【文章內(nèi)容簡介】 otal power generation光伏電池和太陽能光伏發(fā)電也是可再生能源的一個重要組成部分，在2002年，大約有400MW的光伏電池模塊進(jìn)入了世界市場，其中90％以上是基于硅太陽能電池技術(shù)。如今生產(chǎn)的大部分硅太陽能電池使用薄片晶體或多晶體的硅晶片，其太陽能轉(zhuǎn)換效率僅為14％～20％。這種技術(shù)主要的缺點(diǎn)是太陽能電池成本太高。在新型光伏電池，如有機(jī)光伏電池等付諸實(shí)用、其成本指望下降一個數(shù)量級以前(價格低于1美分，峰瓦)，太陽能發(fā)電還很難成為可再生能源規(guī)模發(fā)電的主體。圖6是一個有儲能系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)【141，該系統(tǒng)對逆變器性能要求很高。逆變器給電池充電，在需要時自動從電網(wǎng)獲取能量儲存在電池中。由單個光伏模塊組成的光伏陣列是一個直流輸入源，其工作電壓范圍是200～500V。對逆變器的其他要求是要符合標(biāo)準(zhǔn)和安全法規(guī)，應(yīng)與電網(wǎng)同步，直流輸入和交流輸出還需要變壓器隔離。圖6中的直流和交流開關(guān)，起到了隔離光伏系統(tǒng)的直流和電網(wǎng)交流的作用，當(dāng)電網(wǎng)停電時，逆變器和電網(wǎng)以及負(fù)載隔離。圖6 一個有儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意副14】Fig．6 Typical structure sketch maps for a photovoltaicpower generation system with storage units【14】目前商業(yè)實(shí)用系統(tǒng)是靠工頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)逆變器和電網(wǎng)隔離的。PWM逆變器向電網(wǎng)注入低次諧波電流，或者對獨(dú)立系統(tǒng)向交流負(fù)載注入低次諧波。這種方法的缺點(diǎn)是使用了體積大而重的工頻變壓器，其效率不高(大約98％)，成本高。其他一些用于單相和三相光伏逆變器系統(tǒng)的拓?fù)湟脖惶岢?，其中有高頻(100～500kHz)的軟開關(guān)電路和應(yīng)用于低功率場合的隔離變壓器拓?fù)洌约案吖β蕡龊系娜喽嚯娖酵負(fù)?。在歐洲，很多逆變器采用非隔離方式，減少了重量和成本，提高了效率。最近，歐洲和日本還提出“級聯(lián)逆變器”(string inverters)概念。這種情況下，逆變器由單個模塊組成，也可由多個模塊相連接組成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，將光伏系統(tǒng)陣列直流電壓直接變?yōu)榻涣?，而不需要每個模塊的性能非常一致。主要的缺點(diǎn)是成本高，并且如果逆變器完全由模塊組合而成，將使系統(tǒng)可靠性降低。未來的功率變換系統(tǒng)將和家用電器、分布式系統(tǒng)集成在一起?？梢韵胂?，電力系統(tǒng)可能和家用通訊基礎(chǔ)設(shè)施集成在一起，同時提供一些附加功能，如電子電表等。目前的解決方案是用已有的元件組成復(fù)雜的系統(tǒng)，缺乏智能性，如將光伏系統(tǒng)集成在家用分布式發(fā)電系統(tǒng)中將極大的提高系統(tǒng)的可靠萬方數(shù)據(jù)第19卷第8期錢照明等我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇17性和功能，并降低成本。3．2分布式發(fā)電系統(tǒng)去年發(fā)生在美國東海岸的大面積停電為電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了又一個機(jī)遇。各國電網(wǎng)公司均在努力提高電網(wǎng)本身的可靠性。與此同時，分布式發(fā)電技術(shù)(Distributed Generation，簡稱DG)得到了人們普遍的關(guān)注。目前，國外已有多種分布式發(fā)電技術(shù)獲得了工業(yè)應(yīng)用，它使得發(fā)電設(shè)備更加靠近用戶，不但減小了人們對遠(yuǎn)距離輸電的依賴，而且提高了人們使用可再生能源發(fā)電的興趣，提高了用戶用電的獨(dú)立性和可靠性。風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電和小型高速渦輪發(fā)電機(jī)(MicroTurbine Generator)發(fā)電等所有這些分布式電能都有賴于電力電子技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行。燃料電池是很有前景的分布式發(fā)電的一個代表。燃料電池具有較高的發(fā)電效率，并且沒有污染，不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體。功率范圍在5～100MW的工業(yè)和公用事業(yè)部門，燃料電池的應(yīng)用目前還處于起步階段，這些系統(tǒng)比汽車和民用燃料電池系統(tǒng)要復(fù)雜得多，因為單個燃料電池的正常電壓僅為0．75V左右，電流密度約為0．2～1A／cm2，上述系統(tǒng)大約需要1～10萬只燃料電池，被裝在100～1000V／100～700kW的盒中。美國能源部等5個單位在1999年聯(lián)合投資1600萬美金進(jìn)行第～臺燃料電池一小型高速渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電混合分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究。圖7是一個由固體氧化物燃料電池和一個小型高速渦輪發(fā)電機(jī)組成的混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[141。