可再生能源系统中的电能变换与控制技术

可再生能源系统中的电能变换与控制技术能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的一次能源结构中，主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源己近枯竭。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，人类生活空间的四分之一将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发达与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展的能源结构是人类必须采取的措施，使以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。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型能源过渡。下面简介几种主要的可再生能源发电系统。光伏发电系统光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。图1-1是一个太阳能光伏并网发电系统示意图。该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。光伏阵列除保证负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中;当光伏阵列不足以提供负载所需的电能时，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。风力发电系统风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式。按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。风力发电运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。燃料电池发电系统燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学2装置。燃料电池发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，其效率可达40%-65%。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。混合能源发电系统利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力/太阳能混合发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间歇性不稳定所带来的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供稳定可靠电能。太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构如图1-4所示。在电气工程领域，作为可再生能源应用的重要组成部分的电力电子变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题，与之对应的技术就是可再生能源发电中的电力电子（电能变换）技术。电力电子技术作为可再生能源发电技术的关键，直接关系到可再生能源发电技术的发展。可再生能源经光伏电池、风力发电机、燃料电池等发电元件的能量转换而产生大小变化的直流电或频率变化的交流电，需要电力电子变换器将电能进行变换。在电能变换及并网（或独立供电）的系统控制过程中，涉及到诸多技术。典型的电能变换技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术；典型的控制技术主要是逆变器的并网控制技术。上述技术中，电能形式的转换及控制是核心技术，而光伏发电和风力发电又是相对普遍和成熟的可再生能源发电系统。光伏发电系统的部分相应问题已在此前做过介绍，本专题重点讨论风力发电系统中的电力电子变换技术，主要内容包括：电能变换器的功能作用、电路结构和电气原理分析。3风力发电系统中的整流技术风力发电系统中，风能转换为电能馈送到电网上或者单独向负载供电，期间能流转换的本质是机械能到电能的转换，所涉及的变流（电能变换）技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术。在多数场合中，整个风力发电系统中包含上述三种技术中的一种或几种。本章将重点放在整流技术的原理上。本章所针对的风力发电系统拓扑主要针对直驱型风力发电系统和双馈型风力发电系统，这是因为上述两种结构代表了风力发电系统的发展方向，且其中涉及的变流技术基本上已经涵盖了风力发电系统中已经或者有可能用到的变流技术。下文中将不再对各种风力发电系统做形式上的划分，而会从变流技术的角度进行讨论。不可控整流方案在直接驱动型风力发电系统中，由于发电机出口电压的幅值和频率总在变化，需要先通过整流电路将该交流信号变换成直流电，然后再经过逆变器变换为恒频恒压的交流电连接到电网。但是在整流过程中，由于电力电子器件的作用使得发电机侧功率因数变低并且电流谐波增大，给发电机正常运行带来了不利影响。然而，由于该种方案结构简单，可靠性高，成本低廉；同时，不可控整流模块的功率等级可以做到很大，技术瓶颈较小，因此在实际中仍得到了较为广泛的应用。该系统前端采用不可控整流桥整流为直流，将风力发电机发出的变压变频的交流电转化为直流电，最后经过变流器环节将电流送人电网。该系统具有工作稳定，控制简单，成本低廉等优点，适合于中小功率场合。多脉波不可控整流方案不可控整流方案的缺点在于交流側谐波含量大，降低了系统的效率，给系统带来了不良影响。多脉波不可控整流技术可以显著降低交流侧的电流谐波，降低直流側的电压脉动，已经在电源、变频器等多种场合得到了广泛应用。多脉波整流的输人为多组三相电，以12脉波整流器为例，需要两组三相电，两组三相电的相位之间错开30。实际应用中，风力发电机常采用多相发电机。