電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)在可再生能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電氣07-4班；馬研；20072180摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長和社會的全面進(jìn)步，我國的能源供應(yīng)和環(huán)境污染問題越來越突出，開發(fā)和利用可再生能源的需求更加迫切。電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù),直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及前景，緊密聯(lián)系著社會的進(jìn)步與需求。新能源的各種形式都是直接或者間接地來自于太陽或地球內(nèi)部深處所產(chǎn)生的熱能。包括了太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、核聚變能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫所產(chǎn)生的能量。也可以說，新能源包括各種可再生能源和核能。相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點(diǎn)，對于解決當(dāng)今世

2、界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和資源（特別是石化能源）枯竭問題具有重要意義。同時(shí)，由于很多新能源分布均勻，對于解決由能源引發(fā)的戰(zhàn)爭也有著重要意義。 本文將對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、混合能源發(fā)電系統(tǒng)等進(jìn)行介紹，并闡述對逆變器及并網(wǎng)控制技術(shù)、太陽能充電控制器、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的諧波抑制技術(shù)等電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，為讀者提供可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)的應(yīng)用參考。關(guān)鍵詞：可再生能源、風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、綜合發(fā)電、電力電子技術(shù)一、引言能源是支撐現(xiàn)代文明社會發(fā)展的主要基礎(chǔ)物質(zhì)之一，隨著傳統(tǒng)

3、礦物能源，如石油、煤等的日益消耗，能源問題成為人類社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和必須解決的重大課題。為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、物力進(jìn)行研究。1982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(shù)和新材料為基礎(chǔ)，開發(fā)新的可再生能源來取代資源有限、環(huán)境污染的化石能源，保持可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。新能源和可再生能源在我國社會經(jīng)濟(jì)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(nèi)容和組成部分。據(jù)估算，每年輻射到地球上的太陽能為17.8億千瓦，其中可開發(fā)利用5001000億度。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地?zé)崮苜Y源指陸地下5000米深度內(nèi)的巖石和水

4、體的總含熱量。其中全球陸地部分3公里深度內(nèi)、150以上的高溫地?zé)崮苜Y源為140萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，目前一些國家已著手商業(yè)開發(fā)利用。世界風(fēng)能的潛力約3500億千瓦，因風(fēng)力斷續(xù)分散，難以經(jīng)濟(jì)地利用，今后輸能儲能技術(shù)如有重大改進(jìn)，風(fēng)力利用將會增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水溫差能等，理論儲量十分可觀。限于技術(shù)水平，現(xiàn)尚處于小規(guī)模研究階段。當(dāng)前由于新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途。電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵 ,直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展.可再生能源發(fā)出大小變化的直流電或頻率變化的交流電 ,需要電力電子變換器將電能進(jìn)行變換.二、可再生能源發(fā)電

5、系統(tǒng)簡介1 . 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能發(fā)電有熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。將太陽光輻射能通過光伏效應(yīng)- 直接轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，是一種可再生的無污染的發(fā)電方式。光伏發(fā)電成為一種改善人們生活條件、不破壞環(huán)境、受到人們歡迎的可再生能源。典型的太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過太陽電池陣列的光電轉(zhuǎn)換，將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，再由功率變換器將太陽電池輸出的直流電轉(zhuǎn)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(jìn)行DC/DC變換，或采用逆變器進(jìn)行DC/DC變換。此外，功率變換裝置還應(yīng)包括蓄電池系統(tǒng)，以平衡用電需求。當(dāng)陽光充足時(shí)，由太陽電池供電，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)夜晚或陽光稀少

6、時(shí)，由蓄電池供電。變流器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為以下幾類：(1) 城市住宅用小型并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電池與居民住宅建筑結(jié)合，利用屋頂或墻面安裝光伏陣列,一般每戶配備15kW 單相逆變器。(2) 工業(yè)與市電一般用25kW以上三相三電平大功率逆變器(也可發(fā)展為100MW 大規(guī)模光伏電站)，可分三類:(a) 獨(dú)立運(yùn)行、離網(wǎng)、儲能式獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)為完全離網(wǎng)式，有儲能設(shè)備，陰雨天也可供電?？稍诨哪貐^(qū)建設(shè)大規(guī)模離網(wǎng)式、獨(dú)立光伏電站。(b) 聯(lián)網(wǎng)、無儲能式聯(lián)網(wǎng)式光伏系統(tǒng)是當(dāng)今發(fā)展方向 (全世界聯(lián)網(wǎng)式光伏系統(tǒng)年增長率約為2530%)。(c) 混合式光伏系統(tǒng)太陽能光伏與