圖7 固體氧化物燃料電池和小型高速渦輪發(fā)電機(jī)組成的混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Ⅲ1Fig．7 Configuration sketch map for a hybrid powergeneration system consisting of solid oxide fuel cells and amicro turbine generation【14】小型高速渦輪機(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)崃坑脕砭S持高溫下運(yùn)行的固體氧化物燃料電池，在現(xiàn)有技術(shù)得到極大提高的情況下，這個系統(tǒng)的效率預(yù)計將達(dá)到70％左右，超過當(dāng)今任何發(fā)電系統(tǒng)的效率。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)則由多個逆變器組成，這些逆變器可能是工作在六階梯模式下的三相晶閘管橋式電路，它通過移相變壓器和電網(wǎng)相連，當(dāng)然也可以使用PWM逆變器。功率變換和控制裝置必須考慮許多重要因素：和電網(wǎng)的連接、燃料電池的容量和諸多系統(tǒng)級控制功能：如系統(tǒng)效率、輸出波形質(zhì)量、隔離和保護(hù)、電網(wǎng)電壓跌落時逆變器的承受能力、無功控制、逆變器故障容量及返回到燃料電池盒的電流紋波等等。對于高功率燃料電池系統(tǒng)，將需要新的電路拓?fù)?、智能集成功率變流器和智能系統(tǒng)級控制方法。根據(jù)Darnell公司的研究，2003～2008年，全球用于分布式與混合式發(fā)電設(shè)備(DCG)中的電力電子產(chǎn)品(包括逆變器、頻率變流器、靜態(tài)傳輸開關(guān)，DC．DC變流器、AC—DC電源和集成HP電機(jī)驅(qū)動器)將以年均12．2％的速度增長，即將從18550MVA增加到32981MVA。未來的電力系統(tǒng)將是一個非常復(fù)雜的、混合的系統(tǒng)，它將用到不同的能量產(chǎn)生、能量儲存和能量傳輸方式，如圖8所示。因此，另一個對電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用有推動作用的是交互聯(lián)結(jié)的需求。電力電子是實(shí)現(xiàn)DCG系統(tǒng)與電網(wǎng)可靠聯(lián)結(jié)，從而避免影響電網(wǎng)質(zhì)量與穩(wěn)定性的必要手段。與傳統(tǒng)的電力一機(jī)械測量設(shè)備相比，電力電子測量設(shè)備也提供了很高的測量精度，良好的可操作性，并且有效地提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性。IEEE P1547和ULl741，這兩種關(guān)于聯(lián)結(jié)和電力電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，將會保證市場的進(jìn)一步擴(kuò)大。他們有效地消除了過去在不同場合的各種聯(lián)結(jié)要求所造成的負(fù)面影響。電力電子工業(yè)將會從RE和DG技術(shù)的使用中獲得大量機(jī)會。為了提高與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)的可靠性，后備電池、逆變器、DC—DC變換器、靜態(tài)傳輸開關(guān)和其他的電源設(shè)備的制造商都會從中獲利?；旌习l(fā)電技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)電力電子技術(shù)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、高可靠性和智能化的方向發(fā)展。3．3 電能質(zhì)量控制【1五161電力電子與電力傳動技術(shù)在輸、配電中的應(yīng)用是電力電子應(yīng)用技術(shù)具有潛在市場的又一大領(lǐng)域。眾所周知，從用電角度來說，利用電力電子與電力傳動技術(shù)可以進(jìn)行節(jié)能改造，提高用電效率；從輸、萬方數(shù)據(jù)18 電工技術(shù)學(xué)報2004年8月圖8 未來混合式發(fā)電系統(tǒng)示意圖‘14】Fig．8 A sketch map for the future hybrid power generation system【14】配電角度來說，必須利用電力電子技術(shù)提高輸配電質(zhì)量?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的控制必須包括下列兩個方面的要求：①維持電源電壓和頻率的穩(wěn)定，滿足負(fù)荷的要求。特別要求系統(tǒng)具有良好的高峰／低谷調(diào)節(jié)能力，并能滿足對電能質(zhì)量的要求，即：穩(wěn)定的電壓、頻率；三相對稱；低的諧波分量等。②在系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)具有自動防止故障擴(kuò)大和消除故障的能力，以保護(hù)系統(tǒng)免于崩潰。近十幾年來，隨著電力電子器件和變流技術(shù)的飛速發(fā)展，高壓大功率電力電子裝置的諸多優(yōu)良特性決定了它在輸、配電應(yīng)用中具有強(qiáng)大的生命力。目前，電力電子技術(shù)在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用的全過程都得到了廣泛而重要的應(yīng)用，如表3所示。表3 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用Tab．