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1、2014年继续教育电气工程专业可再生能源系统中的电能变换与控制技术学习心得一引言能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的一次能源结构中， 主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源己近枯竭。 开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展的能源结构是人类必须采取的措施，使以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。可再生能源发电技术
2、的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代型能源过渡。 1.1光伏发电系统光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。图1-1是一个太阳能光伏并网发电系统示意图。该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。光伏阵列除保证负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中;当光伏阵列不足以提供负载所需的电能时，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。图1-1 太阳能光伏并网发电系统示意图1.2风力发电系统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
3、、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。风力发电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。图1-2 一种风力发电系统的结构示意图1.3 燃料电池发电系统燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置。燃料电池发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，其效率可达40%-65%。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。图1-3燃料电池发电系统结构示意图1.4 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/太阳能混合发电系统，可以弥补因风
4、能、太阳能资源间歇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。太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构如图1-4所示。图1-4太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构示意图 二风力发电系统中的整流技术风力发电系统中，风能转换为电能馈送到电网上或者单独向负载供电，期间能流转换的本质是机械能到电能的转换，所涉及的变流（电能变换）技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术。 2.1 不可控整流方案在直接驱动型风力发电系统中，由于发电机出口电压的幅值和频率总在变化， 需要先通过整流电路将该交流信号变换成直流电，然后再经过逆变器变换为恒频恒 压的交流电连接到电网。但是在整流过程中，由于电力
5、电子器件的作用使得发电机 侧功率因数变低并且电流谐波增大，给发电机正常运行带来了不利影响。然而，由于该种方案结构简单，可靠性高，成本低廉。该系统前端采用不可控整流桥整流为直流，将风力发电机发出的变压变频的交流电转化为直流电，最后经过变流器环节将电流送人电网。该系统具有工作稳定，控制简单，成本低廉等优点，适合于中小功率场合。2.1.1 多脉波不可控整流方案图2-1不可控整流器与逆变器的直驱型系统结构不可控整流方案的缺点在于交流側谐波含量大，降低了系统的效率，给系统带来了不良影响。多脉波不可控整流技术可以显著降低交流侧的电流谐波，降低直流側的电压脉动，已经在电源、变频器等多种场合得到了广泛应用。
6、2.1.2 三相单管整流方案不可控整流桥会向发电机注人大量的5次、7次、11次低频谐波，电流的畸变率很大，约为10.68%。大量的谐波电流会在发电机内部产生大量损耗，使发电机温度上升，缩短发电机寿命，系统效率降低因此，如果能使发电机输出电 流正弦化，减少电流谐波，就能减少发电机损耗，增加系统效率。三相单管整流方案具有结构简单、控制容易、并联无需均流等特点，同时可以实现功率因数校正 ，因而受到广泛关注。 （1）三相单管整流电路拓扑图采用三相单管整流技术的直驱系统结构如图2-6所示，风力机与低速永磁同步发电机直接连接，在发电机的输出端采用三相单管整流电路进行升压、稳压后逆变并网。与传统的直驱系统相
7、比，三相单管整流电路将升压电感放在了整流桥前端，在实现整流的同时，还具有升压、稳压功能，同时还能对发电机输出电压电流进行功率因数校正。这种结构增加了两个电感以及一个输人低通滤波器，但是减少了一个电容器，在系统成本没有增加太多的情况下实现了对发电机输出电压电流的功率因数校正，提髙了发电机有功功率输出能力，减小了电流谐波含量，进而降低了发电机损耗，提髙了系统效率。图2-6 带三相单管Boost PFC的直驱系统结构图（2）三相单管整流电路工况分析三相单管整流电路的主电路如图2-7所示，为实现自动功率因数校正，电路工作在断续电流模式（DMC）。图2-7 三相单管Boost PFC主电路 （3）三相单
8、管整流电路控制策略三相单管整流电路控制简单，可靠性高，其控制方法如图2-9所示。控制系统只采用一个电压外环，实现功率因数校正及稳定输出电压的目的。输出电压与参考电压的差值经过PI调节后，通过限幅环节保证系统工作在DCM，再通过 PWM给定功率管开关信号，系统控制简单，可靠性高。图2-9 三相单管整流电路的控制器原理图 三相单管整流器的开关频率固定、元件数量少、成本低、控制简单、可靠性高，应用于直驱型风力发电系统中，可以对发电机输出进行功率因数校正，提高发电机有功功率输出能力，减小电流谐波含量，降低发电机损耗，提髙了系统效率，具有一定的应用前景。2.2 PWM整流方案采用PWM整流方案可以实现稳