7、風(fēng)力或燃料電池等發(fā)電系統(tǒng)，組成混合式分布電力系統(tǒng)，應(yīng)用于無電或缺點(diǎn)地區(qū)。2 . 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電按照風(fēng)輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定分為定轉(zhuǎn)速運(yùn)行與可變速運(yùn)行兩種方式.按照發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)分 ,有異步發(fā)電機(jī)、 同步發(fā)電機(jī)、 永磁式發(fā)電機(jī)、 無刷雙饋發(fā)電機(jī)和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等機(jī)型.風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、 并網(wǎng)運(yùn)行、 與其它發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行等. 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)已成為風(fēng)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(fēng)力發(fā)電通常有3種運(yùn)行方式：(1) 獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風(fēng)時(shí)的用電；(2)風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電力式(如柴油機(jī)發(fā)電)

8、相結(jié)合的聯(lián)合供電方式，向交通不便的邊遠(yuǎn)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(fēng)力發(fā)電運(yùn)行方式，安裝在有電網(wǎng)且風(fēng)力資源豐富地區(qū)，常常是一處風(fēng)場安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展力向。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速條件下工作時(shí)，其發(fā)電機(jī)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(dá)到恒壓恒頻的要求。功率變換器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)集成有兩種方案：直接輸出型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。3 . 燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置.燃料電池發(fā)電最大的優(yōu)

9、勢是高效、 潔凈 ,無污染、 噪聲低 ,模塊結(jié)構(gòu)、 積木性強(qiáng)、 不受卡諾循環(huán)限制 ,能量轉(zhuǎn)換效率高 ,其效率可達(dá) 40%65%.燃料電池被稱為是繼水力、 火力、 核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動力裝置. 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)換效率高，且具有潔凈、無污染、低噪聲，模塊結(jié)

10、構(gòu)、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(jié)構(gòu)如圖2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。圖2 燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 . 混合能源發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能資源和太陽能資源天然的互補(bǔ)性而構(gòu)成的“風(fēng)力 太陽能混合發(fā)電系統(tǒng) ” ,可以彌補(bǔ)因風(fēng)能、太陽能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來的可靠性低的缺陷 ,在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能。太陽能光伏制氫儲能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3. “ 太陽能光伏制氫儲能 燃料電池發(fā)電系統(tǒng) ” 的結(jié)構(gòu)圖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(fēng)力發(fā)電

11、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(chǎn)生的廢氣或熱量，帶動發(fā)電機(jī)組成合 電力系統(tǒng)。圖4所示為混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4新能源混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、 電力電子技術(shù)在可再生能源中的應(yīng)用利用新能源發(fā)電需要解決的關(guān)鍵問題是電能的轉(zhuǎn)換、電能存儲、電能管理和電能質(zhì)量控制。其核心是采用電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等，特別是上述技術(shù)的集成和融合。但是，長期形成的學(xué)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(yīng)用和發(fā)展的主要瓶頸之一。因此，特別需要通過學(xué)科交叉研究，開發(fā)與新能源發(fā)電設(shè)備配套的電力電子功率變換器，通過系統(tǒng)集成形成

12、產(chǎn)品，以方便用戶?？稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，使其逐步從補(bǔ)充型能源向替代能源過渡。與前述控制技術(shù)同樣重要的作為可再生能源應(yīng)用的重要組成部分的電力變換裝置的研究與開發(fā)也成為一個重要的研究課題。作為可再生能源應(yīng)用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開發(fā)也成為一個重要的研究課題.可再生能源發(fā)電中應(yīng)用到的電力電子技術(shù)主要包括逆變器及并網(wǎng)技術(shù)、 太陽能充電控制技術(shù)、 變速恒頻風(fēng)力電系統(tǒng)、 燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、 諧波抑制和能量管理等.1 . 逆變器及并網(wǎng)控制技術(shù)可再生能源發(fā)電輸出功率的并網(wǎng)主要采用針對變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 ACAC變換器并網(wǎng)和采用逆變器的并網(wǎng)方式.目前 ,可再生能源發(fā)

