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電力電子技術在新能源中的應用

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同，電力電子技術主要用于電力變換。目錄CONTENTS010203緒論電力電子技術在太陽能中的應用電力電子技術在風能中的應用總結04：緒論

電力電子技術應用具有良好的產業(yè)和節(jié)能效益：第一，優(yōu)化電能質量，降低電能生成和傳輸過程中的諧波及畸變；第二，實時精準的工業(yè)伺服控制，提高電力使用效能；第三，為工業(yè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠、潔凈和滿足具體要求的電能供給。第四，完成電力形式轉換，以便電能生成和并網傳輸。

01新能源(NE）：又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。1太陽能（solarenergy），是指太陽的熱輻射能（參見熱能傳播的三種方式:輻射），主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。2地熱能〔GeothermalEnergy〕是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發(fā)及地震的能量。3風能(windenergy)空氣流動所產生的動能。太陽能的一種轉化形式。由于太陽輻射造成地球表面各部分受熱不均勻，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平氣壓梯度的作用下，空氣沿水平方向運動形成風。風能資源的總儲量非常巨大，一年中技術可開發(fā)的能量約5.3X10^13千瓦時。風能是可再生的清潔能源，儲量大、分布廣，但它的能量密度低（只有水能的1/800），并且不穩(wěn)定。在一定的技術條件下，風能可作為一種重要的能源得到開發(fā)利用。風能利用是綜合性的工程技術，通過風力機將風的動能轉化成機械能、電能和熱能等。新能源的分類4

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、海流能等形式存在于海洋之中。海洋能的利用是指利用一定的方法、設備把各種海洋能轉換成電能或其他可利用形式的能。由于海洋能具有可再生性和不污染環(huán)境等優(yōu)點，因此是一種亟待開發(fā)的具有戰(zhàn)略意義的新能源。5

生物質能是自然界中有生命的植物提供的能量。這些植物以生物質作為媒介儲存太陽能。屬再生能源。據計算，生物質儲存的能量為270億千瓦，比目前世界能源消費總量大2倍。人類歷史上最早使用的能源是生物質能。19世紀后半期以前，人類利用的能源以薪柴為主。當前較為有效地利用生物質能的方式有：(1)制取沼氣。主要是利用城鄉(xiāng)有機垃圾、秸桿、水、人畜糞便，通過厭氧消化產生可燃氣體甲烷，供生活、生產之用。(2)利用生物質制取酒精。當前的世界能源結構中，生物質能所占比重微乎其微。6核聚變是指由質量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下（如超高溫和高壓）,發(fā)生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量,原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經被人類加以利用用來發(fā)電，而裂變堆的核燃料蘊藏極為有限，不僅產生強大的輻射，傷害人體，放射性核廢料的處理也一直是讓人頭疼的難題。與之相比，核聚變輻射極少，且核聚變燃料可以說是取之不盡，用之不竭。

核聚變是新能源，但核裂變不是新能源。：電力電子技術在太陽能中的應用照射在地球上的太陽能非常巨大，大約

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分鐘照射在地球上的太陽能，便足以

供全球人類一年能量的消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而

且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。

從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進行光電變換來實現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)

電原理完全不同，具有以下特點：①無枯竭危險；②絕對干凈（無公害）；③不受資

源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質量高；⑥使用者從感情上容易

接受；⑦獲取能源花費的時間短。不足之處是：①照射的能量分布密度小，即要占用

巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關。但總的說來，瑕不掩

瑜，作為新能源，太陽能具有極大優(yōu)點，因此受到世界各國的重視。

目前國外并網逆變器技術發(fā)展十分迅速。目前的研究主要集中在空間矢量

PWM

技術、數字鎖相控制技術、數字DSP控制技術、最大功率點跟蹤和孤島檢出技術，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設計等。國外的有些并網逆變器還設計同

時具有獨立運行和并網運行功能。

國內太陽能光伏應用仍以獨立供電系統(tǒng)為主，并網系統(tǒng)則剛剛起步。目前國內自

主研制的并網逆變器存在有系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，可靠性低的弱點；且保護措施不全，容

易引起事故，與建筑一體化等問題也沒有得到很好考慮。

本文主要討論太陽能光伏發(fā)電中電力電子技術的發(fā)展應用；介紹獨立供電光伏系統(tǒng)和

并網系統(tǒng)的組成特點；根據逆變電路不同的電路拓撲，討論了太陽能最大功率點跟蹤

技術的實現(xiàn)方法；最后給出了一套獨立供電的太陽能光伏試驗系統(tǒng)的設計，最大功率

點跟蹤技術和高效的逆變電路設計得到實現(xiàn)。022

太陽能光伏系統(tǒng)的組成

2.1

獨立供電的光伏系統(tǒng)組成

獨立供電的太陽能光伏系統(tǒng)的結構示意圖如圖

1

所示。由于太陽能電池只能在白

天光照條件下輸出能量，根據負載需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)來提

供夜間所需電力。整個光伏系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、負載和控制器組成。

系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。隨著光伏產業(yè)

