信息工程技术在新能源的应用.docx

1、信息工程技术在新能源的应用目 录1绪论 12 可再生能源发电系统简介 12.1 风力发电系统 12.2 太阳能光伏发电系统 12.2 光伏发电系统 22.3 燃料电池发电系统 22.4 混合能源发电系统 33 信息工程技术在可再生能源中的应用 43.1 关键技术 43.1.1 电能变换 43.1.2 电能储存 53.1.3 电能管理 53.1.4 电能质量控制 53.2 控制技术及其各部分系统 63.2.1 逆变器及并网控制技术 63.2.2 太阳能充电控制器 73.2.3 变速恒频风力发电系统 73.2.4 燃料电池功率调节系统 9结 束 语 10参考文献 111绪论从目前世界的能源结构来看

2、，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。信息工程技术作为可再生能源发电技术的关键，直接关系到可再生能源发电技术的发展。由于太阳能、风能、水能、海洋能、生物能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅可再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。因此，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前重要的研究领域和发展方向，并且已取得了重要的进展和成果。但是

3、，新能源的应用人存在许多问题需要研究和解决。2 可再生能源发电系统简介2.1 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。风力发电的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。风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置信功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有

4、两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统1。2.2 太阳能光伏发电系统太阳能发电有热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源。自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研发，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成

5、用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DA/DC变换，或采用逆变器进行DC/DA变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。图1 太阳能光伏并网发电系统2.2 光伏发电系统图1为光伏发电系统，光伏发电系统可分为以下几类：(1) 城市住宅用小型并网系统：光伏电池与居民住宅建筑结合，利用屋顶或墙面安装光伏阵列，一般每户配备15kW 单相逆变器。(2) 工业与市电：一般用25kW以上三相三电平大功率逆变器(也可发展为100MW 大规模光伏电站)，可分三类：(3) 独立运行、离网、储能式：独立运行的光伏系统为完全离网式，有储能设备，阴雨天也可供电。可在荒漠地

6、区建设大规模离网式、独立光伏电站。(4) 联网、无储能式：联网式光伏系统是当今发展方向 (全世界联网式光伏系统年增长率约为2530%)。(5) 混合式光伏系统：太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统，组成混合式分布电子系统，应用于无电或缺点地区。2.3 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，其效率可达到40%-65%。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学

7、能，直接转化为电能的装置。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(S0FC)及质子交换膜燃料电池燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有洁净、无污染、低噪声，模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。燃料电池发电系统的结构如图2所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。图2 燃料电池发电系统的结构2.4 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

8、低的缺陷，在一定程度上提供稳定可靠电能。各发电装置的合理协调运行，还可有效减少配置的蓄电池容量。风力一太阳能混合发电系统是一个分布式的能量系统，其各组成部分都具备了单元控制的功能。因而将它们做为主体(Agent)，再加入若干管理Agent，从而构成一个分散式的智能化能量管理系统，使之在负荷、风力、光照等外界条件发生变化时。进行协调控制实现最优调度策略，成为未来研究的一个热点。将风力与太阳能技术加以综合利用，从而构成一种互补、可控、优质、可分散布点的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。新能源作为电子系统未来的发展方向是：采用几种新能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发

9、电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起。另一种混合方式是，利用燃料电池的产生的废气或热量，带动发电机组成电子系统。图3所示为混合发电系统结构。图3 新能源混合发电系统结构3 信息工程技术在可再生能源中的应用利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用信息工程技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电子系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一2。3.1 关键技术3.1.1 电能变换众所周知，新能源电子系统的共同特征是需要进行电源变换，即通

10、过电子变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。图4给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。由于新能源电子系统中电能变换主要是依赖DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。图4 多电平交流逆变电路结构3.1.2 电能储存由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。比如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等

11、储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。如果与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁悬浮技术使飞轮转轴稳定地悬浮于空间是一种有效解决方案。预计飞轮储能装置将在国防、电子、交通等领域具有应用前景3。3.1.3 电能管理电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电子系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括：(1)电能分配；（2)优化控制；

