淺析電力電子技術在新能源發(fā)電中的應用

王中晶

（青島科技大學，山東青島，266061）

0 引言

隨著新能源的不斷開發(fā)，新能源發(fā)電已經(jīng)成為了可持續(xù)發(fā)展的重要手段，雖然新能源發(fā)電具有環(huán)保節(jié)約等優(yōu)勢，但其仍然存在諸多問題，電力電子技術可以幫助新能源發(fā)電解決大部分運行的難題。

1 電力電子技術以及新能源發(fā)電的內容概述

■1.1 電子電力技術

電力電子技術同時被稱作功率電子技術，該技術大多被應用在發(fā)電領域，工作人員借助電力電子設備，對電子技術進行有效控制與變換。在電力電子技術的應用過程中涉及了許多內容，主要包括電力電子設備、系統(tǒng)控制和電力電子器件等等。電力電子技術可以幫助工作人員將不同的新能源轉化為高質量的電能，對傳統(tǒng)應用的電子信息技術進行改善，從而對相關產業(yè)的持續(xù)發(fā)展起到一定的促進作用。電力電子相關技術極大地促進了我國經(jīng)濟的發(fā)展，該技術的自身優(yōu)勢十分突出，能夠有效地節(jié)省材料，還可以充分節(jié)約能源，提高電力工作效率。電力電子技術包含的基礎功能有智能控制、整流、斬波以及開關等。該技術運用的主要原理為利用電網(wǎng)工頻的電能，有效轉變電能的相關用途與性質，從而幫助其適用于不同的電力裝置。電力電子技術的主要特點有五個，第一個是集成度更高，第二個是全控化，第三個是高效化，第四個是高頻化，第五個是變流裝置的小型化。

■1.2 新能源發(fā)電

由于全球經(jīng)濟化步伐的加快，各種傳統(tǒng)能源供不應求，其儲量越來越少，同時，由于部分燃料的燃燒會產生對大氣有害的溫室氣體，嚴重破壞了地球的生態(tài)環(huán)境，越來越多的國家把目光放在了新能源的開發(fā)與利用之上。傳統(tǒng)的化石能源采用的是集中發(fā)電的模式，而新能源則是采用的電網(wǎng)形式，更適合用于分布式發(fā)電。新能源發(fā)電擁有較多優(yōu)勢。首先，其有助于替換傳統(tǒng)能源，緩解傳統(tǒng)不可再生能源對生態(tài)環(huán)境的壓力，減少對大氣的污染。幫助社會可持續(xù)發(fā)展。其次，新能源發(fā)電的電量不多，比較適合用于在孤島上運行，可以有效解決孤島上的供電問題，避免資源的浪費。即便該部分電網(wǎng)發(fā)生了故障，也不會對整體的電網(wǎng)造成影響。最后，電網(wǎng)的運行和維護的角度來看，新能源發(fā)電廠的建立不受地域的限制，風力發(fā)電的電廠可以建立在海上或者寬闊的偏僻處，太陽能發(fā)電的電廠只需要保證有充足的日照，生物質電廠最好建立在大片農田的附近，保證回收利用秸稈的方便性，都對電網(wǎng)的運行與維護有一定的便利。

2 電力電子技術在新能源發(fā)電中應用的意義

■2.1 降低能源損耗

合理地應用電力電子技術可以有效提高電能轉化的工作效率，同時該技術可以將大多數(shù)新能源例如風能、水能、太陽能等等轉化為電能，不僅能夠大量降低能源的損耗，還可以避免對環(huán)境的污染與破壞。除此之外，電力電子技術的應用還可以幫助工作人員降低電網(wǎng)所含的諧波，大大降低電網(wǎng)運行時線路上的能量損耗?；陔娏﹄娮蛹夹g在新能源發(fā)電各個方面的優(yōu)勢看來，該技術的發(fā)展空間較大，為了將新能源的轉化效率進一步提高，對其轉化的質量進行優(yōu)化并提升其穩(wěn)定性，降低能源在轉化以及電流運輸過程中所產生的損耗，仍然需要在電力電子技術方面投入必要的人力和物力，加強對該技術的研究，促進其快速發(fā)展。由于不同情況下出現(xiàn)的問題不同，研究人員應當結合該技術在新能源發(fā)電中的具體情況進行探究與實踐[1]。

