(可再生能源中能源變換與再生技術)學習心得通過這段時間對可再生能源系統中的電能變換與控制技術的學習讓我了解到，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。隨著經濟的發展、人口的增加和社會生活水平的提高，未來世界能源消費量將持續增長，世界上的化石能源消費總量總有一天將達到極限。此外，大量使用化石燃料已經為人類生存環境帶來了嚴重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產生約1億噸溫室效應氣體，己經造成極為嚴重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應將融化兩極的冰山，這可能使海平面上升幾米，人類生活空間的四分之一將由此受到極大威脅。當前人類文明的高度發達與地球生存環境的快速惡化己經形成一對十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了嚴峻的命題和挑戰。針對以上情況，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。一、通過此次學習了解了幾種主要的可再生能源發電系統：1、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。圖1-1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。2、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。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。圖1-2一種風力發電系統的結構示意圖3、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4、混合能源發電系統利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從圖1-1-圖1-4可以看出，發電系統中都存在“變換器”和“逆變器”等環節，稱之為電力電子變換裝置。這些環節的功能是實現電能變換，即將由光伏電池、風力發電機、燃料電池等發電元件產生的電能變換成可以并入電網或直接供給用電設備的電能。在電氣工程領域，作為可再生能源應用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開發也成為一個重要的研究課題，與之對應的技術就是可再生能源發電中的電力電子（電能變換）技術。電力電子技術作為可再生能源發電技術的關鍵，直接關系到可再生能源發電技術的發展?？稍偕茉唇浌夥姵?、風力發電機、燃料電池等發電元件的能量轉換而產生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行變換。在電能變換及并網（或獨立供電）的系統控制過程中，涉及到諸多技術。典型的電能變換技術主要有整流技術、斬波技術和逆變技術；典型的控制技術主要是逆變器的并網控制技術。上述技術中，電能形式的轉換及控制是核心技術，而光伏發電和風力發電又是相對普遍和成熟的可再生能源發電系統。光伏發電系統的部分相應問題已在此前做過介紹，本專題重點討論風力發電系統中的電力電子變換技術，主要內容包括：電能變換器的功能作用、電路結構和電氣原理分析。二、通過學習了解了在風力發電系統中的整流技術、逆變技術和斬波技術。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。在多數場合中，整個風力發電系統中包含上述三種技術中的一種或幾種。1、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；同時，不可控整流模塊的功率等級可以做到很大，技術瓶頸較小，因此在實際中仍得到了較為廣泛的應用。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。2、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。3、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10.68%。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^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（PowerFactorCoireclion，PFC)，因而受到廣泛關注。該電路可以調節整流器輸人端（即發電機輸出端）的電流波形，減少諧波失真，提髙功率因數，進而減少發電機損耗，提高永磁發電機的有功功率輸出能力。直驅系統為全功率變換系統，隨著功率的逐步上升，就需要多個整流以及逆變環節并聯運行。三相單管整流電路對直驅系統中的永磁同步發電機進行升壓穩壓以及功率因數校正，由于其電流源特性，并聯時無需均流措施，應用前景看好4、基于晶閘管的逆變方案系統中整流部分采用三相不可控整流，逆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髙壓直流輸電系統和變速驅動系統中。早期的并網風力發電機組基本都是采用晶閘管變流技術。但是，品閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且在電網側會產生很大的諧波電流，為了滿足電網諧波的要求，必須對系統進行補償。由于變速恒頻風力發電機組輸入功率變化范圍很大，因此補償的無功功率變化范圍也比較大。傳統的投切電容方式不夠靈活，系統需要電容量可調、響應快速的無功功率補償裝置。通過檢測逆變器輸人端電壓、電流以及電網的電壓值，可以計算出補償系統的觸發延遲角。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。5、電壓源型PWM逆變方案電壓源型PWM逆變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、MOSFET等。圖4-2PWM逆變器拓撲圖6、電流源型逆變方案晶閘管具有成本低、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。全控型器件構成逆變器，能夠實現自換流，使輸出諧波大大減小，可以省去補償系統。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（PMSG)的轉速，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。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。7、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