12、(3)状态监测；(4)故障诊断；(5)容错控制。实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。3.1.4 电能质量控制近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是信息工程变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电子公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。电能质量控制的主要研究内容是：(1)电源谐波检测和分析技术 谐波的测量和分析是实现谐波治理

13、的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法(FFT)以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。因此，如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。(2)电能质量控制和管理包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正(PFC)技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术(APFC)已成为信息工程领域的研究热点。现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相P

14、FC电路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软升关三相PFC电路的研制。特别是，软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。3.2 控制技术及其各部分系统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能源过渡。与前述控制技术同样重要的作为可再生能源应用的重要组成部分的电子变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题。可再生能源发电中应用到的信息工

15、程技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。3.2.1 逆变器及并网控制技术可再生能源发电输出功率的并网主要采用针对变速恒频双馈风力发电机组的 AC/DC变换器并网和采用逆变器的并网方式。目前 ，可再生能源发电的并网多采用逆变器与电网连接，并网逆变器应具有功率因数为1、网侧电流正弦化、能量可双向流动等特点，从而使其具有优良的控制性能。当光伏并网发电时，并网逆变器还必须具有快速的动态响应。逆变器除了要保证并网所要求的电能品质和条件外，还要实现可再生能源发电技术的一些功能，如太阳能最大功率输出跟踪控制和风能最大捕获控制等，要求其主电路拓扑结构具有有功、无功功率解耦可调，且有

16、高的变换效率。此外，通过并网运行和独立运行两种模式的无缝切换技术，可以减小对电网的冲击。目前这方面的研究多集中在电路拓扑方面，所采用的控制策略多为PI控制，对外界环境不具备鲁棒性。利用现代控制理论提高并网逆变器性能已有一些成果，如采用非线性状态反馈线性化方法实现了线电流中的有功和无功分量的解耦控制，达到了提高动态性能的目的；在PI控制基础上，引入预测控制，也能改善控制器的动态性能，并可减小直流侧缓冲电容的容量；将滑模控制应用于风电机组的并网控制器，可实现低速下的可靠发电控制；基于自抗扰控制器原理的并网控制器，在动态性能和鲁棒性方面具有明显提高，且容易实现。以上研究虽然得出了一些研究成果，但都是

17、针对各个问题分别解决，要得出实用性的技术成果，应将功率跟踪控制、功率因数控制和输出电流波形控制等问题综合考虑，研究出统一控制算法。目前我国太阳能光伏发电系统仍以独立供电系统为主，自主研的并网逆变器存在系统运行不稳定，可靠性低的弱点，而且保护措施不全，容易引起事故，与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑。3.2.2 太阳能充电控制器为提高太阳能发电的可靠性，需配备一定容量的蓄电池组。铅酸蓄电池组成本较高，且使用寿命有限，若使用不当，会严重影响寿命。蓄电池组的成本已成为影响太阳能光伏发电系统推广应用的一个主要障碍。常规的充电方法，如恒流充电法、阶段充电法、恒压充电法、脉冲充电法等，都是基于蓄电池的充

18、电特性曲线进行，但充电控制精度易受外界环境影响，采用自适应控制算法则能很好地兼顾蓄电池充电控制和太阳能电池最大功率跟踪控制。3.2.3 变速恒频风力发电系统目前我国风力发电基本都是采用并网型异步风力发电机组，运行方式是不加控制的直接并网运行，风速风向变化时很容易对电网形成冲击、注入谐波、造成污染，甚至影响局部电网运行的稳定性。解决这一问题的方案是采用变速恒频控制，即当风速改变引起风轮转速变化时，仍能保证输出电能频率恒定。实现变速恒频发电的方法众多，其中双馈发电机方案最具优势。双馈感应发电机又称交流励磁发电机，其结构与绕线式异步电机相同，定子侧三相对称绕组直接与工频电网相连，转子侧三相对称励磁绕

19、组要求与能提供可控幅值、相位及频率的电源相连。由于交2交变换器只需供给转差功率，大大减少了对容量的要求。发电机根据风力机转速变化调节转子励磁电压频率，实现恒频输出，实现发电机的有功、无功功率独立调节，进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行。在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。此外，变速恒频风力发电系统在并网时，几乎没有电流冲击，不必担心异步机并网时冲击电流过大的问题。同时，双馈发电机工作频率与电网频率是彼此独立的，当风轮及发电机的转速变化时，也不必担心同步电机直接并网运行时可能出现的失步问题4。变速恒频双馈发

