1、2014年繼續教育電氣工程專業可再生能源系統中的電能變換 與控制技術學習心得一.引言能源是人類經濟及文化活動的動力來源。在20世紀的一次能源結構中，主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。經過人類數千年，特別是近百年的消費，這些化石 能源己近枯竭。開發利用可再生能源和各種綠色能源以實現可持續發展的能源結構是 人類必須采取的措施，使以資源有限、污染嚴重的石化能源為主的能源結構將逐步轉 變為以資源無限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結構。太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能、地熱能、燃料電池等可再生能源作為 新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優點，正得到迅速的 推廣應用。可再生能

2、源發電技術的發展和規模的擴大，使其逐步從補充型能源向替代 型能源過渡。光伏發電系統光伏發電系統可分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。圖1-1是一個太陽能光伏并網發電系統示意圖。該系統由太陽能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池 或超級電容和并網逆變器構成。光伏陣列除保證負載的正常供電外，將多余電能通過 雙向直流變換器儲存到蓄電池或超級電容中；當光伏陣列不足以提供負載所需的電能 時，雙向直流變換器反向工作向負載提供電能。太陽能.無伏后列一逆變器蓄電浦成雙向立渣超堤電容變換器圖1-1太陽能光伏并網發電系統示意圖風力發電系統風力發電按照風輪發電機轉速是否恒定分為定轉速運行與可變速運行兩種方式。GB

3、風機同步電機電網按照發電機的結構區分，有異步發電機、同步發電機、永磁式發電機、無刷雙饋發電 機和開關磁阻發電機等機型。風力發電運行方式可分為獨立運行、并網運行、與其它 發電方式互補運行等。勵磁 r變換器圖1-2 一種風力發電系統的結構示意圖燃料電池發電系統燃料電池是一種將持續供給的燃料和氧化劑中的化學能連續不斷地轉化為電能的 電化學裝置。燃料電池發電最大的優勢是高效、潔凈，無污染、噪聲低，模塊結構、 積木性強、不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，其效率可達40%-65%燃料電池被 稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置圖1-3燃料電池發電系統結構示意圖混合能源發電系統利

4、用風能資源和太陽能資源天然的互補性而構成的風力/太陽能混合發電系統，可以彌補因風能、太陽能資源間歇性不穩定所帶來的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩定可靠電能。太陽能光伏制氫儲能燃料電池發電系統的結構如圖1-4所示。圖1-4太陽能光伏制氫儲能燃料電池發電系統的結構示意圖二.風力發電系統中的整流技術風力發電系統中，風能轉換為電能饋送到電網上或者單獨向負載供電，期間能流轉換的本質是機械能到電能的轉換，所涉及的變流（電能變換）技術主要有整流技術、 斬波技術和逆變技術。不可控整流方案在直接驅動型風力發電系統中，由于發電機出口電壓的幅值和頻率總在變化，需要先通過整流電路將該交流信號變換成直流電，然后再經

5、過逆變器變換為恒頻恒壓的交流電連接到電網。但是在整流過程中，由于電力電子器件的作用使得發電機側功率因數變低并且電流諧波增大，給發電機正常運行帶來了不利影響。然而，由于該種方 案結構簡單，可靠性高，成本低廉。該系統前端采用不可控整流橋整流為直流，將風力發電機發出的變壓變頻的交流 電轉化為直流電，最后經過變流器環節將電流送人電網。該系統具有工作穩定，控制 簡單，成本低廉等優點，適合于中小功率場合。多脈波不可控整流方案圖2-1不可控整流器與逆變器的直驅型系統結構不可控整流方案的缺點在于交流側諧波含量大，降低了系統的效率，給系統帶來 了不良影響。多脈波不可控整流技術可以顯著降低交流側的電流諧波，降低直

