新能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

0 引言
能源是支撐現(xiàn)代文明社會發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，隨著傳統(tǒng)礦物能源，如石油、煤炭等資源的日益耗盡，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。
為了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和物力進(jìn)行研究。1981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、污染環(huán)境的化石能源，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。2005年第十屆全國人大常委會第十四次會議正式通過了《中華人民共和國可再生能源法》，將可再生能源的開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，從而奠定了我國可再生能源事業(yè)規(guī)劃與發(fā)展的法律基礎(chǔ)，2006年頒布的國家中長期科技發(fā)展綱要和“十一五”科技發(fā)展計劃明確提出了國家能源研究和發(fā)展戰(zhàn)略，將這方面的研究納入國家863計劃等高新技術(shù)項目給予重點(diǎn)支持。
由于太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿确腔惸茉淳鶎儆谶^程性能源，不僅可以再生，且清潔無污染或低污染，蘊(yùn)藏量巨大。因此，國內(nèi)外在新能源開發(fā)和利用方面，將風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池和燃料電池等作為當(dāng)前電氣工程重要的研究領(lǐng)域和發(fā)展方向，并且已取得了重要的進(jìn)展和成果。國內(nèi)外的許多科學(xué)家預(yù)言，隨著化石能源時代的終結(jié)和新文明的到來，在今后數(shù)十年內(nèi)太陽能、風(fēng)能等可再生的清潔能源將成為全世界的一種重要能源。所以，新能源和可再生能源的開發(fā)利用，是一項功在當(dāng)代、利在千秋的新型事業(yè)。但是，新能源的應(yīng)用仍存在許多問題需要研究和解決。
本文主要論述功率變換裝置在新能源供電系統(tǒng)中的核心作用、電力電子變換技術(shù)與現(xiàn)代電源技術(shù)的融合，研究幾種電能混合供電方式，探討集成供電系統(tǒng)的電源變換、智能管理及安全控制等問題，為未來新能源供電系統(tǒng)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 新能源發(fā)電方式
1.1 風(fēng)力發(fā)電
目前，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)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，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)。圖1給出了兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1.2 太陽能發(fā)電
自上世紀(jì)50年代第一塊實用的硅太陽電池研制成功，太陽能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個世紀(jì)的發(fā)展。目前占主流的太陽電池仍然是硅太陽電池，它又分單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池(總稱晶體硅太陽電池)和非晶硅太陽電池。
典型的太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2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，由太陽電池供電，同時向蓄電池充電；當(dāng)夜晚或陽光稀少時，由蓄電池供電。變流器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.3 燃料電池
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，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)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3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。

2 關(guān)鍵技術(shù)
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)集成形成產(chǎn)品，以方便用戶。
2.1 電能變換
眾所周知，新能源電力系統(tǒng)的共同特征是需要進(jìn)行電源變換，即通過電力變換裝置使發(fā)電設(shè)備輸出的電能在形式上與現(xiàn)有的用電設(shè)備的要求相匹配，在品質(zhì)上滿足用戶的需求。如何采用電力電子開關(guān)器件構(gòu)造合適的電力變換裝置是解決上述問題的根本出路。圖4給出了一個采用多電平逆變拓?fù)錁?gòu)成的組合式三相交流電源。

