分布式發(fā)電中的電力電子技術(shù)

0??? 引言

??? 集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)存在的一些弊端，使得電力系統(tǒng)顯得既“笨拙”又“脆弱”。目前，大電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)的結(jié)合，被世界許多能源和電力專家公認(rèn)是節(jié)省投資，降低能耗、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性的主要方式，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。此外，現(xiàn)在世界各國都在提倡“綠色環(huán)?！?，而我國電力系統(tǒng)的發(fā)電對(duì)環(huán)境造成了很大的破壞，采用分布式發(fā)電，充分利用各地豐富的“清潔能源”，這對(duì)于我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略具有重大意義。

??? 近年來國外，特別是以美國和日本為代表，對(duì)新型分布式發(fā)電技術(shù)的研究已取得了突破性的進(jìn)展，而且有望在電能生產(chǎn)中占有越來越大的比重。我國對(duì)分布式發(fā)電的研究較晚，現(xiàn)在還沒有形成很成熟的技術(shù)，但是，分布式發(fā)電是未來電力市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，因此，要加緊開展對(duì)分布式發(fā)電的研究和探索，其中的一個(gè)重要方面就是要將電力電子技術(shù)應(yīng)用到分布式發(fā)電中。

1??? 電力電子技術(shù)在電能傳遞中的應(yīng)用

??? 分布式發(fā)電除了采用傳統(tǒng)能源，例如水力、煤炭、石油和原子能外，還廣泛采用了新型替代能源。目前公認(rèn)的幾種常用而且成本較低的系統(tǒng)是風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、光電池、微型氣輪機(jī)、燃料電池。在這些新型分布式發(fā)電系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備在能量的變換中起到了極其重要的作用。

1.1??? 微型汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

??? 由于汽輪機(jī)運(yùn)行的速度很高，可以達(dá)到80kr/min，而且交流發(fā)電機(jī)具有很高的頻率，不能直接連接到交流電網(wǎng)上，這中間需要一個(gè)直流環(huán)節(jié)。圖1簡明扼要地描述了電力電子設(shè)備在微型汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能量變換中的應(yīng)用。交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過整流后被送到直流電容上，然后經(jīng)過有源DC/AC逆變后將電能送入電網(wǎng)。

圖1??? 微型汽輪機(jī)系統(tǒng)

1.2??? 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

??? 風(fēng)輪機(jī)既可以恒定速度運(yùn)行也可以變速度運(yùn)行，所以，它既可以與同步電機(jī)相連也可以與異步電機(jī)相連。由于操作簡單和經(jīng)濟(jì)性，與異步機(jī)相連的方式被廣泛使用。圖2描繪的是一個(gè)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，首先經(jīng)過整流，然后經(jīng)過有源逆變與交流電網(wǎng)相連。

圖2??? 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

1.3??? 光電系統(tǒng)

??? 光電系統(tǒng)進(jìn)行能量變換的通用方法是，通過有源DC/AC逆變器，將存儲(chǔ)在光電池中的直流能量變換為與電網(wǎng)同步的交流電壓。圖3清楚簡要地描繪了這一流程。這里的三相逆變器采用IGBT類型的功率管。

圖3??? 光電系統(tǒng)

1.4??? 燃料電池系統(tǒng)

??? 燃料電池產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過有源DC/AC逆變器變?yōu)榻涣麟妷?，其變換過程和光電系統(tǒng)相似，圖4描繪了這一變換流程。

圖4??? 燃料電池系統(tǒng)

??? 直流輸電與交流輸電相比有許多優(yōu)勢(shì)，所以，在以上幾種發(fā)電類型中，電能的傳送都是采用直流輸電的形式，但是，大電網(wǎng)以及人們生活、生產(chǎn)需要的是穩(wěn)定頻率的交流電，而由電力電子設(shè)備組成的整流、逆變電路及其它電力電子接口設(shè)備在分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量變換和傳遞中起到了極其關(guān)鍵的作用。

