电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用

张 嵩谷 鸣李 莹

1.国网技术学院 山东 济南 250002

2.国网山东省电力公司 山东 济南 250001

3.山东电子职业技术学院 山东 济南 250200

0 引言

随着经济社会的发展，世界能源需求持续增长，能源资源和环境问题日益突出，加快开发利用可再生能源已成为各国应对日益严峻的能源环境问题的重要措施。可再生能源发电，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可持续利用等特点，是有利于人与自然和谐发展的重要电力资源［1-3］。可再生能源发电系统已经成为各国电网建设的重要组成部分。

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。电力电子技术的发展为可再生能源发电提供了重要的技术支持，而可再生能源发电的兴起也为电力电子技术的进一步发展提供了契机。本文主要论述了可再生能源发电的发展现状，从电能交换、提高电能质量以及电能存储等方面详细介绍了电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用。

1 可再生能源发电的发展现状

1.1 可再生能源发电已成为能源发展的重要领域

随着能源形势日益严峻和对保护环境的重视，可再生能源领域的竞争越来越激烈。 根据联合国环境规划署2014年4月7日发表的《2014年可再生能源投资全球趋势》指出，2013年全球在可再生能源方面的投资为2144亿，可再生能源的市场份额稳步上升，除大型水力发电项目外，其市场份额占新装发电量的43.6%，占全球发电总量的份额从2012年的7.8%上升至8.5%。一些国家新增可再生能源发电装机占全部新增发电装机的三分之二以上。其中，在全球经济继续低迷的背景下，全球风电保持了良好发展势头。据全球风能理事会（GWEC）统计数据显示，2013年全球新增风电装机容量达35289MW，累计风电装机达到318105MW，全球风力发电装机容量趋势如图1所示。同时，太阳能发电也得到各国重视，由中国太阳能光伏顾问委员会和中国光伏产业联盟共同发布的 《2013中国光伏产业发展报告》指出，2013年全球光伏发电新增装机容量超过36000MW，累积装机容量达到132000MW，太阳能发电成为2013年全球可持续能源重点投资领域，全球光伏发电装机容量趋势如图2所示。

图1 全球风力发电装机容量趋势图

图2 全球光伏发电装机容量趋势图

1.2 可再生能源发电在全球电力供应中发挥重要作用

可再生能源已在许多国家能源和电力消费中占有重要地位，2012年，全球可再生能源发电装机超过14.7亿千瓦，占全球发电装机总量的26%，发电量占比也超过21%。其中，丹麦风电占全部电力消费的20%，德国的可再生能源发电量达到该国总发电量的25.1%，西班牙出现过多次风电出力满足全部用电负荷50%的情况，我国可再生能源发电装机规模占总发电装机比例达28%，可再生能源发电量约占全国总发电量的20%。可见可再生能源已在全球能源体系中发挥重要作用。

1.3 可再生能源在各国能源战略地位逐步明确

为实现能源战略转型，走可持续发展道路，各国制定了明确的可再生能源发展规划。欧盟提出了到2020年可再生能源达到欧盟全部能源消费量20%的发展目标，其中英国、德国、法国的目标分别是15%、18%和23%。日本在福岛核事故后，也提出2020年前可再生能源发电要满足20%电力需求的目标。丹麦提出了到2050年完全摆脱对化石能源依赖的宏伟战略。我国提出了到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右的目标。加快开发利用可再生能源已成为国际社会的共识和共同行动，可再生能源发电将得到迅速发展［4］。

2 电力电子技术在电能质量转换中的应用

可再生能源发电系统相对于传统火力发电系统，其发出的电能与现有电力系统的用电设备的要求不匹配，往往需要通过电力变换器对可再生能源发电系统输出的电能进行转换才能达到并网要求。可再生能源发电系统主要有两种并网方式：逆变器并网方式和变频器并网方式。

