领域中应用进一步明确开展。工业单周控制的概念：单周控制能够保证被控量与参考信号在每一个开关周期中的平均值相等或成正比。当主电路开关ON时，y(t) = x(t)，当主电路开关OFF时，y(t) = 0，这样，送入积分器的被控量y(t) 虽然只在ON时间内被积分，但是，在OFF时间内正是因为y(t) = 0，所以相当于在整个开关周期内y(t)被积分。也就是说，单周控制必须满足在OFF时间内被控量恒为0的条件。如果对单周控制进行拓展，可以开展恒TON、恒TOFF开关控制方式。恒TOFF开关控制方式的方程为

在此方程中，不难发现，控制仍然必须满足OFF时间内被控量恒为0的条件。而恒TON开关控制方式的方程为

分析和比较了峰值电流模式(LPCM)控制和非线性载波(NLC)控制的基础上，将其用于高功率因数Boost整流器的控制。实际电流在每一个开关周期结束时与参考电流相等。调制器使用两个复位积分器来产生载波。高功率因数Boost整流器的控制目标为。Re是整流器的等效电阻，f(ig) 是电感电流的函数。对于不同的控制方法，f(ig)函数是不同的。预测开关调制采用的预测方程为

上式最右边项代表Boost变换器开关关断时电流的预测值，经过进一步推导，它是时间的二次函数，该预测值是由调制函数实现的。预测开关调制获得占空比信息的方法仍然是基于开关周期的概念，因此它不知道整个开关周期的积分值，无法实现实际电流在一个开关周期的平均值的计算，调制函数是时间的二次函数，其实现又是采用模拟电路实现的，模拟器件的分布参数和容差必然对调制函数存在较大的影响，理论分析表明，只有复位时间为零才能保证调制函数的精确实现。因此，非单调函数似乎比 活化更适合设计和执行 网络。在许多电子电路中，放大器既没有单一地放大，也没有持续可微地输出和输入的功能，而是频繁地调试。高频开关电路的设计频率是开关频率的二分之一，理论上确定双端电路的驱动开关之一的开通时间的最大值。

图3 电力电子变换器积分控制逻辑分析Fig.3 The power electronincs system

结语

光能发电形式作为一种清洁能源和可再生能源，是改善能源结构、实现能源可持续发展的有效手段之一。为了保护环境和节约常规能源的实际需要，世界上光电资源丰富的地区和国家都在大力开发光电发电电力电子装置与技术。当前集中并网光伏发电行业正在发展。太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能。

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Research on high performance switching converters with the power electronics technology

GAO Chao
（Shenzhen Institute of Information Technology,Guangdong Shenzhen,518172,P.R.China）

Declining power quality in many power electronic systems has become an important problem as illustrated by many recent surveys.Power factor correction (PFC) techniques have become attractive since several regulations have been effected recently.Many PFC AC/DC converters have been presented in recent years.

power supply;control;technology;power factor correction

TM914

：A

1672-6332（2014）03-0093-04

【责任编辑：毛蔚】

2014-07-21

广东省自然科学基金委员会项目（项目编号：SZ012010010299）

高潮（1958-），男（汉），四川省仁寿县人，教授，博士。研究方向：光机电一体化研究。E-mail：gaoc@sziit.com.cn