电力电子技术在新能源发电领域中的应用
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电力电子技术在新能源发电领域中的应用
摘要:市场经济的快速发展,加快了我国的工业化进程,生产生活中的电能需求逐年增加。如果单纯依赖传统的发电技术与方式,往往难以满足电能使用需求,还会造成更加大的能源与环境问题。当前,新能源发电技术在电力系统中逐步得到了普遍的应用,与传统的发电技术相比,新能源发电更为清洁,能够大大减少能源的消耗与环境的污染问题,促进电力行业的可持续发展。因此,新能源发电技术将逐步成为电力系统中的关键技术。
关键词:电力电子技术;新能源;发电领域
1 电力电子技术
电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整电子产品流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用,开启了电力电子技术的整流时代,使电解、牵引、传动等工业得到飞速发展。交流电机的变频调速技术的迅速发展和GTR和GTO的大规模使用将电力电子技术带入到了逆变时代,但当时的逆变还只停留在低频范围内。八十年代,大规模集成电路向着超大规模集成电路迅速迈进,IGBT和MOSFET应运而生,使传统电力电子技术向现代电力电子技术跨越。现代电力电子技术是一种节能、智能化、自动化、机电一体化的基础,并广泛应用于电机传动、电机工程、材料科学、微电子技术、航空航天等领域。
在电力系统中,现代电力电子技术的身影无处不在。随着传统化石燃料的不断消耗以及人们环境保护意识的不断增强,新能源发电备受关注。新能源发电的能量源头一半来自于风力、太阳能、潮汐能、地热能、生物质能等等。然而与燃烧传统化石燃料发电相比,这些新能源发电存在着规模小、不连续的劣势,但是电力电子技术却恰恰能改善这些劣势。 2 新能源发电形式
随着全球经济的快速发展,煤、石油、天然气等传统能源的储备日益减少,并且由于化石燃料燃烧产生的温室气体、酸性气体对于地球生态的破坏日益严重,新能源发电引起了电力人的关注。
2.1 新能源发电的优势
相比较于传统化石能源的集中发电模式,新能源发电电网形式适合于分布式发电。新能源发电的优势很多。
首先,采用新能源发电有助于缓解传统化石能源的大量消耗以及化石能源燃烧对于大气环境的污染,符合可持续发展的战略目标。其次,由于新能源发电量较少,适用于孤岛运行,解决孤岛的供电问题。并且,当孤岛电网发生故障时,对整个大电网的影响也小。从工程和运行维护角度讲,新能源发电厂址的选址较为容易,受地域限制小。风力发电可建设在海上或陆地上;太阳能发电只要是阳光充足之地均可建设光伏发电站;生物质电厂建设在农田附近,便于对秸秆的回收、加工和利用;北京新建的垃圾焚烧电站可选择在垃圾回收站点就近建设。由于新能源发电体量小,运行维护所需的人工成本和耗材都非常的小。
2.2 新能源发电的劣势
虽然新能源发电与传统化石能源发电相比具有很多优势,但其能源形势决定了新能源发电具备一些先天性的不足。
新能源发电的第一个缺点就是间歇性。新能源的间歇性并非是由于光伏发电器件或风力发电系统的不稳定,而是源于天气(如日照、风力)的不稳定。由于各种新能源最终都是被转换为电力的形式被人们利用,而电力供应最大的要求就是稳定及可靠性。目前,采取发电侧并网的地面电站,完全依赖主干电网进行调节,当光伏发电的容量逐步增大时,瞬间的大容量波动会给电网造成较大的冲击。
新能源的第二个缺点,是光伏和风力发电的能量密度较低。这是由于日照强度和风能密度本身就不高的缘故。通常,每平方米的光伏组件的峰值功率上限目前大约在150瓦以下,大部分时间在100瓦左右。这会导致光伏发电的占地面积较大。
3 电力电子技术在新能源发电中的应用
既然新能源发电具有间歇性、能量密度低等劣势,那么如何使得新能源发电能够稳定的输送至电网,就需要电力电子技术的应用了。
3.1 变速恒频控制
变速恒频控制主要应用在风力发电中。我们知道,风力是一种很不稳定的能源,时有时无,有风的时候时强时弱,因此风机扇叶每时每刻收到的风力不同,产生不同的力矩就导致风机转速不同。若不加以控制,无法产生稳定频率的电能。
变速恒频变桨距调节系统DFIG在内部配置双馈感应电机,加载多级同步电机,利用电力电子变换器调节频率,不在需要传统的变速箱。
3.2 SVC无功补偿
既然风力发电、光伏发电等发电形式受到天气变化的影响很大,而电能是实时平衡的,因此新能源发电会导致发出电能不稳定的特点。为了提高风力发电、光伏发电的效率,很多电站会将新能源输出功率模式设置为有功功率模式,即保证有功功率的稳定输出。但是这样做会带来一个问题,一旦系统中投入了对无功功率需求较大的负荷时,无功功率调节问题就显得尤为重要了。SVC的出现使得这一问题得到了很好的解决。传统的并联电容器无法自主调节无功功率的大小,且随着系统电压的降低,并联电容器发出的无功也会降低,从而导致系统电压进一步的降低,最终导致电压崩溃。而SVC通过控制晶闸管的导通与管断实现对电抗器和电容器的投切,可以灵活的调节无功功率。
3.3 APF谐波治理
我们都知道使用电力技术会产生不同频次的谐波。谐波含量过多会给用户造成不好的体验,使得工业制品出线残次品的概率增大。APF的出现解决了这一问题。如图1所示,在三相桥式电路中,APF通过外部电流互感器CT,实时检测负载电流,并通过内部DSP计算,提取出负载电流的谐波成分。然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流,实现滤波功能。
图1 三相桥式APF电路
4 结论
全球传统化石能源的紧缺使得新能源发电走上了时代的口风。然而新能源发电的间歇性、能量密度低等问题需要得到改善。电力电子技术在新能源发电技术中的应用,有效改善了这些问题,既能使得新能源发电持续稳定的输出,又可以调节系统无功、治理谐波改善电能质量,为新能源发电提供了良好的发展前景。
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