3 Applications of power electronicsin power systems應(yīng)用分類應(yīng)用裝置舉例發(fā)電機(jī)交、直流勵磁裝置，廠用電故障監(jiān)測及保發(fā)電護(hù)裝置高壓直流輸電系統(tǒng)、靈活交流輸電系統(tǒng)(包括靜輸電止無功補(bǔ)償器)直流供電系統(tǒng)、電能質(zhì)量保證設(shè)備、高壓電子開配電關(guān)、保護(hù)設(shè)備用電牽引、調(diào)速裝置、各種大功率電源以在配電中的應(yīng)用為例，近年來，因為對電力需求的增加和非線性電子設(shè)備和敏感負(fù)載對電力質(zhì)量的高要求，電力電子裝置在配電和電力質(zhì)量控制中的應(yīng)用已經(jīng)成為熱門課題，為了得到最高輸電量和保證在分布系統(tǒng)的公共點(diǎn)高的電力質(zhì)量，電壓調(diào)節(jié)、無功／諧波控制和補(bǔ)償以及電力潮流控制等已成為必不可少的技術(shù)，典型的設(shè)備有電力調(diào)節(jié)器、靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源濾波器、靜止調(diào)相機(jī)(STATCOM)和電力潮流控制器等【161。圖9是級聯(lián)型多電平逆變器用于電壓調(diào)節(jié)器和調(diào)相器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該逆變器串聯(lián)在電力系統(tǒng)中并且控制輸出電壓VC與線電流相移90。這樣，逆變器能對電壓跌落、擺動和諧波敏感的各種負(fù)載提供一∈≥無限母線、Q‘Q，非線性其他敏感負(fù)載負(fù)載負(fù)載圖9用于電壓調(diào)節(jié)、移相和諧波隔離的串補(bǔ)系統(tǒng)示意圖㈣Fig．9 A sketch map for a series pensation system forvoltage．phase shift regulations and harmonics isolation【16】萬方數(shù)據(jù)第19卷第8期錢照明等我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇19個穩(wěn)定的正弦電壓或者為功率流控制提供需要的相移。在上述三個應(yīng)用領(lǐng)域，大功率的逆變技術(shù)是這些應(yīng)用場合的關(guān)鍵技術(shù)之一。近幾年，多電平逆變技術(shù)以及多電平級聯(lián)技術(shù)由于其在輸出波形質(zhì)量、開關(guān)損耗、器件應(yīng)力等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，引起廣泛的關(guān)注和日益廣泛的應(yīng)用。隨著門極可關(guān)斷高壓半導(dǎo)體器件的發(fā)展和多電平逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，電壓型多電平逆變器將在這些領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。4 牽引和電機(jī)驅(qū)動在發(fā)達(dá)國家，能量約有40％是通過電能消耗的，而總電能的50％～60％用于電機(jī)驅(qū)動場合，其中的大部分是風(fēng)機(jī)和水泵，然而在這些應(yīng)用場合，使用逆變器驅(qū)動的比例則少于10％。如果采用變頻器調(diào)速的話，大概可以節(jié)約30％的能量。如在日本，70％的空調(diào)已經(jīng)采用變頻調(diào)速以節(jié)約能耗，而在美國幾乎沒有。Darnell公司認(rèn)為，從2003～2008年，北美市場的變頻調(diào)速器將會以每年11．5％的速度增長，從3．63億美元增加到6．28億美元。這一增長一方面來源于市場需要，另一方面則是政府節(jié)能法規(guī)的影響【111。在通用場合采用電力電子與電力傳動技術(shù)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速已經(jīng)比較成熟，但在一些高壓大功率應(yīng)用場合，如電力機(jī)車、高壓電機(jī)驅(qū)動等，目前依然是電力電子與電力傳動技術(shù)的一個研究熱點(diǎn)，這些研究主要包括：更好的調(diào)速性能、控制技術(shù)和降低成本等。如矩陣變換器技術(shù)，由于其轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)少、無需中間大電容儲能元件等優(yōu)點(diǎn)，被視為電機(jī)驅(qū)動的核心技術(shù)之一【l剮。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，更大容量的IGBT器件、高速DSP芯片和多電平變流技術(shù)的發(fā)展，電力電子與電力傳動技術(shù)在大功率牽引、調(diào)速上的應(yīng)用將日趨廣泛，并且具有廣闊的市場需求。另外，汽車工業(yè)發(fā)展所帶來的對石油資源需求的激增和對環(huán)保的負(fù)面影響也日益引起人們的注意，而電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HV)在節(jié)能和減少環(huán)境污染方面起到舉足輕重的作用。采用內(nèi)燃機(jī)的汽車總體效率十分低下，其消耗的石油能量大約只有10％被傳遞到輪子，而電動汽車的總體效率大概可以接近20％H4]。面臨能源和環(huán)境的壓力，國外著名汽車公司都十分重視研究開發(fā)電動汽車，世界發(fā)達(dá)國家不惜投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)，并制定了一些相關(guān)的政策、法規(guī)來推動電動汽車的發(fā)展。近10年來，美國、日本、歐洲的一些國家和跨國公司已投入超過100億美元的資金，并且以每年不少于10億美元的力度繼續(xù)開