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2023年继续教育电气工程专业可再生能源系统中的电能变换与控制技术学习心得。
一．引言。能源是人类经济及文化活动的动力**。在20世纪的一次能源结构中， 主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。
经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源己近枯竭。 开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展的能源结构是人类必须采取的措施，使以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。
太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代型能源过渡。
1.1光伏发电系统。
光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。图1-1是一个太阳能光伏并网发电系统示意图。该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。
光伏阵列除保证负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中；当光伏阵列不足以提供负载所需的电能时，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。
图1-1 太阳能光伏并网发电系统示意图。
1.2风力发电系统。
风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式。按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。风力发电运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。
图1-2 一种风力发电系统的结构示意图。
1.3 燃料电池发电系统。
燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置。燃料电池发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，其效率可达40%-65%。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后***发电装置和替代内燃机的动力装置。
图1-3燃料电池发电系统结构示意图。
1.4 混合能源发电系统。
利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力/太阳能混合发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间歇性不稳定所带来的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供稳定可靠电能。太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构如图1-4所示。
图1-4太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构示意图。
二．风力发电系统中的整流技术。
风力发电系统中，风能转换为电能馈送到电网上或者单独向负载供电，期间能流转换的本质是机械能到电能的转换，所涉及的变流（电能变换）技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术。
2.1 不可控整流方案。
在直接驱动型风力发电系统中，由于发电机出口电压的幅值和频率总在变化， 需要先通过整流电路将该交流信号变换成直流电，然后再经过逆变器变换为恒频恒压的交流电连接到电网。但是在整流过程中，由于电力电子器件的作用使得发电机侧功率因数变低并且电流谐波增大，给发电机正常运行带来了不利影响。然而，由于该种方案结构简单，可靠性高，成本低廉。
该系统前端采用不可控整流桥整流为直流，将风力发电机发出的变压变频的交流电转化为直流电，最后经过变流器环节将电流送人电网。该系统具有工作稳定，控制简单，成本低廉等优点，适合于中小功率场合。
2.1.1 多脉波不可控整流方案。
图2-1不可控整流器与逆变器的直驱型系统结构。
不可控整流方案的缺点在于交流側谐波含量大，降低了系统的效率，给系统带来了不良影响。多脉波不可控整流技术可以显著降低交流侧的电流谐波，降低直流側的电压脉动，已经在电源、变频器等多种场合得到了广泛应用。
2.1.2 三相单管整流方案。
不可控整流桥会向发电机注人大量的5次、7次、11次低频谐波，电流的畸变率很大，约为10.68%。大量的谐波电流会在发电机内部产生大量损耗，使发电机温度上升，缩短发电机寿命，系统效率降低^因此，如果能使发电机输出电流正弦化，减少电流谐波，就能减少发电机损耗，增加系统效率。
三相单管整流方案具有结构简单、控制容易、并联无需均流等特点，同时可以实现功率因数校正 ，因而受到广泛关注。
1）三相单管整流电路拓扑图。
采用三相单管整流技术的直驱系统结构如图2-6所示，风力机与低速永磁同步发电机直接连接，在发电机的输出端采用三相单管整流电路进行升压、稳压后逆变并网。与传统的直驱系统相比，三相单管整流电路将升压电感放在了整流桥前端，在实现整流的同时，还具有升压、稳压功能，同时还能对发电机输出电压电流进行功率因数校正。这种结构增加了两个电感以及一个输人低通滤波器，但是减少了一个电容器，在系统成本没有增加太多的情况下实现了对发电机输出电压电流的功率因数校正，提髙了发电机有功功率输出能力，减小了电流谐波含量，进而降低了发电机损耗，提髙了系统效率。
图2-6 带三相单管boost pfc的直驱系统结构图。
2）三相单管整流电路工况分析。
三相单管整流电路的主电路如图2-7所示，为实现自动功率因数校正，电路工作在断续电流模式（dmc）。
图2-7 三相单管boost pfc主电路。
（3）三相单管整流电路控制策略。
三相单管整流电路控制简单，可靠性高，其控制方法如图2-9所示。控制系统只采用一个电压外环，实现功率因数校正及稳定输出电压的目的。输出电压与参考电压的差值经过pi调节后，通过限幅环节保证系统工作在dcm，再通过 pwm给定功率管开关信号，系统控制简单，可靠性高。
图2-9 三相单管整流电路的控制器原理图。
三相单管整流器的开关频率固定、元件数量少、成本低、控制简单、可靠性高，应用于直驱型风力发电系统中，可以对发电机输出进行功率因数校正，提高发电机有功功率输出能力，减小电流谐波含量，降低发电机损耗，提髙了系统效率，具有一定的应用前景。
2.2 pwm整流方案。
采用pwm整流方案可以实现稳定的直流电压输出，且输人側的电流波形良好，功率因数可调，具备宝贵的四象限运行能力。然而其结构和控制方法较为复杂，成本较髙。但是随着电力电子技术特别是开关器件制造技术的发展，pwm整流器的成本问题已经有所缓和，应用场合越来越广泛，已经成为了未来变流技术的一种趋势。
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