1、新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术 随着经济的快速增长和社会的全面进步，我国的能源供应和环境污染问题越来越突出，开发和利用新型能源的需求更加迫切。电力电子技术作为新型能源发电的关键技术,直接关系到新型能源发电技术的发展及前景，紧密联系着社会的进步与需求。电力电子技术在新型能源发电系统中的应用，包括风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池等。新能源中电力电子技术新能源中电力电子技术风力发电风力发电系统风力发电系统 什么是风能能量密度？ 单位时间，单位迎风面积流过的风能称为风能的能量密度风力发电系统风力发电系统 风力发电的价值： 1.风电的当量燃料价
2、值 2.风电的容量价值（荷兰计算表明，在2000年，1000MW的装机容量等价于165-186的常规发电机的装机容量 3.减少污染和温室气体排放风力发电系统风力发电系统 风力场选址需考虑的因素 1.风电场场地状况：开阔，地质条件好 2.并网条件好：距离近，电网容量大 3.不利气象条件：飓风，冻雨，空气盐雾等 4.土地征用和环境影响：干扰通信信号，噪声，对鸟类的伤害风力发电系统风力发电系统 我国风能资源分布 1.最大风能资源区：东南沿海 2.次最大风能资源区：内蒙古和甘肃北部 3.大风能资源区：黑龙江和吉林东部地区，辽东半岛的沿海地区 4.最小风能资源区：云，贵，川风力发电系统风力发电系统 分类
3、：风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式.按照发电机的结构区分 ,有异步发电机、 同步发电机、 永磁式发电机、 无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型.风力发电的运行方式可分为独立运行、 并网运行、 与其它发电方式互补运行等. 风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电系统风力发电系统 风力发电通常有3种运行方式 (1)独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电； (2)风力发电与其他发电力式(如柴油机发电)相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀
4、的草原牧场提供电； (3)并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展力向。 风力发电系统风力发电系统 风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1给出了两种风力发电系统的结构。 风力发电系统风力发电系统 风力发电系统风力发电系统 风力发电的前沿信息： 目前我国风力发电基本都是采用并网型异步风力发电机组
5、,运行方式是不加控制的直接并网运行 ,风速风向变化时很容易对电网形成冲击、 注入谐波、 造成污染 ,甚至影响局部电网运行的稳定性.解决这一问题的方案是采用变速恒频控制 ,即当风速改变引起风轮转速变化时 ,仍能保证输出电能频率恒定.实现变速恒频发电的方法众多 ,其中双馈发电机方案最具优势.风力发电系统风力发电系统 双馈感应发电机又称交流励磁发电机 ,其结构与绕线式异步电机相同 ,定子侧三相对称绕组直接与工频电网相连 ,转子侧三相对称励磁绕组要求与能提供可控幅值、 相位及频率的电源相连.由于交 2 交变换器只需供给转差功率 ,大大减少了对容量的要求.发电机根据风力机转速变化调节转子励磁电压频率 ,
6、实现恒频输出 ,实现发电机的有功、 无功功率独立调节 ,进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行.在风速变化的情况下实时地调节风力机转速 ,使始终运行在最佳转速上 ,从而提高了机组发电效率 ,优化了风力机的运行条件. 风力发电系统风力发电系统 此外,变速恒频风力发电系统在并网时 ,几乎没有电流冲击 ,不必担心异步机并网时冲击电流过大的问题.同时,双馈发电机工作频率与电网频率是彼此独立的 ,当风轮及发电机的转速变化时 ,也不必担心同步电机直接并网运行时可能出现的失步问题.无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制 ,降低变频器的容量外 ,还可以实现有功、 无功功率的灵活控制 ,对电网
7、而言可起到无功补偿的作用.同时发电机本身没有滑环和电刷,既降低了电机的成本 ,又提高了系统运行的可靠性.新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统 太阳能发电有热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射能通过光伏效应- 直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源。 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统 自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，它又
8、分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统 典型的太阳能供电系统结构如图所示，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/DC变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统光伏发电系统可分为以下几类： (1) 城市住宅用小型并网系统光伏电池与居民住
9、宅建筑结合，利用屋顶或墙面安装光伏阵列,一般每户配备15kW 单相逆变器。 (2) 工业与市电 一般用25kW以上三相三电平大功率逆变器(也可发展为100MW 大规模光伏电站)，可分三类:(a) 独立运行、离网、储能式 独立运行的光伏系统为完全离网式，有储能设备，阴雨天也可供电。可 在荒漠地区建设大规模离网式、独立光伏电站。(b) 联网、无储能式 联网式光伏系统是当今发展方向 (全世界联网式光伏系统年增长率约为2530%)。(c) 混合式光伏系统 太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统，组成混合式分布电力系统，应用于无电或缺点地区。新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术混合能源系统发电混合
10、能源发电系统混合能源发电系统 利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力一太阳能混和发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间歌性不稳定所带来的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供稳定可靠电能。各发电装置的合理协调运行，还可有效减少配置的蓄电池容量 混合能源发电系统混合能源发电系统 从结构上来看，风力一太阳能混合发电系统是一个分布式的能量系统，其各组成部分都具备了单元控制的功能。因而将它们做为主体(Agent)，再加入若干管理Agent，从而构成一个分散式的智能化能量管理系统，使之在负荷、风力、光照等外界条件发生变化时进行协调控制实现最优调度策略，成为未来研究的一个热点。将风力与太阳能技术加以综
11、合利用，从而构成一种互补、可控、优质、可分散布点的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术电力电子技术在可再生能源中的应用电力电子技术在可再生能源中的应用电力电子技术在新能源中的应用 利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究，开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产
12、品，以方便用户。 电力电子技术在新能源中的应用 电能变换电能变换 新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路 由于新能源电力系统中电能变换主要是依赖DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。软开关技术是减低开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段，因此需要开发基于软开关的变流器。 电力电子技术在新能源中的应用 电能储存电能储存 由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具
13、有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。比如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。 电力电子技术在新能源中的应用 电能管理电能管理 电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。 实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、
14、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。新能源中的电力电子技术新能源中的电力电子技术 随着世界能源短缺的加剧，世界各国都立志于新型能源的开发、研究和利用。目前，新能源电力系统虽然已经取得了突破性进展，但是，要把美好的理想变为现实，真正实现其广泛的商业应用还有许多问题亟待解决。这既需要在物理、化学、材料等基础学科领域的联合攻关，以进一步提高能源转换效率和降低成本；更为重要的是需要在电气、电子、控制和信息等工程技术领域合作研究，以实现各种电能之间便捷有效的转换、存储、传输、利用和管理。因此，打破学科界限，通过系统集成和技术融合，我们一定能够克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。
