新能源发电中的若干电力电子问题综述

新能源发电中的若干电力电子问题综述
太阳能风力发电燃料电池
1 引言
当前节能减排引起了国际社会广泛的重视。

京都议定书即将到期，国际社会正在努力，争取尽早达成新的减排协议。

美国新政府一反上届政府的立场，积极斡旋于国际社会，宣传美国限制排放新构思。

美国新政府将可持续能源和Smart Gird作为本届政府的重要任务，也作为美国走出经济危机的法宝之一。

中国作为发展最迅速的新经济体，在引起国际社会赞赏和关注的同时，面临减排的国际压力日益加强。

中国政府高瞻远属，先后出台了一系列节能减排、发展可持续能源的政策。

我国风力发电发展迅速，2008年我国风电新装机630万kW ，居世界第2位；2008年我国累计风电装机达1200万kW，居世界第4位。

2009年初财政部出台的光伏扶助政策，旨在推动我国光伏发电的应用，促进光伏产业链的健康发展。

该政策的推动下，我国光伏产业正在经历从单纯的以光伏组件为主产业，向从材料、元件、组件、光伏发电应用产品等整个产业链的过渡。

电力电子作为新能源发电装置的重要组成环节，迎来了重大的发展机遇，将成为今后10～20年电力电子技术发展的主要的发动机。

过去，电力电子的主要服务对象是用电设备，如计算机电源、通讯电源、UPS、工业电源、变频器，而今后，电力电子除在传统领域继续发挥作用外，将广泛服务于新能源发电、输电、配电。

本文从电力电子技术的立场，探讨风力发电、光伏发电、燃料电池发电对电力电子技术提出的要求，分析相关的技术难点和尚未解决的问题。

2 太阳能发电
太阳能光伏发电是当今备受瞩目的热点之一，光伏产业正以年均增长量40%的速率发展。

太阳能光伏发电装置主要有光伏电池模块和逆变器构成。

光伏逆变器按是否采用隔离方式，可分为工频隔离的光伏逆变器、高频隔离的光伏逆变器和非隔离光伏逆变器。

工频变压器隔离的光伏逆变器是目前较常用的结构，具有安全性高，可以防止逆变器输出的直流偏置电流注入电网，但存在工频变压器体积大、笨重的问题。

工频隔离的光伏逆变器效率约在94%~96%之间。

高频隔离的光伏逆变器一般通过前级DC/DC变换器实现高频隔离，如图1(a)所示。

它具有高频隔离变压器体积小、重量轻的特点。

隔离DC/DC变换器电路有全桥移相DC/DC变换器，双正激DC/DC变换器等。

由于引入隔离DC/DC变换器，将引起3-4%效率损耗。

高频隔离的光伏逆变器整体效率在93-95%。

(a)高频隔离光伏逆变器结构
(b)非隔离光伏逆变器结构
图 1 并网光伏逆变器的结构
非隔离的光伏逆变器，如图1(b)所示。

非隔离的光伏逆变器具有功率密度高、整机效率高的特点。

目前，非隔离光伏逆变器效率已高达98.8% [3]。

非隔离光伏逆变器又可分为单级结构、两级结构。

单级结构中，光伏模块的输出电压必须与电网电压相匹配，因此单级结构对光伏阵列的额定电压等级有较苛刻的要求，但在大功率光伏系统中不成为问题。

两级结构中，光伏模块的输出首先通过前级DC/DC变换器升压，再送入逆变器。

两级结构对光伏模块的额定电压等级的要求比较宽松，因此在小功率光伏系统中较受青睐。

非隔离光伏逆变器越来越得到广泛应用，在欧洲约占80%市场，在日本约占50%市场[1]。

(a)光伏阵列寄生电容
(b)考虑PV寄生电容光伏系统模型
图 2 非隔离并网光伏逆变器示意图
由于非隔离光伏逆变器中，光伏模块与电网之间没有电气隔离，需特殊考虑安全性问题。