13、電的并網(wǎng)多采用逆變器與電網(wǎng)連接 ,并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有功率因數(shù)為1、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、能量可雙向流動等特點(diǎn) ,從而使其具有優(yōu)良的控制性能.當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí) ,并網(wǎng)逆變器還必須具有快速的動態(tài)響應(yīng).逆變器除了要保證并網(wǎng)所要求的電能品質(zhì)和條件外 ,還要實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電技術(shù)的一些功能 ,如太陽能最大功率輸出跟蹤控制和風(fēng)能最大捕獲控制等 ,要求其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有有功、 無功功率解耦可調(diào) ,且有高的變換效率.此外 ,通過并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式的無縫切換技術(shù) ,可以減小對電網(wǎng)的沖擊.目前這方面的研究多集中在電路拓?fù)浞矫?,所采用的控制策略多為 P I控制 ,對外界環(huán)境不具備魯棒性.利用現(xiàn)代控制理論提高并網(wǎng)

14、逆變器性能已有一些成果 ,如采用非線性狀態(tài)反饋線性化方法實(shí)現(xiàn)了線電流中的有功和無功分量的解耦控制 ,達(dá)到了提高動態(tài)性能的目的;在 P I控制基礎(chǔ)上 ,引入預(yù)測控制 ,也能改善控制器的動態(tài)性能 ,并可減小直流側(cè)緩沖電容的容量;將滑?？刂茟?yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制器中 ,可實(shí)現(xiàn)低速下的可靠發(fā)電控制;基于自抗擾控制器原理的并網(wǎng)控制器 ,在動態(tài)性能和魯棒性方面具有明顯提高 ,且容易實(shí)現(xiàn).以上研究雖然得出了一些研究成果 ,但都是針對各個問題分別解決 ,要得出實(shí)用性的技術(shù)成果 ,應(yīng)將功率跟蹤控制、 功率因數(shù)控制和輸出電流波形控制等問題綜合考慮 ,研究出統(tǒng)一控制算法.目前我國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仍以獨(dú)立供電系統(tǒng)

15、為主 ,自主研的并網(wǎng)逆變器存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定 ,可靠性低的弱點(diǎn) ,而且保護(hù)措施不全 ,容易引起事故 ,與建筑一體化等問題也沒有得到很好考慮.并網(wǎng)中的“ 孤島 ” 現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)失電后 ,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)載處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài) ,就會由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成一個自給式供電孤島.“ 孤島 ” 現(xiàn)象會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行 ,危及線路維修人員的人身安全.隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其它分散式并網(wǎng)電源的增多 ,發(fā)生“ 孤島 ” 效應(yīng)的概率也會越來越高 ,近年來在可再生能源發(fā)展較快的國家和地區(qū)引起了人們的廣泛重視.一般情況下 ,一個裝有過壓、 欠壓、 過頻和欠頻繼電器的逆變器具有對“

16、孤島 ” 的基本保護(hù)功能.但在源 -負(fù)載功率平衡的情況下 ,電壓和頻率變化很小 ,這些繼電器將失效 ,導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入“ 孤島 ” 運(yùn)行.“ 孤島 ” 檢測方法分為兩大類 ,即被動檢測法和主動檢測法.被動檢測是通過觀察電網(wǎng)的電壓 ,頻率以及相位的變化來判斷有無“ 孤島 ” 發(fā)生等.然而當(dāng)光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率基本接近 ,導(dǎo)致斷電時(shí)局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時(shí) ,被動檢測法就會失效.為了解決此問題 ,主動檢測法應(yīng)運(yùn)而生.主動檢測法是通過在并網(wǎng)逆變器的控制信號中加入很小的電壓、 頻率或相位擾動信號 ,然后檢測逆變器的輸出.當(dāng)“ 孤島 ” 發(fā)生時(shí) ,擾動信號的作用就會顯現(xiàn)出來 ,當(dāng)輸出變化

17、超過規(guī)定的門限值就能預(yù)報(bào)“ 孤島 ” 的發(fā)生.但一般的主動檢測法 (如頻率偏移法、 輸出功率變化測量法等 )中 ,負(fù)載相角特性對檢測的有效性影響較大 ,這類方法存在“ 檢測盲區(qū) ” .如何快速、 準(zhǔn)確、 低成本地進(jìn)行“ 孤島 ” 檢測與控制將成為并網(wǎng)技術(shù)的一個研究熱點(diǎn).2 .太陽能充電控制器為提高太陽能發(fā)電的可靠性 ,需配備一定容量的蓄電池組.鉛酸蓄電池組成本較高 ,且使用壽命有限 ,若使用不當(dāng) ,會嚴(yán)重影響壽命.蓄電池組的成本已成為影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的一個主要障礙.常規(guī)的充電方法 ,如恒流充電法、 階段充電法、 恒壓充電法、 脈沖充電法等 ,都是基于蓄電池的充電特性曲線進(jìn)行的 ,

