分布式发电中的电力电子技术

0    引言

    集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统存在的一些弊端，使得电力系统显得既“笨拙”又“脆弱”。目前，大电网与分布式电网的结合，被世界许多能源和电力专家公认是节省投资，降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。此外，现在世界各国都在提倡“绿色环保”，而我国电力系统的发电对环境造成了很大的破坏，采用分布式发电，充分利用各地丰富的“清洁能源”，这对于我国可持续发展的战略具有重大意义。

    近年来国外，特别是以美国和日本为代表，对新型分布式发电技术的研究已取得了突破性的进展，而且有望在电能生产中占有越来越大的比重。我国对分布式发电的研究较晚，现在还没有形成很成熟的技术，但是，分布式发电是未来电力市场的发展趋势，因此，要加紧开展对分布式发电的研究和探索，其中的一个重要方面就是要将电力电子技术应用到分布式发电中。

1    电力电子技术在电能传递中的应用

    分布式发电除了采用传统能源，例如水力、煤炭、石油和原子能外，还广泛采用了新型替代能源。目前公认的几种常用而且成本较低的系统是风能发电系统、光电池、微型气轮机、燃料电池。在这些新型分布式发电系统中，电力电子设备在能量的变换中起到了极其重要的作用。

1.1    微型汽轮机发电系统

    由于汽轮机运行的速度很高，可以达到80kr/min，而且交流发电机具有很高的频率，不能直接连接到交流电网上，这中间需要一个直流环节。图1简明扼要地描述了电力电子设备在微型汽轮发电机系统能量变换中的应用。交流发电机发出的电能经过整流后被送到直流电容上，然后经过有源DC/AC逆变后将电能送入电网。

图1    微型汽轮机系统

1.2    风能发电系统

    风轮机既可以恒定速度运行也可以变速度运行，所以，它既可以与同步电机相连也可以与异步电机相连。由于操作简单和经济性，与异步机相连的方式被广泛使用。图2描绘的是一个异步发电机系统，首先经过整流，然后经过有源逆变与交流电网相连。

图2    风能发电系统

1.3    光电系统

    光电系统进行能量变换的通用方法是，通过有源DC/AC逆变器，将存储在光电池中的直流能量变换为与电网同步的交流电压。图3清楚简要地描绘了这一流程。这里的三相逆变器采用IGBT类型的功率管。

图3    光电系统

1.4    燃料电池系统

    燃料电池产生的直流电压经过有源DC/AC逆变器变为交流电压，其变换过程和光电系统相似，图4描绘了这一变换流程。

图4    燃料电池系统

    直流输电与交流输电相比有许多优势，所以，在以上几种发电类型中，电能的传送都是采用直流输电的形式，但是，大电网以及人们生活、生产需要的是稳定频率的交流电，而由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量变换和传递中起到了极其关键的作用。

2    电力电子在提高电能质量中的应用

    分布式发电系统是一个新型的发电模式，尚有不完善的地方，其中电能质量问题越发显得严重。任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量问题。尽管电能质量对居民生活来说没有太大的影响，但是对工业生产和公司工作却有巨大的影响。片刻电能的丢失和陷落都会导致工业生产质量的下降，甚至出现废品；导致信息产业的信息丢失，这样就会造成难以估计的损失。未来是一个数字化的社会，对电能质量的要求将会越来越高。

    美国电能研究协会（EPRI）为了寻找改善分布式系统性能的先进技术，现已做了大量深入的研究。这种CUSTOM POWER的技术将现代电力电子控制器、分布自动化以及完整的通信结合在一起，为用户终端提供高质量的电能。尽管非常有用，但是，CUSTOM POWER设备应用在分布式系统中的范围很有限。近年来，一些用于快速控制的设备陆续被研制出来，固态断路器（SSB）、静态无功补偿器（STATCOM）和动态电压恢复（DVR）都属于现代电力电子控制器。STATCOM、LTC（变压器分接头转换器）与机械转换电容三者相互协调可以减少系统电压波动。以STATCOM为代表的这些用于分布式系统控制的电力电子设备已经得到充分的论证，这些设备不仅可以实现连续控制而且还可以对系统变化作出实时反应。

    分布式系统中用电力电子设备来控制电能质量现在应用得很保守，主要是因为成本太高，只有在非常重要的负荷（如医院）才采用这种方法。最为普遍的电力电子设备是UPS，它在计算机系统中得到非常广泛的应用。由于计算机技术将会更加深入到生活和生产中，所以，对经济性的电力电子设备的需求将急剧增加，其中一些经济性电力电子设备将用于处理瞬时扰动、电压陷落或其它电能质量问题。

3    其它方面的应用

    电力电子技术在分布式电力系统中的应用除了上面所介绍的两个方面外，在能量的存储、负荷平衡以及系统故障保护中也有较广泛的应用。

    基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。现代储能技术已经得到一定程度的发展，较有前途的储能技术有蓄电池储能（BESS）、超级电容器储能和飞轮储能。

    蓄电池储能和超级电容器储能采取的方法是，先将交流电能变换为直流电能储存在蓄电池或?容器中；当需要储备电能时，再将直流电能变换为与系统兼容的交流电能。在这个可逆变换中，电力电子设备起到了关键的作用。

    飞轮储能技术是将电能转换为机械能存储，飞轮储能系统基本结构包括飞轮转子、电力变换器等5个部分，正是由于高强度纤维，低损耗轴承、电力电子技术三方面的发展，使飞轮储能的实际应用成为现实。

    由于电力系统负荷变化具有极大的不确定性，需要控制系统及时进行调控，否则可能产生连锁反应使系统发生故障，严重时导致系统崩溃。电力电子设备具有反应迅速，控制可靠的特点，应用在功率平衡和故障保护中，将大大减少事故发生的概率，提高了系统的稳定性。

4    结语

    由于当前发电模式的种种弊端、不可再生能源的枯竭、世界各国对环境保护的重视，分布式发电将成为未来世界最主要的发电模式。通过本文的分析，可以看出电力电子技术在分布式发电中有极其广泛的应用，而且现在许多科研组织都认定电力电子技术为分布式发电中三大关键技术之一，因此，电力电子技术的发展和应用将对分布式发电模式的迅速普及有极大的推动作用。