關鍵詞：電力電子與電力傳動；電能變換；能量管理系統(tǒng)；電能質量控制
0 引言
能源是支撐現(xiàn)代文明社會發(fā)展的主要物質基礎之一，隨著傳統(tǒng)礦物能源，如石油、煤炭等資源的日益耗盡，能源問題成為人類社會普遍關注的焦點和必須解決的重大課題。
為了解決目前能源短缺問題，世界各國為開發(fā)和利用新能源投入了大量的人力和物力進行研究。1981年聯(lián)合國召開了世界新能源和可再生能源國際會議，提出以新技術和新材料為基礎，開發(fā)新的可再生能源來取代資源有限、污染環(huán)境的化石能源，保持可持續(xù)發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境。
新能源和可再生能源在我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中同樣具有重要作用，是我國能源發(fā)展的重要內容和組成部分。2005年第十屆全國人大常委會第十四次會議正式通過了《中華人民共和國可再生能源法》，將可再生能源的開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領域，從而奠定了我國可再生能源事業(yè)規(guī)劃與發(fā)展的法律基礎，2006年頒布的國家中長期科技發(fā)展綱要和“十一五”科技發(fā)展計劃明確提出了國家能源研究和發(fā)展戰(zhàn)略，將這方面的研究納入國家863計劃等高新技術項目給予重點支持。
由于太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能、地熱能等非化石類能源均屬于過程性能源，不僅可以再生，且清潔無污染或低污染，蘊藏量巨大。因此，國內外在新能源開發(fā)和利用方面，將風力發(fā)電、太陽能電池和燃料電池等作為當前電氣工程重要的研究領域和發(fā)展方向，并且已取得了重要的進展和成果。國內外的許多科學家預言，隨著化石能源時代的終結和新文明的到來，在今后數(shù)十年內太陽能、風能等可再生的清潔能源將成為全世界的一種重要能源。所以，新能源和可再生能源的開發(fā)利用，是一項功在當代、利在千秋的新型事業(yè)。但是，新能源的應用仍存在許多問題需要研究和解決。
本文主要論述功率變換裝置在新能源供電系統(tǒng)中的核心作用、電力電子變換技術與現(xiàn)代電源技術的融合，研究幾種電能混合供電方式，探討集成供電系統(tǒng)的電源變換、智能管理及安全控制等問題，為未來新能源供電系統(tǒng)的應用提供科學依據(jù)和技術支持。
1 新能源發(fā)電方式
1.1 風力發(fā)電
目前，風力發(fā)電現(xiàn)已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風力發(fā)電通常有3種運行方式：
(1)獨立運行方式，通常是一臺小型風力發(fā)電機向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電；
(2)風力發(fā)電與其他發(fā)電力式(如柴油機發(fā)電)相結合的聯(lián)合供電方式，向交通不便的邊遠山村、沿海島嶼，或地廣人稀的草原牧場提供電；
(3)并網(wǎng)型風力發(fā)電運行方式，安裝在有電網(wǎng)且風力資源豐富地區(qū)，常常是一處風場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機，這是風力發(fā)電的主要發(fā)展力向。
風力發(fā)電機組在不同風速條件下工作時，其發(fā)電機輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，因此需要配置電力電子功率變換器，通過功率變換器的換流控制，使輸出電壓達到恒壓恒頻的要求。功率變換器與風力發(fā)電機的系統(tǒng)集成有兩種方案：直接輸出型風力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋型風力發(fā)電機系統(tǒng)。圖1給出了兩種風力發(fā)電系統(tǒng)的結構。
1.2 太陽能發(fā)電
自上世紀50年代第一塊實用的硅太陽電池研制成功，太陽能光電技術已歷經(jīng)了半個世紀的發(fā)展。目前占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，它又分單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池(總稱晶體硅太陽電池)和非晶硅太陽電池。
