分布式發電中的電力電子技術

0??? 引言

??? 集中發電、遠距離輸電和大電網互聯的電力系統存在的一些弊端，使得電力系統顯得既“笨拙”又“脆弱”。目前，大電網與分布式電網的結合，被世界許多能源和電力專家公認是節省投資，降低能耗、提高電力系統穩定性和靈活性的主要方式，是21世紀電力工業的發展方向。此外，現在世界各國都在提倡“綠色環保”，而我國電力系統的發電對環境造成了很大的破壞，采用分布式發電，充分利用各地豐富的“清潔能源”，這對于我國可持續發展的戰略具有重大意義。

??? 近年來國外，特別是以美國和日本為代表，對新型分布式發電技術的研究已取得了突破性的進展，而且有望在電能生產中占有越來越大的比重。我國對分布式發電的研究較晚，現在還沒有形成很成熟的技術，但是，分布式發電是未來電力市場的發展趨勢，因此，要加緊開展對分布式發電的研究和探索，其中的一個重要方面就是要將電力電子技術應用到分布式發電中。

1??? 電力電子技術在電能傳遞中的應用

??? 分布式發電除了采用傳統能源，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。目前公認的幾種常用而且成本較低的系統是風能發電系統、光電池、微型氣輪機、燃料電池。在這些新型分布式發電系統中，電力電子設備在能量的變換中起到了極其重要的作用。

1.1??? 微型汽輪機發電系統

??? 由于汽輪機運行的速度很高，可以達到80kr/min，而且交流發電機具有很高的頻率，不能直接連接到交流電網上，這中間需要一個直流環節。圖1簡明扼要地描述了電力電子設備在微型汽輪發電機系統能量變換中的應用。交流發電機發出的電能經過整流后被送到直流電容上，然后經過有源DC/AC逆變后將電能送入電網。

圖1??? 微型汽輪機系統

1.2??? 風能發電系統

??? 風輪機既可以恒定速度運行也可以變速度運行，所以，它既可以與同步電機相連也可以與異步電機相連。由于操作簡單和經濟性，與異步機相連的方式被廣泛使用。圖2描繪的是一個異步發電機系統，首先經過整流，然后經過有源逆變與交流電網相連。

圖2??? 風能發電系統

1.3??? 光電系統

??? 光電系統進行能量變換的通用方法是，通過有源DC/AC逆變器，將存儲在光電池中的直流能量變換為與電網同步的交流電壓。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

1.4??? 燃料電池系統

??? 燃料電池產生的直流電壓經過有源DC/AC逆變器變為交流電壓，其變換過程和光電系統相似，圖4描繪了這一變換流程。

圖4??? 燃料電池系統

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

2??? 電力電子在提高電能質量中的應用

??? 分布式發電系統是一個新型的發電模式，尚有不完善的地方，其中電能質量問題越發顯得嚴重。任何由于諧波、瞬態、電壓凹陷和擾動引起的偏離都會導致電能質量問題。盡管電能質量對居民生活來說沒有太大的影響，但是對工業生產和公司工作卻有巨大的影響。片刻電能的丟失和陷落都會導致工業生產質量的下降，甚至出現廢品；導致信息產業的信息丟失，這樣就會造成難以估計的損失。未來是一個數字化的社會，對電能質量的要求將會越來越高。

??? 美國電能研究協會（EPRI）為了尋找改善分布式系統性能的先進技術，現已做了大量深入的研究。這種CUSTOM POWER的技術將現代電力電子控制器、分布自動化以及完整的通信結合在一起，為用戶終端提供高質量的電能。盡管非常有用，但是，CUSTOM POWER設備應用在分布式系統中的范圍很有限。近年來，一些用于快速控制的設備陸續被研制出來，固態斷路器（SSB）、靜態無功補償器（STATCOM）和動態電壓恢復（DVR）都屬于現代電力電子控制器。STATCOM、LTC（變壓器分接頭轉換器）與機械轉換電容三者相互協調可以減少系統電壓波動。以STATCOM為代表的這些用于分布式系統控制的電力電子設備已經得到充分的論證，這些設備不僅可以實現連續控制而且還可以對系統變化作出實時反應。

??? 分布式系統中用電力電子設備來控制電能質量現在應用得很保守，主要是因為成本太高，只有在非常重要的負荷（如醫院）才采用這種方法。最為普遍的電力電子設備是UPS，它在計算機系統中得到非常廣泛的應用。由于計算機技術將會更加深入到生活和生產中，所以，對經濟性的電力電子設備的需求將急劇增加，其中一些經濟性電力電子設備將用于處理瞬時擾動、電壓陷落或其它電能質量問題。

3??? 其它方面的應用

??? 電力電子技術在分布式電力系統中的應用除了上面所介紹的兩個方面外，在能量的存儲、負荷平衡以及系統故障保護中也有較廣泛的應用。

??? 基于系統穩定性和經濟性的考慮，分布式系統要存儲一定數量的電能，用以應付突發事件。現代儲能技術已經得到一定程度的發展，較有前途的儲能技術有蓄電池儲能（BESS）、超級電容器儲能和飛輪儲能。

??? 蓄電池儲能和超級電容器儲能采取的方法是，先將交流電能變換為直流電能儲存在蓄電池或?容器中；當需要儲備電能時，再將直流電能變換為與系統兼容的交流電能。在這個可逆變換中，電力電子設備起到了關鍵的作用。

??? 飛輪儲能技術是將電能轉換為機械能存儲，飛輪儲能系統基本結構包括飛輪轉子、電力變換器等5個部分，正是由于高強度纖維，低損耗軸承、電力電子技術三方面的發展，使飛輪儲能的實際應用成為現實。

??? 由于電力系統負荷變化具有極大的不確定性，需要控制系統及時進行調控，否則可能產生連鎖反應使系統發生故障，嚴重時導致系統崩潰。電力電子設備具有反應迅速，控制可靠的特點，應用在功率平衡和故障保護中，將大大減少事故發生的概率，提高了系統的穩定性。

4??? 結語

??? 由于當前發電模式的種種弊端、不可再生能源的枯竭、世界各國對環境保護的重視，分布式發電將成為未來世界最主要的發電模式。通過本文的分析，可以看出電力電子技術在分布式發電中有極其廣泛的應用，而且現在許多科研組織都認定電力電子技術為分布式發電中三大關鍵技術之一，因此，電力電子技術的發展和應用將對分布式發電模式的迅速普及有極大的推動作用。