采用Matlab搭建如图2-2所示的仿真模型中，6相发电机采用两组三相电压源串联阻感支路来模拟，且两组电压源的同相之间相差30；12脉波整流中，两组三相不可控整流桥的输入分别为6相发电机的两组三相电压，最终的整流输出再由两组三相不可控整流桥的输出叠加而成，如图2-3所示。4三相单管整流方案不可控整流桥会向发电机注人大量的5次、7次、11次低频谐波，电流的畸变率很大，约为10.68%。大量的谐波电流会在发电机内部产生大量损耗，使发电机温度上升，缩短发电机寿命，系统效率降低^因此，如果能使发电机输出电流正弦化，减少电流谐波，就能减少发电机损耗，增加系统效率。三相单管整流方案具有结构简单、控制容易、并联无需均流等特点，同时可以实现功率因数校正（PowerFactorCoireclion，PFC)，因而受到广泛关注。该电路可以调节整流器输人端（即发电机输出端）的电流波形，减少谐波失真，提髙功率因数，进而减少发电机损耗，提高永磁发电机的有功功率输出能力。直驱系统为全功率变换系统，随着功率的逐步上升，就需要多个整流以及逆变环节并联运行。三相单管整流电路对直驱系统中的永磁同步发电机进行升压稳压以及功率因数校正，由于其电流源特性，并联时无需均流措施，应用前景看好。（1）三相单管整流电路拓扑图采用三相单管整流技术的直驱系统结构如图2-6所示，风力机与低速永磁同步发电机直接连接，在发电机的输出端采用三相单管整流电路进行升压、稳压后逆变并网。与传统的直驱系统相比，三相单管整流电路将升压电感放在了整流桥前端，在实现整流的同时，还具有升压、稳压功能，同时还能对发电机输出电压电流进行功率因数校正。这种结构增加了两个电感以及一个输人低通滤波器，但是减少了一个电容器，在系统成本没有增加太多的情况下实现了对发电机输出电压电流的功率因数校正，提髙了发电机有功功率输出能力，减小了电流谐波含量，进而降低了发电机损耗，提髙了系统效率。（2）三相单管整流电路工况分析三相单管整流电路的主电路如图2-7所示，为实现自动功率因数校正，电路工作在断续电流模式（DMC）。工作模式一：功率开关管导通，三相电感中电流线性增加，与每相相电压成正比。工作模式二：功率开关管关断，电感电流通过二极管给电容充电，三相电感中电流减小，幅值最小的那一相电流先降为零。工作模式三：电感电流通过二极管继续给电容充电，电流还未降为零的两相此时电流以相同速率减小，同时到达到零。工作模式四：三相电感中电流均为零，电容对负载放电，直到下个周期开始。每个开关周5期内，可以认为输入电压不变，电流平均值与输入电压近似成正比关系，自动跟踪输人电压的大小，进而实现了自动功率因数校正。为使系统在任何状态下都工作于DCM下，必须满足以下条件：其中31MD，其中D为开关占空比，M升压倍数。（3）三相单管整流电路控制策略三相单管整流电路控制简单，可靠性高，其控制方法如图2-9所示。控制系统只采用一个电压外环，实现功率因数校正及稳定输出电压的目的。输出电压与参考电压的差值经过PI调节后，通过限幅环节保证系统工作在DCM，再通过PWM给定功率管开关信号，系统控制简单，可靠性高。三相单管整流器的开关频率固定、元件数量少、成本低、控制简单、可靠性高，应用于直驱型风力发电系统中，可以对发电机输出进行功率因数校正，提高发电机有功功率输出能力，减小电流谐波含量，降低发电机损耗，提髙了系统效率，具有一定的应用前景。PWM整流方案采用PWM整流方案可以实现稳定的直流电压输出，且输人側的电流波形良好，功率因数可调，具备宝贵的四象限运行能力。然而其结构和控制方法较为复杂，成本较髙。但是随着电力电子技术特别是开关器件制造技术的发展，PWM整流器的成本问题已经有所缓和，应用场合越来越广泛，已经成为了未来变流技术的一种趋势。PWM整流器的基本拓扑如图2-13所示，对于三相整流场合来说，主拓扑部分即为三相全桥电路，开关管采用IGBT、MOSFET等全控型器件。三相输人侧串联三组输入端电感，直流输出侧并联电容。在两相同步旋转的扣坐标系中，使d轴定向于电网电压矢量，控制三相电流此时的d轴和q轴电流dI和qI便可以达到控制输出电流功率因数的目的。图2-14为PWM整流器的双闭环控制系统原理图。采用图2-14中PWM整流器双闭环控制框图进行实验验证，直流侧负载选择20的阻性负载，三相输入端电感L为1.2mH，开关频率选择5kHz。实验结果如图2-15和图2-16所示。风力发电系统中的斩波技术斩波技术实现的是直流到直流的变换，直接驱动型风力发电系统中，采用不可控整流方案的场合很多，此时发电机（通常采用永磁发电机）发出的三相电通过三相不可控整流桥整流后，再进行逆变然后并网发电。但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量回馈至电网，因此实用的电路往往在直流侧加人一个Boost升压电路，在低速时，由升压电路先将整流器输出的直流电压提升。采用此电路可使风力发电机组运行在非常宽的调速范围。Boost电路是风力发电系统中主要用到的斩波技术，其具有输人电流连续、拓扑结构简单、效率高等特点。Boost斩波器Boost斩波器是常用的DC/DC升压斩波器，其拓扑如图3-1所示。Boost斩波器PFC控制结合风力发电场合，鉴于功率因数校正目的，有必要利用Boost电路完成PFC的功能。目前在Boost技术中常用的两种PFC预调整器控制方法是固定频率（FF）PWM和过渡模式（TM）PWM（固定开通时间，变频）技术。前者利用平均电流模式控制，控制技术及控制芯片较为复杂，需要较多的外围元件，Boost电感工作在连续导通模式（CCM)下。后者利用简单的峰值电流控制，只需要很少的外围原件，Boosl电感工作在介于连续和断续模式的临界情况下。对于给定的功率输出，TM方式比FF-CCM方式的峰值电流更大，因此TM方式多用于小功率场合，而FF-CCM方式用于大功率场合。固定关断时间集合了FF和TM两者的优点。控制方法和TMPFC一样简单，也是利用峰值电流控制，只箝在一个标准的TM控制器核心周围增加几个无源组件，易于实现。不需要斜率补偿，电流回路无条件稳定。升压电感器无需辅助绕组。EMI(电磁干扰）滤波器滤波简易，髙频电流纹波与FfCCMPFC的相同。效率高，传导功耗与FF-CCMPFC的相同；与电容和二极管反向恢复相关的功耗低于FF-CCM反向恢复不像在FF-CCM中那样关键。