由于新能源電力系統(tǒng)中電能變換主要是依賴DC/DC變換和AC/DC變換兩種方式，因此，提高變流效率和功率密度顯得尤為重要。軟開關(guān)技術(shù)是減低開關(guān)損耗、提高電流密度和轉(zhuǎn)換效率的有效手段，因此需要開發(fā)基于軟開關(guān)的變流器。
2.2 電能儲存
由于太陽能、風(fēng)能等能源受自然環(huán)境和氣候條件的影響較大，具有不穩(wěn)定性和不確定性。為了提高電源質(zhì)量，應(yīng)該在新能源發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)置儲能裝置，以便在外部能源充足時儲存多余的電能，而在能源不足時提供電能。比如：風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過電感儲能器存儲風(fēng)能，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。除了傳統(tǒng)的蓄電池和電感等儲能方式外，現(xiàn)代的儲能裝置有超級電容和飛輪等方式。
與電解電容相比，超級電容利用碳電板表面產(chǎn)生的雙層電極儲能，具有非常高的功率密度和實質(zhì)的能量密度。如今，超級電容功率密度可高達(dá)20kw/kg，充放電時間各為0.1～100分鐘。在過去幾年，這些器件已應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)和汽車等許多領(lǐng)域。
飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪慣性存儲電能。如果與風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)合，可以在風(fēng)速很高時，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)；風(fēng)速降低時，飛輪驅(qū)動發(fā)電機(jī)輸出電能。當(dāng)前如何降低飛輪的摩擦損耗是提高儲能效率的關(guān)鍵，利用磁懸浮技術(shù)使飛輪轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定地懸浮于空間是一種有效的解決方案。預(yù)計飛輪儲能裝置將在國防、電力、交通等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
2.3 電能管理
電源管理系統(tǒng)(PMS)技術(shù)是提高電源效率和系統(tǒng)可靠性的新方法。PMS將智能控制和管理的思想引入電力系統(tǒng)，從發(fā)電、配電及用電等各個層次，對電能進(jìn)行分配、監(jiān)測、控制、管理和安全保護(hù)等。其主要功能包括：
(1)電能分配；
(2)優(yōu)化控制；
(3)狀態(tài)監(jiān)測；
(4)故障診斷；
(5)容錯控制。
實現(xiàn)上述功能的核心技術(shù)是：計算機(jī)技術(shù)，如數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場總線等；自動控制技術(shù)，如過程監(jiān)控、最優(yōu)化算法、容錯控制等；人工智能，如模式識別、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。特別重要的是這些技術(shù)的融合，包括各種技術(shù)內(nèi)部自身的融合，以及各種技術(shù)之間的融合。
例如：整個系統(tǒng)可以采用網(wǎng)絡(luò)化控制，通過三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：底層采用現(xiàn)場總線和基于DSP的嵌入式控制器實現(xiàn)實時控制、數(shù)據(jù)采集和通信；中間層通過分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)存儲、趨勢分析和故障報警等功能；上層采用人工智能技術(shù)構(gòu)建智能PMS，實現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測、電能分配、系統(tǒng)優(yōu)化和能量管理。在電源管理系統(tǒng)(PMS)方面，將在智能優(yōu)化及安全控制上有所突破。
2.4 電能質(zhì)量控制
近年來，隨著大量非線性元器件的使用，特別是電力電子變流器的廣泛應(yīng)用，造成了電網(wǎng)功率因數(shù)降低和諧波畸變等問題。如何治理“電力公害”，提高電能質(zhì)量成為當(dāng)前迫切需要解決的重要課題。電能質(zhì)量控制的主要研究內(nèi)容是：
(1)電源諧波檢測和分析技術(shù) 諧波的測量和分析是實現(xiàn)諧波治理的前提條件，準(zhǔn)確的諧波測量和分析能夠為諧波的治理提供良好的依據(jù)。自提出快速傅里葉變換算法(FFT)以來，基于傅里葉變換的諧波測量便得到了廣泛應(yīng)用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，否則會產(chǎn)生頻譜泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)。因此，如何減小因同步偏差而引起的測量誤差成了眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。
(2)電能質(zhì)量控制和管理 包括：功率因數(shù)校正和濾波器設(shè)計。由于傳統(tǒng)的無源濾波器體積和重量超大，日須針對不同的頻率進(jìn)行設(shè)計，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)是提高功率因數(shù)和降低諧波污染的重要途徑。近年來，有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)已從電路拓樸、控制策略發(fā)展到集成模塊，首先在單相PFC電路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本變換電路的專用或通用的PFC控制器。目前的研究重點(diǎn)在三相PFC控制技術(shù)上，比如：單開關(guān)、多開關(guān)以及軟升關(guān)三相PFC電路的研制。特別是，軟開關(guān)技術(shù)與PFC技術(shù)的融合是發(fā)展的新趨勢。雖然，目前PFC產(chǎn)品受到功率的限制，但應(yīng)用于分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)卻是重要機(jī)遇。

3 發(fā)展趨勢
3.1 混合供電系統(tǒng)
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)組成混合電力系統(tǒng)。圖5所示為混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在混合供電系統(tǒng)的研究中，主要研究太陽能、風(fēng)力以及燃料電池系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。通過并網(wǎng)輸出電壓電流的控制方案的優(yōu)化，運(yùn)用電流預(yù)估計原理使輸出性能得到提高；獲得最大的效率；通過軟件鎖相使輸出電流同步跟蹤電網(wǎng)電壓相位；并具有保護(hù)和監(jiān)控等功能，保征了光伏并網(wǎng)發(fā)電的安全運(yùn)行。
3.2 分布式電源
圖6為由混合發(fā)電裝置構(gòu)成的分布式電力系統(tǒng)。這種分布式供電方式將是未來電力系統(tǒng)發(fā)展方向。這種分布式電源，可以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

4 結(jié)語
綜上所述，新能源電力系統(tǒng)雖然已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但是，要把美好的理想變?yōu)楝F(xiàn)實，真正實現(xiàn)其廣泛的商業(yè)應(yīng)用還有許多問題亟待解決。這既需要在物理、化學(xué)、材料等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的聯(lián)合攻關(guān)，以進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)換效率和降低成本；史為重要的是需要在電氣、電子、控制和信息等工程技術(shù)領(lǐng)域合作研究，以實現(xiàn)各種電能之間便捷有效的轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸、利用和管理。因此，打破學(xué)科界限，通過系統(tǒng)集成和技術(shù)融合，我們一定能夠電服各種閑難，迎來新能源造福人類的燦爛明天。