2??? 電力電子在提高電能質(zhì)量中的應(yīng)用

??? 分布式發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)新型的發(fā)電模式，尚有不完善的地方，其中電能質(zhì)量問題越發(fā)顯得嚴(yán)重。任何由于諧波、瞬態(tài)、電壓凹陷和擾動(dòng)引起的偏離都會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量問題。盡管電能質(zhì)量對(duì)居民生活來說沒有太大的影響，但是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和公司工作卻有巨大的影響。片刻電能的丟失和陷落都會(huì)導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的下降，甚至出現(xiàn)廢品；導(dǎo)致信息產(chǎn)業(yè)的信息丟失，這樣就會(huì)造成難以估計(jì)的損失。未來是一個(gè)數(shù)字化的社會(huì)，對(duì)電能質(zhì)量的要求將會(huì)越來越高。

??? 美國電能研究協(xié)會(huì)（EPRI）為了尋找改善分布式系統(tǒng)性能的先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)已做了大量深入的研究。這種CUSTOM POWER的技術(shù)將現(xiàn)代電力電子控制器、分布自動(dòng)化以及完整的通信結(jié)合在一起，為用戶終端提供高質(zhì)量的電能。盡管非常有用，但是，CUSTOM POWER設(shè)備應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中的范圍很有限。近年來，一些用于快速控制的設(shè)備陸續(xù)被研制出來，固態(tài)斷路器（SSB）、靜態(tài)無功補(bǔ)償器（STATCOM）和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)（DVR）都屬于現(xiàn)代電力電子控制器。STATCOM、LTC（變壓器分接頭轉(zhuǎn)換器）與機(jī)械轉(zhuǎn)換電容三者相互協(xié)調(diào)可以減少系統(tǒng)電壓波動(dòng)。以STATCOM為代表的這些用于分布式系統(tǒng)控制的電力電子設(shè)備已經(jīng)得到充分的論證，這些設(shè)備不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制而且還可以對(duì)系統(tǒng)變化作出實(shí)時(shí)反應(yīng)。

??? 分布式系統(tǒng)中用電力電子設(shè)備來控制電能質(zhì)量現(xiàn)在應(yīng)用得很保守，主要是因?yàn)槌杀咎?，只有在非常重要的?fù)荷（如醫(yī)院）才采用這種方法。最為普遍的電力電子設(shè)備是UPS，它在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)將會(huì)更加深入到生活和生產(chǎn)中，所以，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的電力電子設(shè)備的需求將急劇增加，其中一些經(jīng)濟(jì)性電力電子設(shè)備將用于處理瞬時(shí)擾動(dòng)、電壓陷落或其它電能質(zhì)量問題。

3??? 其它方面的應(yīng)用

??? 電力電子技術(shù)在分布式電力系統(tǒng)中的應(yīng)用除了上面所介紹的兩個(gè)方面外，在能量的存儲(chǔ)、負(fù)荷平衡以及系統(tǒng)故障保護(hù)中也有較廣泛的應(yīng)用。

??? 基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，分布式系統(tǒng)要存儲(chǔ)一定數(shù)量的電能，用以應(yīng)付突發(fā)事件?，F(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)得到一定程度的發(fā)展，較有前途的儲(chǔ)能技術(shù)有蓄電池儲(chǔ)能（BESS）、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。

??? 蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能采取的方法是，先將交流電能變換為直流電能儲(chǔ)存在蓄電池或?容器中；當(dāng)需要儲(chǔ)備電能時(shí)，再將直流電能變換為與系統(tǒng)兼容的交流電能。在這個(gè)可逆變換中，電力電子設(shè)備起到了關(guān)鍵的作用。

??? 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括飛輪轉(zhuǎn)子、電力變換器等5個(gè)部分，正是由于高強(qiáng)度纖維，低損耗軸承、電力電子技術(shù)三方面的發(fā)展，使飛輪儲(chǔ)能的實(shí)際應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

??? 由于電力系統(tǒng)負(fù)荷變化具有極大的不確定性，需要控制系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)控，否則可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)使系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。電力電子設(shè)備具有反應(yīng)迅速，控制可靠的特點(diǎn)，應(yīng)用在功率平衡和故障保護(hù)中，將大大減少事故發(fā)生的概率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4??? 結(jié)語

??? 由于當(dāng)前發(fā)電模式的種種弊端、不可再生能源的枯竭、世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，分布式發(fā)電將成為未來世界最主要的發(fā)電模式。通過本文的分析，可以看出電力電子技術(shù)在分布式發(fā)電中有極其廣泛的應(yīng)用，而且現(xiàn)在許多科研組織都認(rèn)定電力電子技術(shù)為分布式發(fā)電中三大關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)分布式發(fā)電模式的迅速普及有極大的推動(dòng)作用。