18、但充電控制精度易受外界環(huán)境影響 ,采用自適應(yīng)控制算法則能很好地兼顧蓄電池充電控制和太陽能電池最大功率跟蹤控制.3 .變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)目前我國風(fēng)力發(fā)電基本都是采用并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 ,運(yùn)行方式是不加控制的直接并網(wǎng)運(yùn)行 ,風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)很容易對電網(wǎng)形成沖擊、 注入諧波、 造成污染 ,甚至影響局部電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性.解決這一問題的方案是采用變速恒頻控制 ,即當(dāng)風(fēng)速改變引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時(shí) ,仍能保證輸出電能頻率恒定.實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的方法眾多 ,其中雙饋發(fā)電機(jī)方案最具優(yōu)勢.雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)又稱交流勵磁發(fā)電機(jī) ,其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同 ,定子側(cè)三相對稱繞組直接與工頻電網(wǎng)相連 ,轉(zhuǎn)子側(cè)三相對稱勵磁

19、繞組要求與能提供可控幅值、 相位及頻率的電源相連.由于交 2 交變換器只需供給轉(zhuǎn)差功率 ,大大減少了對容量的要求.發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓頻率 ,實(shí)現(xiàn)恒頻輸出 ,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功、 無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié) ,進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的跟蹤和捕獲運(yùn)行.在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速 ,使始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上 ,從而提高了機(jī)組發(fā)電效率 ,優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件.此外,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí) ,幾乎沒有電流沖擊 ,不必?fù)?dān)心異步機(jī)并網(wǎng)時(shí)沖擊電流過大的問題.同時(shí),雙饋發(fā)電機(jī)工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的 ,當(dāng)風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí) ,也不必?fù)?dān)心同步電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能

20、出現(xiàn)的失步問題.無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制 ,降低變頻器的容量外 ,還可以實(shí)現(xiàn)有功、 無功功率的靈活控制 ,對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?同時(shí)發(fā)電機(jī)本身沒有滑環(huán)和電刷,既降低了電機(jī)的成本 ,又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性.變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)的 ACAC變換器為四象限變換器 ,按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為交 交變頻器、交 直 交變頻器和矩陣變換器.交 交變頻器不需中間直流濾波環(huán)節(jié) ,晶閘管采用自然換流方式 ,始終吸收無功功率 ,功率因數(shù)圖5 兩種風(fēng)能發(fā)電主要結(jié)構(gòu)示意圖低 ,諧波含量大 ,輸出頻率低.交 直 交變頻器是目前應(yīng)用最廣泛的 ACAC變換器 ,但其直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積大 ,壽

21、命較短 ,且開關(guān)損耗較大.目前應(yīng)用的兩種主要結(jié)構(gòu) ACDCAC方式和 ACAC方式如圖5所示.矩陣變換器是一種 ACAC直接變頻器 ,由直接接于三相電源和三相負(fù)載之間的 9個開關(guān)陣列組成 ,沒有中間直流環(huán)節(jié) ,功率電路簡單 ,可輸出幅值、 頻率、 相位和相序均可 控的電壓.諧波含量較小,輸入功率因數(shù)可控 ,可四象限運(yùn)行 ,但是其換流過程不允許兩個開關(guān)同時(shí)開通或關(guān)斷 ,控制較復(fù)雜.矩陣變換器作為發(fā)電系統(tǒng)交流勵磁電源 ,不但能滿足交流勵磁變速恒頻發(fā)電所必需的雙向功率流動 ,而且其優(yōu)良的輸入、輸出特性確保了生產(chǎn)滿足要求的高質(zhì)量電能 ,同時(shí)在真正意義上解決了能源的最佳利用和環(huán)保問題.目前矩陣式變換器的