■2.2 提高其穩(wěn)定性

風能是新能源領域中的重要組成能源，而和諸多新能源一樣，其發(fā)電的穩(wěn)定性不強，為了增強能源的轉化率，需要提高風電機組中靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性。如今許多電力企業(yè)已經(jīng)充分認識到感應風機的瞬態(tài)電壓在電網(wǎng)運行中具有非常重要作用，但仍然需要進一步完善該機制的應用。而科學合理地應用電力電子技術能夠幫助相關部門有效提高新能源應用的穩(wěn)定性。目前相關研究人員對光伏發(fā)電的系統(tǒng)在研究工作上已經(jīng)取得了相應的成果，但仍有需要改進的地方，要求相關人員對出現(xiàn)的問題進行更加深入的分析與探究，再采取切實可行的措施對其進行針對性的改進。除此之外，相關工作人員必須積極總結歸納電力電子技術在新能源發(fā)電中應用的共性問題，方便該技術提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性。

3 電力電子技術在新能源發(fā)電中的具體應用

■3.1 靜止無功補償

由于風力發(fā)電以及光伏發(fā)電等新能源的發(fā)電形式非常容易被天氣變化影響，而電能卻是平衡的，因此利用新能源進行發(fā)電會出現(xiàn)輸出的電能穩(wěn)定性較差的情況。為了有效提高新能源發(fā)電的工作效率，許多發(fā)電站會將其輸出功率的模式調整為有功功率的模式，能夠切實保障有功功率能夠穩(wěn)定地進行輸出。但是往往會帶來電壓降低的問題，由于系統(tǒng)中存在對無功功率有較大需求的負荷，而傳統(tǒng)的普通并聯(lián)電容器沒有辦法對無功功率的具體大小進行自主調節(jié)，系統(tǒng)電壓不斷降低，并聯(lián)電容器所輸出的無功功率也隨之降低，互相循環(huán)最終系統(tǒng)的電壓過低導致了電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。而靜止無功補償器可以對無功功率進行靈活的調節(jié)，其調節(jié)方式為控制相應的晶閘管導通或進行管斷，從而便于投切電抗器以及電容器。

靜止無功補償器是電力電子技術在新能源發(fā)電網(wǎng)中的典型具體應用，其最大的優(yōu)勢是具備高度的靈活性，工作人員可以利用合適的電力電子技術讓靜止無功補償?shù)脑O備靈活地調節(jié)電壓與無功功率，一般該設備主要用于交流輸電的裝置之中，其目的是進一步穩(wěn)定新能源電力系統(tǒng)的運行，提高新能源的輸電能力。除此之外，由靜止無功補償?shù)南嚓P設備調節(jié)出的無功功率能夠有效減小新能源電力系統(tǒng)中低頻振蕩帶來的阻力，對新能源電力系統(tǒng)靜態(tài)下的穩(wěn)定性的提高起到了巨大的作用。靜止無功補償?shù)南嚓P裝置一般分為兩大類，一類為電磁型,另一類為晶閘管控制型[2]。其中電磁型的靜止無功補償?shù)南嚓P裝置是根據(jù)系統(tǒng)不同的電壓變化，利用自身的飽和性來進行系統(tǒng)之中無功功率的交換，大多數(shù)分為兩種器型，一種是可控飽和的并聯(lián)電抗器型，另一種是自飽和的并聯(lián)電抗器型。電磁型的靜止無功補償?shù)南嚓P裝置在正常情況下，是在電抗器特性飽和段進行工作的，其電力輸出通常含有諧波。晶閘管控制型可以分為開關控制型以及相位控制型兩種。開關控制型的靜止無功補償裝置通常是TSC(晶閘管投切并聯(lián)電容器型)對相位角控制閥的導通時間進行了觸發(fā)，起到控制通過該設備電流的作用。這類裝置主要包括TCR（晶閘管控制并聯(lián)電抗器型）以及TCT（晶閘管控制變壓器型)。