图2 为一个非隔离并网光伏逆变器示意图。

图2(a)所示，光伏电池硅片与接地框架之间存在寄生电容。

对于单晶体硅光伏电池，寄生电容约为50~150nF/kWp，对于薄膜光伏电池，约为1μF/kWp[5]。

图2(b)为考虑PV寄生电容光伏系统模型，Cpv为光伏模块等效对地寄生电容。

逆变器ＰＷＭ调制将在Cpv两端引起的高频电压，造成地电流。

寄生电容Cpv的大小与光伏阵列的框架结构有关，光伏电池表面及间距、框架结构、天气条件、湿度、覆盖于光伏阵列表面的尘埃。

地电流对人造成安全隐患，也造成电磁干扰。

因此，对于非隔离光伏逆变并网系统，需要抑制由光伏模块寄生电容引起的地电流问题。

地电流与光伏阵列输出端电压波动的幅度及频率密切相关，即与逆变器拓扑及开关策略的选择有关。

地电流抑制有多种方法，主要有采用特殊的并网逆变拓扑和PWM调制方法、在交流侧安装共模电抗器、有源地电流抑制电路。

3 风力发电系统
从1957年第一台风力发电装置产生到现在，风力发电系统已经从传统的恒速恒频风力发电系统发展到现在的变速恒频风力发电系统，出现的主要结构如图3所示。

图3(a)为基于普通异步电机的恒速恒频风力发电系统，其结构简单，设计成熟，在现在的风电场上还广泛应用，但需额外安装无功补偿装置，存在机械应力大等缺点。

图3(b)是变速恒频结构类型，基于调节绕线电机转子侧电阻来实现小范围转速的调节，其调速范围是同步转速以上0-10%。

图3(c)是现在风电场的主流机型变速恒频双馈风力发电系统。

该系统转子侧通过变流器与电网相连，变流器容量为发电容量的30%，定子侧直接与电网相连。

定子和转子都可以向电网输送能量。

可以工作在同步转速的±30%的范围之内。

在并网发电时都能够实现最大功率点跟踪控制，有效的提高了风能利用率。

同时能够对定子侧的有功功率和无功功率实现独立控制，在电网产生电压跌落故障时可以给电网提供无功支撑。

图3(d)变速恒频直驱风力发电系统，代表了风力发电系统未来的发展方向，这种结构显著的优点是可以简化齿轮箱或者取消齿轮箱，因此能够显著减少机械故障。

也可以方便实现无功支撑。

(a)恒速恒频风力发电
(b)变速恒频风力发电
(c)变速恒频双馈风力发电
(d)变速恒频直驱风力发电
图3风力发电系统结构
过去，电网故障时一般采取风力发电装置脱离电网进行保护的方案，但随着风电发电容量的比重日益增长，这种处理方法可能造成电力系统故障的扩大，危害电力系统的安全运行。

针对这种情况，德国、丹麦等一些风电发展成熟的国家都出台了风电并网的规范，要求风力发电装置在电网电压跌落时，具有电网无功支撑功能，即低电压穿越(LVRT)。

图4为德国E-ON低电压穿越的要求，阴影部分为要求提供无功支撑，而且每跌落1%电网电压，需要提供额定电流2%的无功电流，直到提供100%无功电流。

ABB、GE等制造的双馈变流器具备低电压穿越功能。

图 4 德国E-ON对非大故障电流发电机的要求
随着近期国家新能源振兴规划的提出，风电装机容量在未来将大幅度增长，将在全国电力容量中占有可观的比重，因此我国也必要制定风电低电压穿越规范。

低电压穿越技术的研究开发已引起国内同行的重视。

在整个双馈风力发电中，从电力电子领域提高整机效率的环节主要有两个方面：通过对双馈电机的优化控制，减小电机的损耗，进而实现整体效率的提高；通过对变流器结构的优化选择，使用高效率的变流器拓扑结构来提高整机的效率。

目前风电大功率变流器装置中一般采用比较成熟的两电平六开关背靠背变流器，通过研究多电平技术和软开关技术在提高变流器效率方面也有很重要的意义。

目前风电装置主流采用690V等级，该电压等级严重落后风电装置的大容化的快速发展的步伐。

造成电缆的材料耗费、损耗的增加。

图5是采用三电平BTB变流器5MW风电装置。

图5三电平BTB变流器5MW风电装置
4燃料电池发电系统
燃料电池(Fuel Cell)是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。