9、定的直流电压输出，且输人側的电流波形良 好，功率因数可调，具备宝贵的四象限运行能力。然而其结构和控制方法较为复杂，成本较髙。但是随着电力电子技术特别是开关器件制造技术的发展，PWM整流器的成本问题已经有所缓和，应用场合越来越广泛，已经成为了未来变流技术的一种趋势。PWM整流器的基本拓扑如图2-13所示，对于三相整流场合来说，主拓扑部分即为三相全桥电路，开关管采用IGBT、MOSFET等全控型器件。三相输人侧串联三组输入端电感，直流输出侧并联电容。图2-13 三相PWM整流器的开关等效电9三 风力发电系统中的斩波技术斩波技术实现的是直流到直流的变换，直接驱动型风力发电系统中，采用不可控整流方案的
10、场合很多，此时发电机（通常采用永磁发电机）发出的三相电通过三相不可控整流桥整流后，再进行逆变然后并网发电。但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量回馈至电网，因此实用的电路往往在直流侧加人一个Boost升压电路，在低速时，由升压电路先将整流器输出的直流电压提升。采用此电路可使风力发电机组运行在非常宽的调速范围。Boost电路是风力发电系统中主要用到的斩波技术，其具有输人电流连续、拓扑结构简单、效率高等特点。3.1 Boost斩波器Boost斩波器是常用的DC/DC升压斩波器，其拓扑如图3-1所示。图3-1中，表示输入电压，表示输出电压，为负载。采用不同的占空比控制开关S，便可以控制输
11、出电压。图3-1 Boost电路拓扑3.2 Boost斩波器PFC控制结合风力发电场合，鉴于功率因数校正目的，有必要利用Boost电路完成PFC的功能。目前在Boost技术中常用的两种PFC预调整器控制方法是固定频率（FF）PWM和过渡模式（TM）PWM（固定开通时间，变频）技术。前者利用平均电流模式控制，控制技术及控制芯片较为复杂，需要较多的外围元件，Boost电感工作在连续导通模式（CCM)下。后者利用简单的峰值电流控制，只需要很少的外围原件，Boosl电感工作在介于连续和断续模式的临界情况下。对于给定的功率输出，TM方式比FF-CCM方式的峰值电流更大，因此TM方式多用于小功率场合，而F
12、F-CCM方式用于大功率场合。固定关断时间集合了FF和TM两者的优点。控制方法和TM PFC一样简单，也是利用峰值电流控制，只箝在一个标准的TM控制器核心周围增加几个无源组件，易于实现。不需要斜率补偿，电流回路无条件稳定。升压电感器无需辅助绕组。EMI (电磁干扰）滤波器滤波简易，髙频电流纹波与FfCCMPFC的相同。效率高，传导功耗与FF-CCM PFC的相同；与电容和二极管反向恢复相关的功耗低于FF-CCM反向恢复不像在FF-CCM中那样关键。 四风力发电系统中的逆变技术4.1 基于晶闸管的逆变方案如图4-1所示，系统中整流部分采用三相不可控整流，逆变器的开关管采用晶闸管，并在网侧并联电容
13、器进行无功功率补偿。与自关断型开关管（如IGBT)相比，晶闸管技术成熟，成本低，功率等级高，可靠性高。在过去的几十年中，相控强迫换相变流器用于髙压直流输电系统和变速驱动系统中。 晶闸管逆变器成本低，输人电网电流的谐波含量高，为了消除输入电网的谐波电流，可以加入补偿系统。补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大，这会增加系统成本。为了更好地消除谐波，可以采用多脉波晶闸管等方法，但是会使系统成本有所增加。图4-1 不可控整流后接晶闸管逆变器和无功功率补偿型拓扑结构4.2 电压源型PWM逆变方案电压源型PWM逆变方案是当前主要应用的逆变方案，该方案的拓扑如图4-2所示，采用的结构为三相全桥，开关器件为
14、全控型开关器件，如IGBT、MOSFET等。图4-2 PWM4.3 电流源型逆变方案图4-9是不可控整流+电流源型逆变器的结构图，图4-9a由晶闸管构成逆变器，晶闸管具有成本低、功率等级高等优点，在早期的并网风力发电机组中使用较多；但是晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且会在电网侧产生很大的谐波电流，必须增加补偿系统对其进行谐波抑制和无功功率补，这将增加系统的成本和控制的复杂性。图4-9b由全控型器件构成逆变器，和图4-9a比较，能够实现自换流，使输出谐波大大减小，可以省去补偿系统。图4-9不可控整流+电流源型逆变器结构图4-10是不可控整流+电压源型逆变器的结构图。由不可控整流得到的直
15、流侧电压随输入而变化，通过全控型器件构成电压源型逆变器（VSI)，可以通过改变调制比来实现并网电压频率和幅值恒定；这种拓扑可以进一步提高开关频率，减小谐波污染，灵活调节输出到电网的有功功率和无功功率，从而调节永磁同步发电机（PMSG)的转速，使其具有最大风能捕获的功能；缺点是不能直接调节发电机电磁转矩，动态响应较慢，不可控整流会造成定子电流谐波含量较大，会增大发电机损耗和转矩脉动，并且当风速变化范围较大时，VSI的电压调节作用有限。图4-10不控整流+电压源型逆变器结构与VSI相比较，电流源型逆变器（CSI)容易实现能量的双向流动，由于直流侧存在大电感，抗电流冲击能力强，系统的可靠性更高，但是
16、CSI容易受电网电压变化的影响，动态响应较慢，并且谐波问题较大，功率因数低。因此，综合成本、效率和动态响应等因素，电压源型逆变器具有更大的优势，目前在小型风力发电机组中使用较多。 总之，通过本次2014年度专业技术人员继续教育知识更新培训的学习，体会到可再生能源系统中的电能变换与控制技术都在不断完善和发展之中。其次，随着能源是人类经济及文化活动的动力来源 ，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展的能源结构是人类必须采取的措施，使以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构，实现可持续发展。通过本次培训，使我在可再生能源系统中的电能变换与控制技术的理论知识得到了拓展和提高，在以后的工作和实践中进一步深入学习和研究，并不断在实践中加以利用，为做好本职工作打好、打实理论基础。