新能源发电系统中的电力电子变换器

许一泽

（南方电网公司，辽宁 沈阳 510663）

0 引 言

相较于传统的能源发电方式，新能源发电具备环境影响小、可持续利用等特点，取代传统能源成为未来发展的重要趋势。电力电子变换器在新能源发电系统中起到了十分重要的作用，结合电力电子变换器的应用，新能源的开发效率不断提高。新能源发电采用分布式发电方式，逐渐成为新时代主流的能源使用方式[1]。随着我国“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，新能源开发受到了极大的关注[2]。与传统能源的发电技术相比，目前新能源发电技术虽然得到了一定改善，发展成一定规模的产业，但仍存在较多的问题亟需解决，如推进新能源发电系统的广泛使用、从机电装备主导发电向电力电子装备主导发电的演变等[3]。

1 新能源发电系统

从20世纪90年代至今，世界能源的发展就开始逐渐从传统化石能源领域转移到风能、电能、太阳能等新型能源领域。新能源更加环保低碳，主要表现在对于环境的破坏和影响很小，不会影响人们的正常生活。此外，新能源的可再生性很强，在成本上相对较低，能够实现可持续性利用。根据目前国际主流的新能源应用情况，其中以风能发电和太阳能发电为主，也有部分国家或地区主要依靠海洋发电。从世界各国的新能源发电人均占有量来看，我国在新能源领域的发展前景广阔。

新能源的并网、传输和消纳在源网荷端引入了更多的电力电子设备，电力系统呈现出显著的电力电子化发展趋势，以旋转电机为主的机电稳态过程转变为以电力电子设备的暂态过程为主。现有的火电、水电等传统机组均采用机械惯性大的同步电动机，电力系统具有较大的时间常数，系统频率以工频为主。

新能源电力在系统的操作方面具有一定的便携性、灵活性以及波动性，包括固定系统应用等方面的一些特点，高比例可再生能源接入电力系统后，灵活性成为系统运行特性的核心。混合动力系统主要由控制系统、驱动系统2种不同形式的系统组合在一起，共同作为提供电能的动力系统。混合动力系统由太阳能电池板、电容器以及其他类型的设备组成，当阳光直接照射到光伏电池板上时，太阳能电池板发挥其最大的功效将太阳能转化为电能。若电源供应来自光伏发电系统所发出的直流电，将减少逆变和升压过程。电解器耦合的方式分为直接耦合和间接耦合。直接耦合指直接将光伏板与电解器相连，该方法结构简单、成本低，但是光伏板需要与电解器的电压、电流相匹配，无法进行大规模的工程应用。间接耦合通过激光器和光伏之间增加透镜，使控制器为电解器提供电力，同时处于在一个连接阶段，具有变通性强、好操作的特性。在新能源发电系统中，通过电子电力变换器的转换实现多种能源网络的互联互补和协同优化。

2 电力电子变换器

电力电子变换器是电子系统中强弱电转换的一个中间环节，保障电力电子变换器的稳定运行可以有效提高整个电力系统的运行效能。电力电子装置具有低惯性、多时间尺度响应等特点，在特定的条件下能保持其正常效率，不影响供电节奏。在各种干扰情况下，新能源发电系统的机电暂态、电磁振荡等因素相互影响，逐渐由机电装备主导向电力电子装备主导演变[4]。电力电子转换器有4种基本类型，分别是整流器、逆变器、斩波器以及变频器。其中，整流器将交流电转换成大小固定或可调的直流电，逆变器将直流电转换成交流电，斩波器将固定电压的直流电转换为设定电压的直流电，变频器则利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为特定频率的电源。电力电子变换器基本结构如图1所示。

图1 电力电子变换器结构

针对风力系统的特点专门设计了1种由绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）组成的“H”型正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）逆变器，通过控制“H”型逆变器中的IGBT来控制输出电流。通过控制SPWM的起始角，可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源。利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机提升旋转的速度，促使发电机和电力电子变换器组合进行发电[5]。

传统的线性系统不能作为衡量电力电子的媒介，控制系统的参数在某种特定组合下不能完全被掌控，导致设备整体的外特性在某一频段呈负阻状态，造成设备故障。当电路中的正阻尼特性不足以抵消负阻尼时，系统就有可能发生振荡，造成转换受阻。新能源接入电网往往以电力电子变换器作为桥梁，能够实现对变换器各参数的有效控制，如图2所示[6]。

图2 电子电力配电装置

根据实际工况，将不同数量的单电池串联起来获得不同的电压，通过电力电子配电装置功用来接收和分配电能，能在发生故障时通过自动或手动操作迅速切除故障部分来使系统恢复正常运行。电力电子变换器能在不同类别的新能源发电系统中运用，如在风力发电中通过电力电子变换器将风能转换为电能。

近年来，基于相关技术的突破和进步，变速风力涡轮机的出现替代了传统比较沉重的增速齿轮箱。发电机轴直接连接到风力涡轮机轴，转子的速度随风速而变化，其交流频率也随之变化。从发电功率来说，其大大提高了发电的能效。通过放置于地面的大功率电力电子变换器，将变频交流整流为直流，再逆变为与电网频率相同的交流输出[7-10]。

3 结 论

从世界新能源利用开发的角度来看，具有高可靠性的电力电子变换器在新能源发电系统中起着重要作用。基于新能源相关技术的突破，可以有效提高新能源发电系统的运行稳定性和可靠性，解决电力输出不稳定和分布不均衡的问题。通过高效利用电力电子变换器，为新能源发电效率的提高提供良好的助力，降低相关用电成本，真正做到造福于民。