6、流側的 電壓脈動，已經在電源、變頻器等多種場合得到了廣泛應用。三相單管整流方案不可控整流橋會向發電機注人大量的5次、7次、11次低頻諧波，電流的畸變率很大，約為大量的諧波電流會在發電機內部產生大量損耗，使發電機溫度上升，縮短發電機壽命，系統效率降低 八因此，如果能使發電機輸出電 流正弦化，減少電流諧波，就能減少發電機損耗，增加系統效率。三相單管整流方案具有結構簡單、控制容易、并聯無需均流等特點，同時可以實現功率因數校正，因而受到廣泛關注。(1)三相單管整流電路拓撲圖采用三相單管整流技術的直驅系統結構如圖2-6所示，風力機與低速永磁同步發電機直接連接，在發電機的輸出端采用三相單管整流電路進行升壓

7、、穩壓后逆變并網與傳統的直驅系統相比，三相單管整流電路將升壓電感放在了整流橋前端，在實現整 流的同時，還具有升壓、穩壓功能，同時還能對發電機輸出電壓電流進行功率因數校 正。這種結構增加了兩個電感以及一個輸入低通濾波器，但是減少了一個電容器，在 系統成本沒有增加太多的情況下實現了對發電機輸出電壓電流的功率因數校正，提高 了發電機有功功率輸出能力，減小了電流諧波含量，進而降低了發電機損耗，提高了 系統效率。圖2-6帶三相單管Boost PFC的直驅系統結構圖(2)三相單管整流電路工況分析三相單管整流電路的主電路如圖2-7所示，為實現自動功率因數校正，電路工作 在斷續電流模式(DMC圖2-7三相單管

8、Boost PFC主電路(3)三相單管整流電路控制策略三相單管整流電路控制簡單，可靠性高，其控制方法如圖2-9所示。控制系統只采用一個電壓外環，實現功率因數校正及穩定輸出電壓的目的。輸出電壓與參考電壓的差值經過PI調節后，通過限幅環節保證系統工作在DCM再通過PWM合定功率管開關信號，系統控制簡單，可靠性高。圖2-9三相單管整流電路的控制器原理圖三相單管整流器的開關頻率固定、元件數量少、成本低、控制簡單、可靠性高,應用于直驅型風力發電系統中，可以對發電機輸出進行功率因數校正，提高發電機有功功率輸出能力，減小電流諧波含量，降低發電機損耗，提高了系統效率，具有一定 的應用前景。PW譴流方案采用PW

9、灌流方案可以實現穩定的直流電壓輸出，且輸人側的電流波形良好，功率因數可調，具備寶貴的四象限運行能力。然而其結構和控制方法較為復雜，成本較高。但是隨著電力電子技術特別是開關器件制造技術的發展，PW慳流器的成本問題已經有所緩和，應用場合越來越廣泛，已經成為了未來變流技術的一種趨勢。PW慳流器的基本拓撲如圖2-13所示，對于三相整流場合來說，主拓撲部分即為 三相全橋電路，開關管采用IGBT、MOSFE等全控型器件。三相輸人側串聯三組輸入端 電感，直流輸出側并聯電容。圖2-13三相PW庵流器的開關等效電三.風力發電系統中的斬波技術斬波技術實現的是直流到直流的變換，直接驅動型風力發電系統中， 采用不可控

10、整流方案的場合很多，此時發電機（通常采用永磁發電機）發 出的三相電通過三相不可控整流橋整流后，再進行逆變然后并網發電。但 由于同步發電機在低風速時輸出電壓較低，無法將能量回饋至電網，因此 實用的電路往往在直流側加人一個Boost升壓電路，在低速時，由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升。采用此電路可使風力發電機組運行在 非常寬的調速范圍。Boost電路是風力發電系統中主要用到的斬波技術， 其具有輸人電流連續、拓撲結構簡單、效率高等特點。Boost斬波器Boost斬波器是常用的DC/DC升壓斬波器，其拓撲如圖 3-1所示。圖3-1中，5nt表示輸入電壓，Uo表示輸出電壓，Ro為負載。采用 不同的

11、占空比控制開關 S,便可以控制輸出電壓。圖3-1 Boost電路拓撲Boost斬波器PFC控制結合風力發電場合，鑒于功率因數校正目的，有必要利用Boost電路完成PFC的功能。目前在Boost技術中常用的兩種 PFCS調整器控制方法 是固定頻率（FF） PWMf過渡模式（TM PWM固定開通時間，變頻）技術。 前者利用平均電流模式控制，控制技術及控制芯片較為復雜，需要較多的 外圍元件，Boost電感工作在連續導通模式（CCM）Fo后者利用簡單的峰 值電流控制，只需要很少的外圍原件，Boosl電感工作在介于連續和斷續模式的臨界情況下。對于給定的功率輸出，TM方式比FF-CCM&式的峰值電流更大，

