新能源發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變換器

許一澤

（南方電網(wǎng)公司，遼寧 沈陽(yáng) 510663）

0 引 言

相較于傳統(tǒng)的能源發(fā)電方式，新能源發(fā)電具備環(huán)境影響小、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，取代傳統(tǒng)能源成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。電力電子變換器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中起到了十分重要的作用，結(jié)合電力電子變換器的應(yīng)用，新能源的開發(fā)效率不斷提高。新能源發(fā)電采用分布式發(fā)電方式，逐漸成為新時(shí)代主流的能源使用方式[1]。隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的提出，新能源開發(fā)受到了極大的關(guān)注[2]。與傳統(tǒng)能源的發(fā)電技術(shù)相比，目前新能源發(fā)電技術(shù)雖然得到了一定改善，發(fā)展成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，但仍存在較多的問(wèn)題亟需解決，如推進(jìn)新能源發(fā)電系統(tǒng)的廣泛使用、從機(jī)電裝備主導(dǎo)發(fā)電向電力電子裝備主導(dǎo)發(fā)電的演變等[3]。

1 新能源發(fā)電系統(tǒng)

從20世紀(jì)90年代至今，世界能源的發(fā)展就開始逐漸從傳統(tǒng)化石能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到風(fēng)能、電能、太陽(yáng)能等新型能源領(lǐng)域。新能源更加環(huán)保低碳，主要表現(xiàn)在對(duì)于環(huán)境的破壞和影響很小，不會(huì)影響人們的正常生活。此外，新能源的可再生性很強(qiáng)，在成本上相對(duì)較低，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)性利用。根據(jù)目前國(guó)際主流的新能源應(yīng)用情況，其中以風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電為主，也有部分國(guó)家或地區(qū)主要依靠海洋發(fā)電。從世界各國(guó)的新能源發(fā)電人均占有量來(lái)看，我國(guó)在新能源領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。

新能源的并網(wǎng)、傳輸和消納在源網(wǎng)荷端引入了更多的電力電子設(shè)備，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出顯著的電力電子化發(fā)展趨勢(shì)，以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為主的機(jī)電穩(wěn)態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娏﹄娮釉O(shè)備的暫態(tài)過(guò)程為主。現(xiàn)有的火電、水電等傳統(tǒng)機(jī)組均采用機(jī)械慣性大的同步電動(dòng)機(jī)，電力系統(tǒng)具有較大的時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)頻率以工頻為主。

新能源電力在系統(tǒng)的操作方面具有一定的便攜性、靈活性以及波動(dòng)性，包括固定系統(tǒng)應(yīng)用等方面的一些特點(diǎn)，高比例可再生能源接入電力系統(tǒng)后，靈活性成為系統(tǒng)運(yùn)行特性的核心。混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2種不同形式的系統(tǒng)組合在一起，共同作為提供電能的動(dòng)力系統(tǒng)。混合動(dòng)力系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、電容器以及其他類型的設(shè)備組成，當(dāng)陽(yáng)光直接照射到光伏電池板上時(shí)，太陽(yáng)能電池板發(fā)揮其最大的功效將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。若電源供應(yīng)來(lái)自光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電，將減少逆變和升壓過(guò)程。電解器耦合的方式分為直接耦合和間接耦合。直接耦合指直接將光伏板與電解器相連，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是光伏板需要與電解器的電壓、電流相匹配，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的工程應(yīng)用。間接耦合通過(guò)激光器和光伏之間增加透鏡，使控制器為電解器提供電力，同時(shí)處于在一個(gè)連接階段，具有變通性強(qiáng)、好操作的特性。在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)電子電力變換器的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互補(bǔ)和協(xié)同優(yōu)化。

2 電力電子變換器

電力電子變換器是電子系統(tǒng)中強(qiáng)弱電轉(zhuǎn)換的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，保障電力電子變換器的穩(wěn)定運(yùn)行可以有效提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效能。電力電子裝置具有低慣性、多時(shí)間尺度響應(yīng)等特點(diǎn)，在特定的條件下能保持其正常效率，不影響供電節(jié)奏。在各種干擾情況下，新能源發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)、電磁振蕩等因素相互影響，逐漸由機(jī)電裝備主導(dǎo)向電力電子裝備主導(dǎo)演變[4]。電力電子轉(zhuǎn)換器有4種基本類型，分別是整流器、逆變器、斬波器以及變頻器。其中，整流器將交流電轉(zhuǎn)換成大小固定或可調(diào)的直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，斬波器將固定電壓的直流電轉(zhuǎn)換為設(shè)定電壓的直流電，變頻器則利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為特定頻率的電源。電力電子變換器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力電子變換器結(jié)構(gòu)

針對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了1種由絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）組成的“H”型正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）逆變器，通過(guò)控制“H”型逆變器中的IGBT來(lái)控制輸出電流。通過(guò)控制SPWM的起始角，可以使逆變器以功率因數(shù)為1的方式向電網(wǎng)輸送能源。利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)的速度，促使發(fā)電機(jī)和電力電子變換器組合進(jìn)行發(fā)電[5]。

傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)不能作為衡量電力電子的媒介，控制系統(tǒng)的參數(shù)在某種特定組合下不能完全被掌控，導(dǎo)致設(shè)備整體的外特性在某一頻段呈負(fù)阻狀態(tài)，造成設(shè)備故障。當(dāng)電路中的正阻尼特性不足以抵消負(fù)阻尼時(shí)，系統(tǒng)就有可能發(fā)生振蕩，造成轉(zhuǎn)換受阻。新能源接入電網(wǎng)往往以電力電子變換器作為橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變換器各參數(shù)的有效控制，如圖2所示[6]。

圖2 電子電力配電裝置

根據(jù)實(shí)際工況，將不同數(shù)量的單電池串聯(lián)起來(lái)獲得不同的電壓，通過(guò)電力電子配電裝置功用來(lái)接收和分配電能，能在發(fā)生故障時(shí)通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)操作迅速切除故障部分來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。電力電子變換器能在不同類別的新能源發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用，如在風(fēng)力發(fā)電中通過(guò)電力電子變換器將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。

近年來(lái)，基于相關(guān)技術(shù)的突破和進(jìn)步，變速風(fēng)力渦輪機(jī)的出現(xiàn)替代了傳統(tǒng)比較沉重的增速齒輪箱。發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)力渦輪機(jī)軸，轉(zhuǎn)子的速度隨風(fēng)速而變化，其交流頻率也隨之變化。從發(fā)電功率來(lái)說(shuō)，其大大提高了發(fā)電的能效。通過(guò)放置于地面的大功率電力電子變換器，將變頻交流整流為直流，再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)頻率相同的交流輸出[7-10]。

3 結(jié) 論

從世界新能源利用開發(fā)的角度來(lái)看，具有高可靠性的電力電子變換器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中起著重要作用。基于新能源相關(guān)技術(shù)的突破，可以有效提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，解決電力輸出不穩(wěn)定和分布不均衡的問(wèn)題。通過(guò)高效利用電力電子變換器，為新能源發(fā)電效率的提高提供良好的助力，降低相關(guān)用電成本，真正做到造福于民。