典型的太陽能供電系統(tǒng)結構如圖2所示，通過太陽電池陣列的光電轉換，將太陽能轉變成電能，再由功率變換器將太陽電池輸出的直流電轉換成用戶所需的電源形式。根據(jù)用戶要求，功率變換器可以選擇直流斬波器進行DC/DC變換，或采用逆變器進行DC/DC變換。此外，功率變換裝置還應包括蓄電池系統(tǒng)，以平衡用電需求。當陽光充足時，由太陽電池供電，同時向蓄電池充電；當夜晚或陽光稀少時，由蓄電池供電。變流器的電路結構如圖2所示。
1.3 燃料電池
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(S0FC)及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高，且具有潔凈、無污染、低噪聲，模塊結構、高功率比、可積木化及連續(xù)工作等特性。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖3所示，系統(tǒng)通過由直流斬波器與逆變器組成的功率變換裝置，使燃料電池的輸出電壓與用戶需求相匹配。
2 關鍵技術
利用新能源發(fā)電需要解決的關鍵問題是電能的轉換、電能存儲、電能管理和電能質量控制。其核心是采用電力電子技術、自動控制技術、計算機技術和人工智能技術等，特別是上述技術的集成和融合。但是，長期形成的學科體系和行業(yè)的條塊分割，成為制約新能源電力系統(tǒng)廣泛應用和發(fā)展的主要瓶頸之一。因此，特別需要通過學科交叉研究，開發(fā)與新能源發(fā)電設備配套的電力電子功率變換器，通過系統(tǒng)集成形成產品，以方便用戶。
2.1 電能變換
眾所周知，新能源電力系統(tǒng)的共同特征是需要進行電源變換，即通過電力變換裝置使發(fā)電設備輸出的電能在形式上與現(xiàn)有的用電設備的要求相匹配，在品質上滿足用戶的需求。如何采用電力電子開關器件構造合適的電力變換裝置是解決上述問題的根本出路。圖4給出了一個采用多電平逆變拓撲構成的組合式三相交流電源。
由于新能源電力系統(tǒng)中電能變換主要是依賴DC/DC變換和AC/DC變換兩種方式，因此，提高變流效率和功率密度顯得尤為重要。軟開關技術是減低開關損耗、提高電流密度和轉換效率的有效手段，因此需要開發(fā)基于軟開關的變流器。
2.2 電能儲存
由于太陽能、風能等能源受自然環(huán)境和氣候條件的影響較大，具有不穩(wěn)定性和不確定性。為了提高電源質量，應該在新能源發(fā)電系統(tǒng)中設置儲能裝置，以便在外部能源充足時儲存多余的電能，而在能源不足時提供電能。比如：風力發(fā)電機可以通過電感儲能器存儲風能，改善電網(wǎng)供電質量。除了傳統(tǒng)的蓄電池和電感等儲能方式外，現(xiàn)代的儲能裝置有超級電容和飛輪等方式。
與電解電容相比，超級電容利用碳電板表面產生的雙層電極儲能，具有非常高的功率密度和實質的能量密度。如今，超級電容功率密度可高達20kw/kg，充放電時間各為0.1～100分鐘。在過去幾年，這些器件已應用在消費電子、工業(yè)和汽車等許多領域。
飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪慣性存儲電能。如果與風力發(fā)電機結合，可以在風速很高時，帶動飛輪高速旋轉；風速降低時，飛輪驅動發(fā)電機輸出電能。當前如何降低飛輪的摩擦損耗是提高儲能效率的關鍵，利用磁懸浮技術使飛輪轉軸穩(wěn)定地懸浮于空間是一種有效的解決方案。預計飛輪儲能裝置將在國防、電力、交通等領域具有應用前景。
2.3 電能管理
電源管理系統(tǒng)(PMS)技術是提高電源效率和系統(tǒng)可靠性的新方法。PMS將智能控制和管理的思想引入電力系統(tǒng)，從發(fā)電、配電及用電等各個層次，對電能進行分配、監(jiān)測、控制、管理和安全保護等。其主要功能包括：
(1)電能分配；
(2)優(yōu)化控制；
(3)狀態(tài)監(jiān)測；
(4)故障診斷；
(5)容錯控制。
實現(xiàn)上述功能的核心技術是：計算機技術，如數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信、現(xiàn)場總線等；自動控制技術，如過程監(jiān)控、最優(yōu)化算法、容錯控制等；人工智能，如模式識別、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等。特別重要的是這些技術的融合，包括各種技術內部自身的融合，以及各種技術之間的融合。
