电力电子技术在可再生能源发电中的应用

导读: 作为可再生能源应用的重要组成部分的电力变换装置的研究与开发成为一个重要的研究课题。可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。
关键字 可再生能源 风力发电 逆变器 　　可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代能源过渡。作为可再生能源应用的重要组成部分的电力变换装置的研究与开发成为一个重要的研究课题。可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。

1.1 逆变器并网控制装置

可再生能源发电输出功率的并网主要采用针对双馈风力发电机组的矩阵式变换器联网和采用DC－AC变换单元的联网方式。矩阵式变换器不需电容且有高的可靠性，但控制复杂。目前，可再生能源发电的并网多采用DC－AC变换单元与电网连接，DC－AC变换单元除了要保证并网所要求的电能品质和条件外，还要实现可再生能源发电技术的一些功能，如如风能最大捕获控制和太阳能最大功率输出跟踪控制等，要求其主电路拓扑结构具有有功、无功功率解耦可调，且有高的变换效率。

目前这方面的研究多集中在电路拓扑方面，所采用的控制策略多为小偏差线性化下的PI控制，对外界环境不具备鲁棒性。利用现代控制理论提高并网控制器性能已有一些成果，如采用非线性状态反馈线性化方法实现了线电流中的有功和无功分量的解耦控制，达到了提高动态性能的目的；在PI控制基础上，引入预测控制，也能改善控制器的动态性能，并可减小直流侧缓冲电容的容量；将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中，可实现低速下的可靠发电控制；基于自抗扰控制器原理的并网控制器，在动态性能和鲁棒性方面具有明显提高，且容易实现。

以上研究虽然得出了一些研究成果，但都是针对各个问题分别解决，要得出实用性的技术成果，应将功率跟踪控制、功率因数控制和输出电流波形控制等问题综合考虑，研究出统一控制算法。

1.2太阳能充电控制器

为提高太阳能发电的稳定可靠性，需配备一定容量的蓄电池组。铅酸蓄电池组成本较高，且使用寿命有限，若使用不当，会严重影响寿命。蓄电池组的成本已成为影响太阳能光伏发电技术推广应用的一个主要障碍。

常规的充电方法，如恒流充电法、阶段充电法、恒压充电法、脉冲充电法等，都是基于蓄电池的充电特性曲线进行的，但充电控制精度易受外界环境影响，采用自适应搜索算法则能很好地兼顾蓄电池充电控制和太阳能电池最大功率跟踪控制。

1.3矩阵变换器及控制

矩阵式变换器是实现变速恒频控制的一个重要实现电力电子变流装置，具备同步速上、下运行时控制绕组所需的功率双向流动功能，其拓扑结构如图：

图 矩阵式变换器的拓扑结构

9个双向开关排成3行3列矩阵，利用9个双向开关周期内的占空比来组成3行3列的开关调制矩阵，以决定矩阵变换器的变换关系。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法，借用传统交－直－交控制策略，将矩阵式变换器传递函数等效为“虚拟整流”和“虚拟拟变”两部分，由一个虚拟的直流环节将两部分联结，用空间矢量调制技术进行控制，在鲁棒性和实现性方面还优待提高。

目前国内外矩阵式变换器的研究工作尚未成熟，离实用化还有相当距离，关键原因是适用的双向开关尚未成熟和商品化，控制技术也有待发展。

1.4可再生能源中的谐波抑制

可再生能源发电中多采用电力电子装置来控制转速，会给电网带来电力谐波，使功率因数恶化、电压波形畸变、增加线损合电磁干扰，随着可再生能源发电规模的增大，其给电网带来的电能质量问题越来越受到关注。

抑制谐波主要有两种方法：无源滤波和有源滤波。无源滤波利用电容和电感谐振的特点来抑制特定频率的高次谐波分量和提高功率因数，但存在体积大、滤波频率固定和会出现串/并谐振等缺陷，限制了其应用场合。近年来，有源滤波以其可补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功等一机多能的特点，成为一个研究热点，且在一些工业先进国家得到了大量应用。但在补偿性能、可靠性以及降低成本和损耗方面还有待进一步完善。

针对有源滤波器的强非线性和高实时性要求，许多学者应用先进控制技术，如自适应辨识技术，以减少电流跟踪误差；基于有源滤波器中电力电子开关器件与滑动模切换变结构的本质互通性，将滑动模技术应用于有源滤波器控制，可使总谐波畸变率减少，且对参数摄动和外界干扰具有强鲁棒性；有源滤波器的非线性特性，尤其是开关器件的存在，使其精确建模十分困难，人工智能方法可有效解决复杂性与精确控制间的矛盾，如将模糊控制应用于开关器件占空比的优化和控制，能从开关本身特性出发，提高电流跟踪控制的动态品质；将人工神经网络技术应用于谐波电流和无功成分检测及开关控制，提高了控制精度和可实现性；另外，将自抗扰控制、遗传算法以及灰色预测理论等方法应用于有源滤波器的控制，也取得了有意义的结果。

以上研究成果虽然可实现对有源滤波器品质的改善，但远未成熟。另外，电源品质的改善应是综合性的多目标优化问题，应加强对统一电源品质调节器的研究。

最后，应当指出，作为应用于电力系统包括可再生能源发电系统中的电力电子装置，通常在整个系统中作为功率放大器或执行机构，当对发电系统进行建模与控制时，惯用的方法是将它们的动态略去，而用一个等价增益来表示。但为了提高电力电子装置本身的稳定性、抗干扰性和参数摄动及响应品质，需对其进行建模与控制，通常在d－q轴上完成，于是现代控制技术中的各种控制算法都可以根据各种功率变换器建模特性和性能指标的要求而找到相应的应用场地。

结束语

我国严峻的能源形势与蕴藏大量的可再生能源形成了巨大反差。进入二十一世纪以来，我国政策和产业部门对开发利用新能源予以极大的关注，可以预计，发展风电、光伏发电，中、小型风力－太阳能混合电站，各种大型风电场建设等，将很快形成国民经济的一个新的增长点。而伴随新能源产业化进程，以提高其运行品质和效率的控制与电力电子技术将会得到广泛的应用。