2.1 逆变器控制技术在可再生能源发电中的应用

并网逆变器通过合理的控制，可以使可再生能源发电系统以功率因数为1进行并网，并且并网电流可以控制的接近正弦波从而提高电能质量，因此在可再生能源发电系统并网发电中得到广泛应用［5］。在保证正常的供电的基础上，各国纷纷研究逆变器的电路拓扑结构和并网控制方法，以满足系统动态响应速度的要求并提高变换效率。由于自然条件和周边环境等因素的影响，光伏发电等可在能源发电系统输出功率往往具有随机性和波动性，需要配合最大功率点跟踪控制，以保证其输出功率平滑，减少对电网运行的冲击，提高电网运行的安全性和稳定性。可再生能源发电系统并网时，结合瞬时无功功率理论，采用电压电流双闭环控制策略和PWM调制技术，实现有功和无功的解耦控制，很好的解决了功率跟踪、功率因数提高和谐波抑制等问题，并且保证了并网逆变器的快速的动态响应，为可再生能源发电提供了良好的并网方案［6］。

随着可再生能源发电渗透率的不断提高，可再生能源在电力供应中占有越来越重要的地位。当公共电网出现供电中断时，可再生能源发电系统可以向本地负载继续供电，从而形成一个自给式的供电孤岛。“孤岛”现象会严重影响电力系统的安全正常运行以及检修人员的安全，如何快速、准确的进行“孤岛”检测和控制是可再生能源发电技术中的重要技术。人们通过检测电压、频率和相位的变换等方法来判断可再生能源发电系统是否进入 “孤岛”运行，并控制保护装置动作，从而实现可再生能源发电系统持续供电从而提高供电可靠性。在孤岛运行模式下，通常采用下垂控制对逆变器进行控制，以提供电压支撑并合理功率分配。灵活的逆变器技术大大促进了可再生能源发电系统的发展。

2.2 变频器控制技术在可再生能源发电中的应用

在可再生能源发电技术中，风力发电是技术最成熟，最具规模化发展的发电技术，并且具有清洁环保，建设占地少，施工周期短等优点，因此在世界范围内得到快速发展。风力发电既可独立运行，也可并网运行。风力发电可以采用直接并网和通过变换器并网两种方式进行并网发电。直接并网方式的风力发电机主要是并网型异步风力发电机组，其运行方式是不加控制的直接并网。由于受风力大小变化的影响，风力发电系统具有间歇性和波动性，很容易对电网形成冲击，并影响电网的电能质量，严重时会影响电网运行的安全性和稳定性。为了限制异步发电机在并网瞬间出现较大的冲击电流，一般还需配备软并网装置，并在出口处安装无功补偿设备。采用变速恒频控制的双馈感应发电机通过变换器并网可以有效解决直接并网带来的问题。双馈感应发电机的定子侧绕组与电网相连，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励。交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，因此通过变频器的功率仅仅是转差功率。由于变频器仅供给转差功率，其容量较小，投资少，发电效率高。通过最大功率点的跟踪控制，可实现风力发电系统的最佳功率输出，从而提高发电效率。在风速变化的情况下，可实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，在提高了机组发电效率的同时，减少了力矩的脉冲幅度，从而降低了对风机的机械强度要求。通过合理的控制策略可以实现对风力发电机组有功功率、无功功率解耦控制，使其具备电压的控制能力。变速恒频风力发电系统在并网时，极大的解决了异步发电机并网时较大冲击电流影响电网稳定的问题。不断创新的控制方法使电力电子装置充分发挥了改善风力发电系统运行性能的作用，改善了风力发电的运行特性，提高了风力发电接入电网的稳定性、安全性和经济性。变频器及其控制技术的不断发展，使得风力发电日益展现出它的优势，同时大大促进了可再生能源发电系统的发展。

3 电力电子技术在改善电能质量方面的应用

3.1 可再生能源发电系统对电能质量的影响

可再生能源发电系统接入将会对电网电压、电能质量、继电保护、系统运行可靠性和稳定性等方面产生重要影响［7］。其中对电能质量的不利影响主要体现在以下两个方面的：（1）容易引起电压波动。随着可再生能源发电系统的在供电系统所占比重的不断增加，可再生能源发电系统的启停，可再生能源发电系统输出功率的短时骤变，可再生能源发电系统与大电网电压反馈控制装置相互作用等都易引起电压波动［8］。（2）容易引起谐波问题。随着含有半导体等非线性电气元件的各种整流装置、大容量变频器、大型交直流变换装置以及其他的电力电子装置的使用和含有非线性材料用电设备的增加，大量的谐波注入电网引起电网电压、电流波形畸变。谐波的产生，对电能质量是一种污染，降低了供电品质，同时对电网的安全、稳定和经济运行带来危害［9-10］。

