從目前世界的能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無(wú)限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⑷剂想姵氐瓤稍偕茉醋鳛樾屡d的綠色能源，以其枯竭、無(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?？稍偕茉窗l(fā)出大小變化的直流電或頻率變化的交流電，需要電力電子變換器將電能進(jìn)行變換。

　　1電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)1.1可再生能源發(fā)電系統(tǒng)可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，使其逐步從補(bǔ)充型能源向替代型能源過(guò)渡。下面簡(jiǎn)介幾種基金項(xiàng)目：江蘇省六大人才高峰課題（06-A-045）資助項(xiàng)目。

　　主要的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

　　1光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。是一個(gè)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池或超級(jí)電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。光伏陣列除保證負(fù)載的正常供電外，將多余電能通過(guò)雙向直流變換器儲(chǔ)存到蓄電池或超級(jí)電容中；當(dāng)光伏陣列不足以提供負(fù)載所需的電能時(shí)，雙向直流變換器反向工作向負(fù)載提供電能。

　　112風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池發(fā)電zui大的優(yōu)勢(shì)是、潔凈，無(wú)污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率可達(dá)40%~65%.燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。

　　114混合能源發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源天然的互補(bǔ)性而構(gòu)成的“風(fēng)力一太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)”可以彌補(bǔ)因風(fēng)能、太陽(yáng)能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來(lái)的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能。

　　統(tǒng)“的結(jié)構(gòu)如所示。

　　作為可再生能源應(yīng)用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開(kāi)發(fā)也成為一個(gè)重要的研究課題。可再生能源發(fā)電中應(yīng)用到的電力電子技術(shù)主要包括逆變器及并網(wǎng)技術(shù)、太陽(yáng)能充電控制技術(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、諧波抑制和能量管理等。

　　1.2逆變器及并網(wǎng)控制技術(shù)可再生能源發(fā)電輸出功率的并網(wǎng)主要采用針對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的ACAC變換器并網(wǎng)和采用逆變器的并網(wǎng)方式。目前，可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)多采用逆變器與電網(wǎng)連接，并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有功率因數(shù)為1、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、能量可雙向流動(dòng)等特點(diǎn)，從而使其具有優(yōu)良的控制性能。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，并網(wǎng)逆變器還必須具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。逆變器除了要保證并網(wǎng)所要求的電能品質(zhì)和條件外，還要實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電技術(shù)的一些功能，如太陽(yáng)能zui大功率輸出跟蹤控制和風(fēng)能zui大捕獲控制等，要求其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有有功、無(wú)功功率解耦可調(diào)，且有高的變換效率。此外，通過(guò)并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式的無(wú)縫切換技術(shù)，可以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。目前這方面的研究多集中在電路拓?fù)浞矫?，所采用的控制策略多為PI控制，對(duì)外界環(huán)境不具備魯棒性。利用現(xiàn)代控制理論提高并網(wǎng)逆變器性能已有一些成果，如采用非線性狀態(tài)反饋線性化方法實(shí)現(xiàn)了線電流中的有功和無(wú)功分量的解耦控制，達(dá)到了提高動(dòng)態(tài)性能的目的；在PI控制基礎(chǔ)上，引入預(yù)測(cè)控制，也能改善控制器的動(dòng)態(tài)性能，并可減小直流側(cè)緩沖電容的容量；將滑模控制應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制器中，可實(shí)現(xiàn)低速下的可靠發(fā)電控制；基于自抗擾控制器原理的并網(wǎng)控制器，在動(dòng)態(tài)性能和魯棒性方面具有明顯提高，且容易實(shí)現(xiàn)。以上研究雖然得出了一些研究成果，但都是針對(duì)各個(gè)問(wèn)題分別解決，要得出實(shí)用性的技術(shù)成果，應(yīng)將功率跟蹤控制、功率因數(shù)控制和輸出電流波形控制等問(wèn)題綜合考慮，研究出統(tǒng)一控制算法。目前我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)仍以獨(dú)立供電系統(tǒng)為主，自主研制的并網(wǎng)逆變器存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性低的弱點(diǎn)，而且保護(hù)措施不全，容易引起事故，與建筑一體化等問(wèn)題也沒(méi)有得到很好考慮。