例如：整個系統(tǒng)可以采用網(wǎng)絡化控制，通過三層網(wǎng)絡結構：底層采用現(xiàn)場總線和基于DSP的嵌入式控制器實現(xiàn)實時控制、數(shù)據(jù)采集和通信；中間層通過分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)存儲、趨勢分析和故障報警等功能；上層采用人工智能技術構建智能PMS，實現(xiàn)負荷預測、電能分配、系統(tǒng)優(yōu)化和能量管理。在電源管理系統(tǒng)(PMS)方面，將在智能優(yōu)化及安全控制上有所突破。
2.4 電能質量控制
近年來，隨著大量非線性元器件的使用，特別是電力電子變流器的廣泛應用，造成了電網(wǎng)功率因數(shù)降低和諧波畸變等問題。如何治理“電力公害”，提高電能質量成為當前迫切需要解決的重要課題。電能質量控制的主要研究內容是：
(1)電源諧波檢測和分析技術 諧波的測量和分析是實現(xiàn)諧波治理的前提條件，準確的諧波測量和分析能夠為諧波的治理提供良好的依據(jù)。自提出快速傅里葉變換算法(FFT)以來，基于傅里葉變換的諧波測量便得到了廣泛應用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，否則會產生頻譜泄漏現(xiàn)象和柵欄效應。因此，如何減小因同步偏差而引起的測量誤差成了眾多學者關注的焦點。
(2)電能質量控制和管理 包括：功率因數(shù)校正和濾波器設計。由于傳統(tǒng)的無源濾波器體積和重量超大，日須針對不同的頻率進行設計，功率因數(shù)校正(PFC)技術是提高功率因數(shù)和降低諧波污染的重要途徑。近年來，有源功率因數(shù)校正技術(APFC)已成為電力電子領域的研究熱點?，F(xiàn)已從電路拓樸、控制策略發(fā)展到集成模塊，首先在單相PFC電路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本變換電路的專用或通用的PFC控制器。目前的研究重點在三相PFC控制技術上，比如：單開關、多開關以及軟升關三相PFC電路的研制。特別是，軟開關技術與PFC技術的融合是發(fā)展的新趨勢。雖然，目前PFC產品受到功率的限制，但應用于分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)卻是重要機遇。
3 發(fā)展趨勢
3.1 混合供電系統(tǒng)
新能源作為電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向是：采用幾種新能源發(fā)電方式組成混合供電系統(tǒng)，混合供電系統(tǒng)可以選擇風力發(fā)電與太陽能電池組合，或太陽能與燃料電池組合，也可以將三者組合在一起。另一種混合方式是，利用燃料電池的產生的廢氣或熱量，帶動發(fā)電機組成混合電力系統(tǒng)。圖5所示為混合發(fā)電系統(tǒng)結構。
在混合供電系統(tǒng)的研究中，主要研究太陽能、風力以及燃料電池系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電技術。通過并網(wǎng)輸出電壓電流的控制方案的優(yōu)化，運用電流預估計原理使輸出性能得到提高；獲得最大的效率；通過軟件鎖相使輸出電流同步跟蹤電網(wǎng)電壓相位；并具有保護和監(jiān)控等功能，保征了光伏并網(wǎng)發(fā)電的安全運行。
3.2 分布式電源
圖6為由混合發(fā)電裝置構成的分布式電力系統(tǒng)。這種分布式供電方式將是未來電力系統(tǒng)發(fā)展方向。這種分布式電源，可以達到節(jié)能和環(huán)保的目的。
4 結語
綜上所述，新能源電力系統(tǒng)雖然已經(jīng)取得了突破性進展，但是，要把美好的理想變?yōu)楝F(xiàn)實，真正實現(xiàn)其廣泛的商業(yè)應用還有許多問題亟待解決。這既需要在物理、化學、材料等基礎學科領域的聯(lián)合攻關，以進一步提高能源轉換效率和降低成本；史為重要的是需要在電氣、電子、控制和信息等工程技術領域合作研究，以實現(xiàn)各種電能之間便捷有效的轉換、存儲、傳輸、利用和管理。因此，打破學科界限，通過系統(tǒng)集成和技術融合，我們一定能夠電服各種閑難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。
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