它通过燃料(通常是氢气)和氧气结合的电化学反应生成电能和热能。

燃料电池发展到现在，根据电介质的不同，可分为五种类型：碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)；质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC);磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)；熔盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)；固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)。

燃料电池发电有以下的优点：发电效率高于热机效率；污染小，噪声低；功率密度高。

目前，有关燃料电池发电装置的研究主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。

其中后面三项也是其他新能源并网系统的共性技术。

燃料电池的输出电压，随着输出电流变化，作较大的范围变化。

燃料电池的输出电压在负载发生突变时需要经历一定时间才能响应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达２秒。

因此，燃料电池一般与负荷动态的要求不能很好匹配。

此外，燃料电池发电系统中功率变换结构和拓扑选择设计时还需关注：
(1) 纹波电流对燃料电池造成损害，影响燃料电池的使用寿命，应予以限制；
(2) 燃料电池的成本是电力电子功率变换器的十倍甚至更高，提高功率的效率，有利于充分利用燃料电池配置容量。

在燃料电池发电系统中，能量管理涵义包括两方面的内容：一方面是指如何提高燃料电池发电系统中燃料的利用率；另一方面是指限制进入燃料电池的输出功率动态脉动，补偿燃料电池动态特性上的不足，同时有利于延长燃料电池寿命。

一般需要引入一个能量管理单元。

图 6 配备能量管理单元的燃料电池发电系统
如图6所示为配备能量管理单元的燃料电池发电系统，能量管理单元由超级电容器和双向DC/DC变换器组成。

当负载电流i O突变时，通过使双向变换器对超级电容进行快速的充、放电，使i Bi迅速地跟踪i O 的高频分量，使燃料电池仅仅需要提供负载电流中的低频成分。

这样既能满足负载变化的快速响应的要求，又可以保证燃料电池输出电流i FC是缓慢变化的，确保燃料电池长期安全的运行。

图7 能量管理单元控制原理示意图
图7为能量管理单元控制框图，包括：用于检测负载电流高频分量检测环节，用于控制双向DC/DC变换器输出电流i Bi的电流控制内环和用于控制超级电容电压的电压控制外环。

5电力储能技术
可再生能源发电装置所产生的电能存在不可预测的非周期性的变化，例如风能、光伏发电等，如果直接输入电网将对电网的稳定运行产生严重的影响，电力储能装置可以在可再生能源发电装置与电网之间起到能量缓冲的作用。

电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能、超导储能(SMES)、超级电容储能，它们各有千秋。

它们几乎都需要电力电子技术。

蓄水储能与压缩空气储能主要用于电力调峰，但对地理条件有特殊要求。

电池储能具有能量密度高、技术较成熟的特点，理论上可以用于电力调峰，但电池循环次数是实用化的主要瓶颈。

飞轮储能的储能量有限，系统较复杂，一般用于电能质量调节。

超级电容储能(SCES)具有功率密度高、循环寿命长等优点，目前储能量较小，但发展潜力较大。

超导储能(SMES)具有能量密度较大、转换效率高、寿命长等优点，但建设成本和超导材料的成熟度限制了目前的应用，从原理上，它适用于微型、中等、大规模储能。

由于风力机输出功率的波动成分主要位于1Hz以下，而位于0.01～1Hz的波动功率对电网的影响最大，为了降低中大型风电场并网带来的不利影响，采用储能系统抑制风电场功率波动，并抑制由此产生的电网电压波动。

图8所示，将超级电容储能装置安装在风电场的出口端。

图8 带有SCES的风电场并网系统结构
6 结束语
在光伏逆变器方面，关注的热点为光伏逆变器高效率技术、地电流抑制方案、光伏电站的逆变器模块配置和系统集成。

风力发电方面，关注点有中压、高压功率变流技术、风力发电整机效率提升。

在燃料电池发电方面，重点在于燃料电池在后备电源、UPS、数据中心等高可靠性电源系统中的应用。

无论光伏发电，还是风力发电，均需要考虑低电压穿越功能。

电力储能技术方面，需要开发特大功率的变流器，解决与储能元件有效配合问题。

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