的迅速發(fā)展，

太陽能電池的價格正在逐步下降，

然而它仍是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分。

它的容量選取影響著整個系統(tǒng)的成本。相比較而言，蓄電池價格較為低廉，因此可以

選取相對較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽能電池所發(fā)出的功率。另外，在與

負載容量配合時，應該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。隨著光伏產業(yè)

的迅速發(fā)展，

太陽能電池的價格正在逐步下降，

然而它仍是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分。

它的容量選取影響著整個系統(tǒng)的成本。相比較而言，蓄電池價格較為低廉，因此可以

選取相對較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽能電池所發(fā)出的功率。另外，在與

負載容量配合時，應該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。獨立供電的太陽能光伏系統(tǒng)結構示意圖太陽能并網系統(tǒng)結構框圖2.2

并網光伏系統(tǒng)組成

與獨立供電的光伏系統(tǒng)相比，并網系統(tǒng)一般都沒有儲能環(huán)節(jié)，直接由并網逆變器

接太陽能電池和電網，如圖

2

所示。并網逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太

陽能電池輸出較大范圍內變化時，能始終以盡可能高的效率將太陽能電池輸出的低壓

直流電轉化成與電網匹配的交流電流送入電網。太陽能電池輸出的大范圍變動，主要

原因是白天日照強度的變化。從上述分析可以看到:太陽能光伏發(fā)電作為新能源的應用技術正在得到迅速發(fā)展，而電力電子技術作為其中的關鍵技術，對太陽能光伏發(fā)電應用的發(fā)展起著決定性作用。

：電力電子技術在太陽風能中的應用

風力發(fā)電是低碳新能源中最具開發(fā)條件，商業(yè)化發(fā)展前景和潛力最大的的發(fā)電方式之一。隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展和應用推廣，對風力發(fā)電的效率和電能質量的要求越來越高，而應用電力電子技術和控制技術是有效的實現(xiàn)手段，本文總結了在風力發(fā)電中應用較多的幾種電力電子器件及控制技術，分析了各種方法的特點、功用和發(fā)展。

風能是潔凈的，可再生的，儲量很大的低碳能源，為了緩解能源危機和供電壓力，改善生存環(huán)境，在20世紀70年代中葉以后受到重視和開發(fā)利用。風力發(fā)電有很多獨特的優(yōu)點：施工周期短，投資靈活，實際占地少，對土地要求低等，但仍在并網、輸電、風機控制等方面存在問題，阻礙了風力發(fā)電的廣泛應用。因此，要大規(guī)模的應用先進的電力電子技術到風力發(fā)電當中，有效的解決現(xiàn)有問題，使得風力發(fā)電成為電力行業(yè)的生力軍。本文將從不同角度展現(xiàn)電力電子技術在風力發(fā)電中的應用。031.蓄電池

風力發(fā)電機在與其它發(fā)電裝置互補運行或獨立運行時通常使用蓄電池進行儲能。在風力-柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行中，采用配備蓄電池短時儲能的措施，可避免由于風力及負荷的變化而造成的柴油機的頻繁起動與停機。此外，蓄電池還可以減少柴油機的輕載運行，使其絕大部分時間運行在比較合適的功率范圍內。同樣的，在風光互補發(fā)電中，也使用蓄電池作為主要的儲能方式。鑒于蓄電池成本考慮，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池作為儲存電能的裝置。

2.超導儲能器(SMES)

開發(fā)超導線圈儲能的可行性，美國在20世紀90年代就開始研究了。超導線圈可在超導溫度下流過極高電流密度的大電流而不消耗電能，是儲存電能的最佳選擇之一。利用超導儲能可以吸收或發(fā)出有功和無功功率，響應快，容量大，大大減少了電路的損耗。

使用超導儲能技術使風力發(fā)電機組輸出電壓和頻率穩(wěn)定，從而使電網穩(wěn)定。文獻在詳細介紹了超導儲能SMES的調節(jié)原理及其最優(yōu)控制方法的基礎上，提出在并網型風力發(fā)電系統(tǒng)中，建立了SMES模型，同時用基因算法對SMES的控制參數進行尋優(yōu)，仿真結果表明，SMES單元用于并網形風力發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)對電壓和頻率的同時控制，提高了輸出穩(wěn)定性。結論：

開發(fā)風力，光等資源，電力電子器件的應用和先進的控制技術是關鍵。將最新的電力電子技術、控制技術應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中，提高風力發(fā)電的效率和電力變換質量、降低風電的成本，使得清潔可再生能源逐步替代傳統(tǒng)的化石燃料，以改善人類生存的環(huán)境，提高人們的生活水平，具有重大的經濟效益和社會價值?？偨Y04

能源是人類生存和社會發(fā)展不可或缺的物質基礎，電力的應用，使人類從原始走向文明。總之，電力電子技術在全球能源危機以及環(huán)境問題上具有獨特的特點，發(fā)揮著其重要的作用，并且其潛力是非常大的。