　　并網(wǎng)中的“孤島”現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)失電后，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)載處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，就會(huì)由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載形成一個(gè)自給式供電孤島。“孤島”現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行，危及線路維修人員的人身安全。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其它分散式并網(wǎng)電源的增多，發(fā)生“孤島”效應(yīng)的概率也會(huì)越來(lái)越高，近年來(lái)在可再生能源發(fā)展較快的國(guó)家和地區(qū)引起了人們的廣泛重視。一般情況下，一個(gè)裝有過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻和欠頻繼電器的逆變器具有對(duì)“孤島”的基本保護(hù)功能。但在源-負(fù)載功率平衡的情況下，電壓和頻率變化很小，這些繼電器將失效，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入“孤島”運(yùn)行。“孤島”檢測(cè)方法分為兩大類，即被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)檢測(cè)法。被動(dòng)檢測(cè)是通過(guò)觀察電網(wǎng)的電壓，頻率以及相位的變化來(lái)判斷有無(wú)“孤島”發(fā)生等。然而當(dāng)光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率基本接近，導(dǎo)致斷電時(shí)局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時(shí)，被動(dòng)檢測(cè)法就會(huì)失效。為了解決此問(wèn)題，主動(dòng)檢測(cè)法應(yīng)運(yùn)而生。主動(dòng)檢測(cè)法是通過(guò)在并網(wǎng)逆變器的控制信號(hào)中加入很小的電壓、頻率或相位擾動(dòng)信號(hào)，然后檢測(cè)逆變器的輸出。當(dāng)“孤島”發(fā)生時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)的作用就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)輸出變化超過(guò)規(guī)定的門限值就能預(yù)報(bào)“孤島”的發(fā)生。但一般的主動(dòng)檢測(cè)法（如頻率偏移法、輸出功率變化測(cè)量法等）中，負(fù)載相角特性對(duì)檢測(cè)的有效性影響較大，這類方法存在“檢測(cè)盲區(qū)”。如何快速、準(zhǔn)確、低成本地進(jìn)行“孤島”檢測(cè)與控制將成為并網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　1.3太陽(yáng)能充電控制器191為提高太陽(yáng)能發(fā)電的可靠性，需配備一定容量的蓄電池組。鉛酸蓄電池組成本較高，且使用壽命有限，若使用不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響壽命。蓄電池組的成本已成為影響太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。常規(guī)的充電方法，如恒流充電法、階段充電法、恒壓充電法、脈沖充電法等，都是基于蓄電池的充電特性曲線進(jìn)行的，但充電控制精度易受外界環(huán)境影響，采用自適應(yīng)控制算法則能很好地兼顧蓄電池充電控制和太陽(yáng)能電池zui大功率跟蹤控制。

　　1.4變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)141目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電基本都是采用并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行方式是不加控制的直接并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)很容易對(duì)電網(wǎng)形成沖擊、注入諧波、造成污染，甚至影響局部電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。解決這一問(wèn)題的方案是采用變速恒頻控制，即當(dāng)風(fēng)速改變引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時(shí)，仍能保證輸出電能頻率恒定。實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的方法眾多，其中雙饋發(fā)電機(jī)方案優(yōu)勢(shì)。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)又稱交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同，定子側(cè)三相對(duì)稱繞組直接與工頻電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)三相對(duì)稱勵(lì)磁繞組要求與能提供可控幅值、相位及頻率的電源相連。由于交變換器只需供給轉(zhuǎn)差功率，大大減少了對(duì)容量的要求。發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓頻率，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)zui大風(fēng)能的跟蹤和捕獲運(yùn)行。在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在轉(zhuǎn)速上，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。此外，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)，幾乎沒(méi)有電流沖擊，不必?fù)?dān)心異步機(jī)并網(wǎng)時(shí)沖擊電流過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的，當(dāng)風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，也不必?fù)?dān)心同步電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的失步問(wèn)題。無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，降低變頻器的容量外，還可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。同時(shí)發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)的AC―AC變換器為四象限變換器，按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為交一交變頻器、交一直一交變頻器和矩陣變換器。交一交變頻器不需中間直流濾波環(huán)節(jié)，晶閘管采用自然換流方式，始終吸收無(wú)功功率，功率因數(shù)低，諧波含量大，輸出頻率低。交一直一交變頻器是目前應(yīng)用zui廣泛的ACAC變換器，但其直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積大，壽命較短，且開(kāi)關(guān)損耗較大。目前應(yīng)用的兩種主要結(jié)構(gòu)ACDC―AC方式和AC―AC方式如所示。

　　矩陣變換器是一種ACAC直接變頻器，由直接接于三相電源和三相負(fù)載之間的9個(gè)開(kāi)關(guān)陣列組成，沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)，功率電路簡(jiǎn)單可輸出幅值、頻率、相位和相序均可控的電壓。諧波含量較小，輸入功率因數(shù)可控，可四象限運(yùn)行，但是其換流過(guò)程不允許兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷，控制較復(fù)雜。矩陣變換器作為發(fā)電系統(tǒng)交流勵(lì)磁電源，不但能滿足交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電所必需的雙向功率流動(dòng)，而且其優(yōu)良的輸入、輸出特性確保了生產(chǎn)滿足要求的高質(zhì)量電能，同時(shí)在真正意義上解決了能源的利用和環(huán)保問(wèn)題。目前矩陣式變換器的控制多采用空間矢量變換控制方法，借用傳統(tǒng)交一直一交控制策略，在魯棒性和實(shí)現(xiàn)性方面還有待提高。