12、因此TM方式多用于小功率場合，而 FF-CC昉式用于大功率場 合。固定關斷時間集合了 FF和TM兩者的優點?？刂品椒ê?TM PFC一樣 簡單，也是利用峰值電流控制，只箝在一個標準的TM控制器核心周圍增加幾個無源組件，易于實現。不需要斜率補償，電流回路無條件穩定。升 壓電感器無需輔助繞組。EMI （電磁干擾）濾波器濾波簡易，高頻電流紋 波與FfCCMPFC勺相同。效率高，傳導功耗與 FF-CCM PFC勺相同；與電容 和二極管反向恢復相關的功耗低于FF-CCMS向恢復不像在FF-CC時那樣關鍵。四.風力發電系統中的逆變技術基于晶閘管的逆變方案如圖4-1所示，系統中整流部分采用三相不可控整流，逆

13、變器的開關 管采用晶閘管，并在網側并聯電容器進行無功功率補償。與自關斷型開關管（如IGBT）相比，晶閘管技術成熟，成本低，功率等級高，可靠性高 在過去的幾十年中，相控強迫換相變流器用于高壓直流輸電系統和變速驅動系統中。晶閘管逆變器成本低，輸人電網電流的諧波含量高，為了消除輸入電 網的諧波電流，可以加入補償系統。補償系統的控制比較復雜，但是容量 比較大，這會增加系統成本。為了更好地消除諧波，可以采用多脈波晶閘 管等方法，但是會使系統成本有所增加。風力機 永祺同步 不可控賴流爵晶雨管發電機說費器料健系統圖4-1不可控整流后接晶閘管逆變器和無功功率補償型拓撲結構電壓源型PWME變方案電壓源型PW隨變

14、方案是當前主要應用的逆變方案，該方案的拓撲如圖4-2所示，采用的結構為三相全橋，開關器件為全控型開關器件，如IGBT、MOSFETfo電流源型逆變方案圖4-9是不可控整流+電流源型逆變器的結構圖，圖 4-9a由晶閘管構 成逆變器，晶閘管具有成本低、功率等級高等優點，在早期的并網風力發電機組中使用較多；但是晶閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且會在電網側產生很大的諧波電流，必須增加補償系統對其進行諧波抑制和無功功率補，這將增加系統的成本和控制的復雜性。圖 4-9b由全控型器件構成逆變器，和圖4-9a比較，能夠實現自換流，使輸出諧波大大減小， 可以省去補償系統邳由魚向哲構成送交嘉圖4-9不可控整

15、流+電流源型逆變器結構圖4-10是不可控整流+電壓源型逆變器的結構圖。由不可控整流得到的直 流側電壓隨輸入而變化，通過全控型器件構成電壓源型逆變器（VSI）,可以通過改變調制比來實現并網電壓頻率和幅值恒定；這種拓撲可以進一 步提高開關頻率，減小諧波污染，靈活調節輸出到電網的有功功率和無功 功率，從而調節永磁同步發電機（PMS取轉速，使其具有最大風能捕獲 的功能；缺點是不能直接調節發電機電磁轉矩，動態響應較慢，不可控整 流會造成定子電流諧波含量較大，會增大發電機損耗和轉矩脈動，并且當 風速變化范圍較大時，VSI的電壓調節作用有限。以力機圖4-10不控整流+電壓源型逆變器結構與VSI相比較，電流源型逆變器（CSI）容易實現能量的雙向流動，由于直流側存在大電感，抗電流沖擊能力強，系統的可靠性更高，但是CSI容易受電網電壓變化的影響，動態響應較慢，并且諧波問題較大，功率因 數低。因此，綜合成本、效率和動態響應等因素，電壓源型逆變器具有更 大的優勢，目前在小型風力發電機組中使用較多。總之，通過本次2014年度專業技術人員繼續教育知識更新培訓的學 習，體會到可再生能源系