3.2 电力电子技术在提高电能质量中的应用

可再生能源发电系统作为一种新发电形式，与传统的火力发电等发电模式相比，还存在许多需提高的地方。同时，大量非线性电力电子器件的使用，电能质量问题引起人们的高度重视。为了提高电能质量，人们采用类似于柔性输电技术来控制可再生能源发电系统中现有的电力电子装置，实现控制有功功率和无功功率输出、改善三相不平衡和抑制谐波的目的。

针对电力电子技术在改善电能质量方面的应用，世界各国进行了大量深入的研究。在谐波抑制方面，在向电网注入有功功率的基础上，通过谐波抑制策略控制逆变输出谐波，补偿电网中的谐波，从而提高电网电能质量［10］。为了提高电压和频率稳定性，可再生能源发电系统可以采用下垂控制方法，对频率和电压进行控制，尤其在孤网运行时对电网起到电压支撑作用。CUSTOMPOWER技术的是改善电能质量的一种重要方法，它综合电力电子控制技术、自动化技术和信息通信技术，为电力用户提供高品质电力供应。该方法在改善用户电能质量方面将发挥重要作用。

随着电力电子技术的发展，一些用于快速控制的电气设备陆续被开发出来并得以应用。以固态断路器（SSB）、静止无功补偿器（Static Var Compensation）、静态无功发生器（Static Var Generator）和动态电压调节器（Dynamic Voltage Regulator）为代表的现代电力电子控制器用于可再生能源发电系统控制已经得到充分的论证，这些设备即可以实现连续控制又能实现对瞬变电能质量问题的控制［8］。由于一些电力电子设备价格过高，限制了其在可再生能源发电系统中的应用。随着电力电子技术的发展和供电企业以及电力用户人们对于电能质量的关注，电力电子设备的成本将逐渐降低，其性能也将逐渐提高，其在改善电能质量方面的应用将具有广阔前景。

4 电力电子在储能中的应用

由于可再生能源发电系统如太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，其输出功率具有间歇性和波动性。为了提高供电品质，往往需要为可再生能源发电系统配备一定容量的储能装置，以平滑可再生能源发电系统功率输出，减少对电网的影响。

现代电力电子技术的快速发展，为可再生能源发电系统与储能装置之间的能量交换提供了灵活的接口。电池储能、超级电容器储能、飞轮储能以及超导储能等储能技术已在可在生能源发电中有所应用［11-15］。

电池储能和超级电容器储能系统在储存电能时，运用电力电子技术先将交流电能转换为直流电能储存在蓄电池或电容器中；当需要释放电能时，再通过电力电子装置将储存的直流电能转换为与系统兼容的交流电向电网供电。

飞轮储能是一种电能与机械能相互转换的储能技术。它通过电力变换器可实现可再生能源发电系统的电能与飞轮储能系统的飞轮转子机械能的转换。新型材料和制造技术以及电力电子技术的发展，使飞轮储能技术的实现了由理论向实际应用的跨越。

超导储能系统主要包括超导磁体和变流器。电流在由超导磁体构成的闭合电感中不断循环，而不会消失。变流器主要有电流源型逆变器和电压源型逆变器两种，它来控制储能系统和电网之间的能量交换。超导储能与其他储能技术相比具有可以长期储存能量损耗小，能量存储密度高，能量返回率高，能量的释放速度快等优点。

现有的储能技术运用到可再生能源发电中，还存在存储容量较小、可靠性和经济性较差的缺点。电力电子技术和储能技术需要融合发展，不断提高储能容量和安全性、可靠性，实现储能系统能够根据电网运行状况和电力用户需要安全可靠地吸取和释放电能，保障电网的稳定和经济运行。

5 结束语

面对全球日益严峻的能源形势和环境问题，开发利用可再生能源发电已成为世界各国保障能源安全、应对气候变化、实现可持续发展的共同选择。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及前景，可再生能源发电的发展又为电力电子技术的应用提供了广阔空间。

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