20、电系统ACAC变换器为四象限变换器，按其拓扑结构可以分为交交变频器、交直交变频器和矩阵变换器。交交变频器不需中间直流滤波环节，晶闸管采用自然换流方式，始终吸收无功功率，功率因数图5 两种风能发电主要结构示意图低，谐波含量大，输出频率低。交直交变频器是目前应用最广泛的ACAC变换器，但其直流环节的滤波电容体积大，寿命较短，且开关损耗较大。目前应用的两种主要结构ACDCAC方式和 ACAC方式如图5所示。矩阵变换器是一种ACAC直接变频器，由直接接于三相电源和三相负载之间的9个开关阵列组成，没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压。谐波含量较小，输入功率因数可控，可

21、四象限运行，但是其换流过程不允许两个开关同时开通或关断 ，控制较复杂。矩阵变换器作为发电系统交流励磁电源，不但能满足交流励磁变速恒频发电所必需的双向功率流动，而且其优良的输入、输出特性确保了生产满足要求的高质量电能，同时在真正意义上解决了能源的最佳利用和环保问题。目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法，借用传统交直交控制策略，在鲁棒性和实现性方面还有待提高。风力发电和电网兼容的问题也必须加以关注。如今的风力发电系统还不能适应较大的电网电压和频率暂态变化，当电网电压跌落时，风机脱离电网，而当电网稳定后风机重新并网运行。对于风机来说，这是可以接受的，但是当风力发电量增长到电网容量的10%

22、15%时，风力发电系统必须支持电网稳定，并且其行为必须和传统发电设备相似，这对发电系统提出了更为苛刻的要求。3.2.4 燃料电池功率调节系统燃料电池是有内阻的，输出电压随着输出电流的变化而变化，这样的输出电压是不能直接应用的，并且输出电压随着温度的增加而增加。对于直流负载而言，一般只需一个恒定不变的供电电压，而对于交流负载，还需要将直流电逆变为所需要的交流电，因此燃料电池的发电系统必须要有功率调节系统才能正常工作5。针对燃料电池电源系统功率调节器输入电压变化范围宽，则需选用一种适用于宽输入的变换器拓扑作为该功率调节器的前级，此外还得考虑动态响应速度慢的特点。双向直流变换器研究的几个关键问题是：

23、(1)如何研制简单高效的双向直流变换器拓扑；(2)探寻新型双向直流变换器的软开关技术，从而进一步降低变换器的开关损耗，并拓宽软开关负载适应范围；(3)减小双向直流变换器中的循环能量，降低通态损耗，提高总体效率；(4)进一步提高双向直流变换器的动态响应；(5)建立双向直流变换器的控制模型，有助于变换器的优化设计，改善变换器的性能；(6)实现双向直流变换器的数字控制，有利于进行系统移植、数据采集、显示和监控。结 束 语随着世界能源短缺的加剧，世界各国都立志于可再生能源的开发、研究和利用。目前，新能源电子系统虽然已经取得了突破性进展，但是，要把美好的理想变为现实，真正实现其广泛的商业应用还有许多问题

24、亟待解决。这既需要在物理、化学、材料等基础学科领域的联合攻关，以进一步提高能源转换效率和降低成本；史为重要的是需要在电子、电子、控制和信息等工程技术领域合作研究，以实现各种电能之间便捷有效的转换、存储、传输、利用和管理。因此，打破学科界限，通过系统集成和技术融合，我们一定能够克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。参考文献1 王琦等，信息工程技术在风力发电中的应用综述，南京师范大学学报 (工程技术版)N，20052 徐德鸿，信息工程技术M，科学出版社，20063 黄燕艳等，信息工程器件在分布电源中的应用M，高电压技术，20024 汤天浩，新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势，电源技术应用N， 20075 徐建中等，信息工程技术在可再生能源发电系统中的应用，南京师范大学报 (工程技术版)N，2007