　　風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)兼容的問(wèn)題也必須加以關(guān)注。如今的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還不能適應(yīng)較大的電網(wǎng)電壓和頻率暫態(tài)變化，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)脫離電網(wǎng)，而當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)定后風(fēng)機(jī)重新并網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)較少的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這是可以接受的，但是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電量增長(zhǎng)到電網(wǎng)容量的10%~15%時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須支持電網(wǎng)穩(wěn)定，并且其行為必須和傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相似，這對(duì)發(fā)電系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。

　　1.5燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃料電池是有內(nèi)阻的，輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化，這樣的輸出電壓是不能直接應(yīng)用的，并且輸出電壓隨著溫度的增加而增加。對(duì)于直流負(fù)載而言，一般只需一個(gè)恒定不變的供電電壓，而對(duì)于交流逆變器燃料電池升壓變換器蓄電池或超級(jí)電容雙向直流變換器負(fù)栽燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)載，還需要將直流電逆變?yōu)樗枰慕涣麟?，因此燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)必須要有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能正常工作。燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如所示，系統(tǒng)由燃料電池、蓄電池或超級(jí)電容、升壓變換器、雙向直流變換器和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。由于目前燃料電池發(fā)電成本還比較高，因此對(duì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率要求較高。

　　針對(duì)燃料電池電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器輸入電壓變化范圍寬，則需選用一種適用于寬輸入的變換器拓?fù)渥鳛樵摴β收{(diào)節(jié)器的前級(jí)，此外還得考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的特點(diǎn)。雙向直流變換器研究的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：（1）如何研制簡(jiǎn)單的雙向直流變換器拓?fù)洌?）探尋新型雙向直流變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，從而進(jìn)一步降低變換器的開(kāi)關(guān)損耗，并拓寬軟開(kāi)關(guān)負(fù)載適應(yīng)范圍；3）減小雙向直流變換器中的循環(huán)能量，降低通態(tài)損耗，提高總體效率；（4）進(jìn)一步提高雙向直流變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；5）建立雙向直流變換器的控制模型，有助于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善變換器的性能；（6）實(shí)現(xiàn)雙向直流變換器的數(shù)字控制，有利于進(jìn)行系統(tǒng)移植、數(shù)據(jù)采集、顯示和監(jiān)控。

　　1.6可再生能源中的諧波抑制可再生能源發(fā)電多采用電力電子裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，通常會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)電力諧波，使功率因數(shù)惡化、電壓波形畸變、增加電磁干擾隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的增大，因而給電網(wǎng)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。目前，諧波抑制主要有兩種方法：無(wú)源濾波和有源濾波。無(wú)源濾波利用電容和電感諧振的特點(diǎn)來(lái)抑制特定頻率的高次諧波分量和提高功率因數(shù)，但存在體積大、濾波頻率固定和會(huì)出現(xiàn)串并諧振等缺陷，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。近年來(lái)，有源濾波以其可補(bǔ)償各次諧波，還可抑制電壓瞬變、補(bǔ)償無(wú)功等一機(jī)多能的特點(diǎn)，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，且在一些工業(yè)*國(guó)家得到了大量應(yīng)用，但在補(bǔ)償性能、可靠性以及降低成本和損耗方面還有待進(jìn)一步完善。針對(duì)有源濾波器的強(qiáng)非線性和高實(shí)時(shí)性要求，許多學(xué)者將*控制技術(shù)應(yīng)用于有源濾波器的控制，也取得了許多有益的結(jié)果。以上研究成果雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)有源濾波器品質(zhì)的改善，但尚未成熟。另外，電源品質(zhì)的改善應(yīng)是綜合性的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)統(tǒng)一電源品質(zhì)的管理。

　　1.7其它隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的能源管理，電力電子應(yīng)用系統(tǒng)的集成化、模塊化，并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、容錯(cuò)與冗余，電能品質(zhì)等提出了更高的要求，電力電子產(chǎn)業(yè)面臨著良好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　2結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)可再生能源發(fā)電中太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電和混合能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，詳細(xì)研究了電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，新能源發(fā)電系統(tǒng)給電力電子技術(shù)提供了新的方向，也為從事可再生發(fā)電能源系統(tǒng)的研究提供了新的思路。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。