電力電子技術在可再生能源發(fā)電中的應用

導讀: 作為可再生能源應用的重要組成部分的電力變換裝置的研究與開發(fā)成為一個重要的研究課題。可再生能源發(fā)電中應用到的電力電子技術主要包括逆變器、太陽能充電器、矩陣式頻率變換器、有源濾波器等。
關鍵字 可再生能源 風力發(fā)電 逆變器 　　可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展和規(guī)模的擴大，使其逐步從補充型能源向替代能源過渡。作為可再生能源應用的重要組成部分的電力變換裝置的研究與開發(fā)成為一個重要的研究課題?？稍偕茉窗l(fā)電中應用到的電力電子技術主要包括逆變器、太陽能充電器、矩陣式頻率變換器、有源濾波器等。

1.1 逆變器并網控制裝置

可再生能源發(fā)電輸出功率的并網主要采用針對雙饋風力發(fā)電機組的矩陣式變換器聯(lián)網和采用DC－AC變換單元的聯(lián)網方式。矩陣式變換器不需電容且有高的可靠性，但控制復雜。目前，可再生能源發(fā)電的并網多采用DC－AC變換單元與電網連接，DC－AC變換單元除了要保證并網所要求的電能品質和條件外，還要實現(xiàn)可再生能源發(fā)電技術的一些功能，如如風能最大捕獲控制和太陽能最大功率輸出跟蹤控制等，要求其主電路拓撲結構具有有功、無功功率解耦可調，且有高的變換效率。

目前這方面的研究多集中在電路拓撲方面，所采用的控制策略多為小偏差線性化下的PI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控制器性能已有一些成果，如采用非線性狀態(tài)反饋線性化方法實現(xiàn)了線電流中的有功和無功分量的解耦控制，達到了提高動態(tài)性能的目的；在PI控制基礎上，引入預測控制，也能改善控制器的動態(tài)性能，并可減小直流側緩沖電容的容量；將滑動?？刂茟糜陲L電機組的并網控制器中，可實現(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，要得出實用性的技術成果，應將功率跟蹤控制、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。

1.2太陽能充電控制器

為提高太陽能發(fā)電的穩(wěn)定可靠性，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，會嚴重影響壽命。蓄電池組的成本已成為影響太陽能光伏發(fā)電技術推廣應用的一個主要障礙。

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行的，但充電控制精度易受外界環(huán)境影響，采用自適應搜索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。

1.3矩陣變換器及控制

矩陣式變換器是實現(xiàn)變速恒頻控制的一個重要實現(xiàn)電力電子變流裝置，具備同步速上、下運行時控制繞組所需的功率雙向流動功能，其拓撲結構如圖：

圖 矩陣式變換器的拓撲結構

9個雙向開關排成3行3列矩陣，利用9個雙向開關周期內的占空比來組成3行3列的開關調制矩陣，以決定矩陣變換器的變換關系。應用于風力發(fā)電中的矩陣式變換器，通過調節(jié)其輸出頻率、電壓、電流和相位，以實現(xiàn)變速恒頻控制、最大風能捕獲控制、以及有功功率和無功功率的解耦控制等，目前矩陣式變換器的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，將矩陣式變換器傳遞函數(shù)等效為“虛擬整流”和“虛擬擬變”兩部分，由一個虛擬的直流環(huán)節(jié)將兩部分聯(lián)結，用空間矢量調制技術進行控制，在魯棒性和實現(xiàn)性方面還優(yōu)待提高。

目前國內外矩陣式變換器的研究工作尚未成熟，離實用化還有相當距離，關鍵原因是適用的雙向開關尚未成熟和商品化，控制技術也有待發(fā)展。

1.4可再生能源中的諧波抑制

可再生能源發(fā)電中多采用電力電子裝置來控制轉速，會給電網帶來電力諧波，使功率因數(shù)惡化、電壓波形畸變、增加線損合電磁干擾，隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的增大，其給電網帶來的電能質量問題越來越受到關注。

抑制諧波主要有兩種方法：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，限制了其應用場合。近年來，有源濾波以其可補償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補償無功等一機多能的特點，成為一個研究熱點，且在一些工業(yè)先進國家得到了大量應用。但在補償性能、可靠性以及降低成本和損耗方面還有待進一步完善。

針對有源濾波器的強非線性和高實時性要求，許多學者應用先進控制技術，如自適應辨識技術，以減少電流跟蹤誤差；基于有源濾波器中電力電子開關器件與滑動模切換變結構的本質互通性，將滑動模技術應用于有源濾波器控制，可使總諧波畸變率減少，且對參數(shù)攝動和外界干擾具有強魯棒性；有源濾波器的非線性特性，尤其是開關器件的存在，使其精確建模十分困難，人工智能方法可有效解決復雜性與精確控制間的矛盾，如將模糊控制應用于開關器件占空比的優(yōu)化和控制，能從開關本身特性出發(fā)，提高電流跟蹤控制的動態(tài)品質；將人工神經網絡技術應用于諧波電流和無功成分檢測及開關控制，提高了控制精度和可實現(xiàn)性；另外，將自抗擾控制、遺傳算法以及灰色預測理論等方法應用于有源濾波器的控制，也取得了有意義的結果。

以上研究成果雖然可實現(xiàn)對有源濾波器品質的改善，但遠未成熟。另外，電源品質的改善應是綜合性的多目標優(yōu)化問題，應加強對統(tǒng)一電源品質調節(jié)器的研究。

最后，應當指出，作為應用于電力系統(tǒng)包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子裝置，通常在整個系統(tǒng)中作為功率放大器或執(zhí)行機構，當對發(fā)電系統(tǒng)進行建模與控制時，慣用的方法是將它們的動態(tài)略去，而用一個等價增益來表示。但為了提高電力電子裝置本身的穩(wěn)定性、抗干擾性和參數(shù)攝動及響應品質，需對其進行建模與控制，通常在d－q軸上完成，于是現(xiàn)代控制技術中的各種控制算法都可以根據(jù)各種功率變換器建模特性和性能指標的要求而找到相應的應用場地。

結束語

我國嚴峻的能源形勢與蘊藏大量的可再生能源形成了巨大反差。進入二十一世紀以來，我國政策和產業(yè)部門對開發(fā)利用新能源予以極大的關注，可以預計，發(fā)展風電、光伏發(fā)電，中、小型風力－太陽能混合電站，各種大型風電場建設等，將很快形成國民經濟的一個新的增長點。而伴隨新能源產業(yè)化進程，以提高其運行品質和效率的控制與電力電子技術將會得到廣泛的應用。