■3.2 可控串聯(lián)補償

可控串聯(lián)補償技術是利用串聯(lián)方式把無功補償?shù)南嚓P裝置接入運行線路，從而對新能源電力系統(tǒng)進行一定容量的無功補償?shù)募夹g，該技術一般分為兩種類型，一種為固定式，另一種為可控式。固定式中有效容抗值基本是固定的,基本不會發(fā)生改變，其工作只能在不補償與補償這兩個階段進行?？煽厥较噍^于固定式增加了些許器件，通過控制此類器件幫助其能夠切換四種不同的工作模式，對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到加強作用。可控式對相應的技術要求較高，其應用的成本也較高。因此在實際的電力工程中，電力部門通常將固定式與可控式兩種類型相互結合，從而降低運行難度，保證新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

■3.3 變速恒頻控制

變速恒頻是如今經(jīng)常運用的風力發(fā)電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，發(fā)電機的轉速和風速的變化有著密不可分的關系，兩者相輔相成。在風速改變的時候，風力機會相應地進行變速運行，能夠充分提高風能的有效利用率。眾所周知，風力非常不穩(wěn)定，風力能源受氣候的影響時有時無，即便是有風的情況，風力的大小也會時強時弱，風機扇葉所受到的風力大小不同，導致風機的轉速各不相同。如果不對其加以妥善的控制，電力系統(tǒng)則無法轉化具有穩(wěn)定頻率的電力能源。因此變速恒頻中變槳距的調節(jié)系統(tǒng)充分利用電力電子的變換器調節(jié)風機的頻率，在其內部進行雙饋感應電機的配置，同時加載多級的同步電機，使其不再需要應用傳統(tǒng)的變速箱，方便電力系統(tǒng)的運行。

■3.4 APF諧波治理

使用電力電子技術的設備已經(jīng)大規(guī)模地滲透到新能源電網(wǎng)之中，電網(wǎng)日漸呈現(xiàn)出電力電子化的趨勢。大量的電力電子設備的應用導致諧波污染逐漸嚴重，單個電力電子設備所排放的諧波數(shù)量有限，屬于微諧波源，但整個電網(wǎng)之中大量微諧波源的存在則會導致不可忽視的諧波污染。相較而言，傳統(tǒng)的電網(wǎng)中存在的諧波源數(shù)量較少，出現(xiàn)的地方集中度較高，通常只集中在幾個用戶，電力部門可以直接在用戶端進行治理，處理妥善便可以較好地控制全網(wǎng)的諧波水平。此類傳統(tǒng)的治理方式通常被稱為點對點的治理模式。電力人員一般利用有源濾波器來實現(xiàn)用戶端的點對點治理。該模式是對諧波源的諧波電流進行檢測，利用APF在線路中注入大小相同且方向相反的諧波電流，來進行電流的抵消。而微諧波源的大面積分布給點對點治理帶來了諸多困難，其動態(tài)性較強，不確定性較大[3]。因此需要不斷探索解決諧波污染的新方法。

電力電子技術的使用會導致不同頻次諧波的產生是眾所周知的情況，而諧波的含量超出既定范圍會給用戶帶來極差的體驗。APF的應用能夠完美解決此類問題。例如三相橋式電路之中，APF可以通過外部的電流互感器，對負載的電流進行實時的檢測，再通過內部數(shù)字信號處理的精確計算，將其諧波成分提取出來，通過PWM信號將其傳送到內部IGBT，控制逆變器會發(fā)出和負載的諧波大小一致但方向完全相反的電流，并將該電流輸送到電網(wǎng)中對諧波電流進行補償，從而實現(xiàn)濾波的作用。電力電子技術大力推動了APF的飛速發(fā)展并促進其廣泛應用，APF在諸多實踐運行之中逐漸將無源濾波器替換下來。

4 結論

綜上所述，隨著工業(yè)化腳步的不斷加快，我國的能源危機越來越嚴重，新能源發(fā)電成為緩解能源短缺的重要手段，電力電子技術在新能源發(fā)電中具有重大意義，雖然該技術已經(jīng)在新能源發(fā)電上得到了一定的應用，但仍需要提高對其的重視，充分利用該技術的優(yōu)勢，為新能源發(fā)電的長遠發(fā)展添磚加瓦。只有加強電力電子技術在新能源發(fā)電中的廣泛應用，才能夠保證我國新能源發(fā)電的穩(wěn)定、安全運行，進而達到緩解能源危機的目的。