22、控制多采用空間矢量變換控制方法 ,借用傳統(tǒng)交 直 交控制策略 ,在魯棒性和實(shí)現(xiàn)性方面還有待提高.風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)兼容的問題也必須加以關(guān)注.如今的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還不能適應(yīng)較大的電網(wǎng)電壓和頻率暫態(tài)變化 ,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí) ,風(fēng)機(jī)脫離電網(wǎng) ,而當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)定后風(fēng)機(jī)重新并網(wǎng)運(yùn)行.對于風(fēng)機(jī)來說 ,這是可以接受的 ,但是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電量增長到電網(wǎng)容量的 10%15%時(shí) ,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須支持電網(wǎng)穩(wěn)定 ,并且其行為必須和傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相似 ,這對發(fā)電系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。4 . 燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃料電池是有內(nèi)阻的 ,輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化 ,這樣的輸出電壓是不能直接應(yīng)用的 ,并且輸出電壓隨著溫度的增加而

23、增加.對于直流負(fù)載而言 ,一般只需一個恒定不變的供電電壓 ,而對于交流負(fù)載 ,還需要將直流電逆變?yōu)樗枰慕涣麟?因此燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)必須要有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能正常工作.燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示 ,系統(tǒng)由燃料電池、 蓄電池或超級電容、升壓變換器、 雙向直流變換器和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成. 由于目前燃料電池發(fā)電成本還比較高 ,因此對功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率要求較高.。針對燃料電池電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器輸入電壓變化范圍寬 ,則需選用一種適用于寬輸入的變換器拓?fù)渥鳛樵摴β收{(diào)節(jié)器的前級 ,此外還得考慮動態(tài)響應(yīng)速度慢的特點(diǎn).雙向直流變換器研究的幾個關(guān)鍵問題是: (1)如何研制簡單高效的雙向

24、直流變換器拓?fù)? (2)探尋新型雙向直流變換器的軟開關(guān)技術(shù) ,從而進(jìn)一步降低變換器的開關(guān)損耗 ,并拓寬軟開關(guān)負(fù)載適應(yīng)范圍; (3)減小雙向直流變換器中的循環(huán)能量 ,降低通態(tài)損耗 ,提高總體效率; (4)進(jìn)一步提高雙向直流變換器的動態(tài)響應(yīng); (5)建立雙向直流變換器的控制模型 ,有助于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì) ,改善變換器的性能; (6)實(shí)現(xiàn)雙向直流變換器的數(shù)字控制 ,有利于進(jìn)行系統(tǒng)移植、 數(shù)據(jù)采集、 顯示和監(jiān)控.。5 .可再生能源中的諧波抑制可再生能源發(fā)電多采用電力電子裝置來實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換 ,通常會給電網(wǎng)帶來電力諧波 ,使功率因數(shù)惡化、 電壓波形畸變、 增加電磁干擾 ,隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的增大 ,因

25、而給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注.目前 ,諧波抑制主要有兩種方法:無源濾波和有源濾波.無源濾波利用電容和電感諧振的特點(diǎn)來抑制特定頻率的高次諧波分量和提高功率因數(shù) ,但存在體積大、 濾波頻率固定和會出現(xiàn)串 /并諧振等缺陷 ,限制了其應(yīng)用場合.近年來 ,有源濾波以其可補(bǔ)償各次諧波 ,還可抑制電壓瞬變、 補(bǔ)償無功等一機(jī)多能的特點(diǎn) ,成為一個研究熱點(diǎn) ,且在一些工業(yè)先進(jìn)國家得到了大量應(yīng)用 ,但在補(bǔ)償性能、 可靠性以及降低成本和損耗方面還有待進(jìn)一步完善.針對有源濾波器的強(qiáng)非線性和高實(shí)時(shí)性要求 ,許多學(xué)者將先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于有源濾波器的控制 ,也取得了許多有益的結(jié)果.以上研究成果雖然可實(shí)現(xiàn)對有源濾波器品質(zhì)的改善但尚未成熟.另外 ,電源品質(zhì)的改善應(yīng)是綜合性的多目標(biāo)優(yōu)化問題 ,應(yīng)加強(qiáng)對統(tǒng)一電源品質(zhì)的管理.6. 矩陣變換器及控制矩陣式變換器是實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制的一個重要實(shí)現(xiàn)電力電子變流裝置，具備同步速上、下運(yùn)行時(shí)控制繞組所需的功率雙向流動功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6：9個雙向開關(guān)排成3行3列矩陣，利用9個雙向開關(guān)周期內(nèi)的占空比來組成