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摘要：节能减排是当前社会比较热议的话题，也是京都议定书中提倡的重要问题。新能源是节能减排条件下的产物，其满足国际社会的发展需求，也成为各个国家走出环境危机的重要途径。本文探讨新能源发电中的电子电力问题。
关键词：新能源;发电;电子电力
1 太阳能发电中电力电子问题
最近几年，光伏发电成为电力产业和新能源产业共同关注的课题，光伏发电借助太阳能，有效替代火力发电这样的传统发电方式。据调查，光伏发电产业的发展速度正以年均40%的速度进行递增。光伏发电所采用的装置主要包含逆变器以及光伏电池模块，其中逆变器的种类多样，可以根据其隔离方式被划分为非隔离、工频隔离以及高频隔离三类逆变器。
目前状态下，光伏发电产业中最为常用的是工频类逆变器，其本身的安全系数更高，且能够有效规避输出直流偏置电流进入到电网的问题。但是，工频光伏逆变器本身因为构成零件众多，所以外形体积比较大，呈现出笨重特征。从效率上来讲，工频光伏逆变器的效率处于94%到96%的范围内。高频光伏逆变器虽然不如工频那样常见，但其也同样是光伏发电产业重要的发电设备，该种设备主要是通过DC/DC变换器的方式来达到高频作业的效果。如图1中的（a）图所示，其本身的体积比较小，且重量也比较轻，具有较强灵活性的特征。由于高频光伏逆变器需要引入隔离变换器，也会出现一定的效率损耗，在该种情况下，该种逆变器的效率处于93%到95%这个范围。如图1中的（b）图所示是前文中所提到的非隔离逆变器，该种逆变器具备高密度功率，且整个设备的效率也比较高，根据调查，该种逆变器最高效率能够达到98.8%[1]。
单从非隔离逆变器来讲，其可以被划分为两个类型，分别是两级结构和单级结构。所谓单级结构，主要是指逆变器当中的输出电压模块和电网当中电压处于匹配状态，此时单级结构会形成对光伏列阵的严格要求，明确规范额定电压等级。当然，该种要求在逆变器处于大功率系统当中时，额定电压等级问题也就不再成为问题。而所谓两级结构，是指逆变器当中所输出的电压将会先通过DC/DC变换器，经过升压以后才会被传输到逆变器当中，该种结构在额定电压等级方面的要求并不高，因此比较适合被运用到小功率系统当中。目前情况下，非隔离光伏逆变器主要在欧洲市场被广泛使用[2]。
2 风力发电中电力电子问题
风力发电最早出现在1957年，当时为了拓展电力资源，人们研究出风力发电设备，时至今日，风力发电已经有六十几年的发展历史，风力发电的系统也从原本的恒速恒频发电逐渐转变为当前的变速恒频发电，而风力发电系统的结构可以从图2中获取对应信息。如图2中的（a）图显示，该设备属于普通的异步电机，其主要被运用到恒速恒频系统当中，设备整体结构比较简单，但设计工艺却明显成熟，即便是当今市场，也有很多风力发电企业还在使用该种设备。但是，为了满足当前发电需求，在使用该种设备的同时需要配合采用无功补偿装置，如此才能够规避该种设备的机械应力问题。而在图2的（b）图当中主要展现的是当代风力发电设备中的变速恒频结构设备，该种设备主要是依靠绕线电机转子电阻的调整来实现转速调节，其对转速进行调节的范围在转速的10%以内。从图2中的（c）图来看，其主要呈现出的是双馈发电系统，该系统当中的主流设备是变速恒频设备，但该系统的转子侧主要是采用变流器的方式和电网联系在一起。变流器本身的容量大约占据发电容量的三分之一，变流器的转子和定子均面向电网输送电量。如果该系统被运用到并网状态下，其能够做好最大功率的控制，从而使风力发电过程中的风能利用率达到最大。图2中（d）图所呈现的是变速恒频的直驱发电设备结构，其所呈现出的系统结构更加优化，也是未来风力发电的系统发展走向，系统中将齿轮箱进行简化，规避设备可能出现的机械故障问题，也能够为无功支撑提供支持。
过去，电网发生故障时通常会采取将风力发电设备装置从空气中脱离到电网上来进行维修和保护的解决方案，但随着我国风电设备容量占到电动机组的比例逐渐提高，这样的处理措施很有可能会导致电力系统故障程度的加深和扩大，危害到整个电力系统的安全和正常运行。针对此种情况，德国、丹麦等一些风电技术发展成熟的国家均已经出台了相关风电设备并网的技术和规范，要求当风力发电设备装置在高压电网或者低压下坠毁时，必须具备电网的无功支持和穿越（LVRT ）。图4是对一个德国公司E-ON型低电压并网贯通电路穿越的部分设计电路要求，阴影段部分设计是为了不仅要求电路提供一个用于无限有功并网电路的降压支撑，而且当每一个跌落1%的无功电网上一个额定电压，就可能需要向其升压提供一个小于额定电流2%的无限有功回路电流，直到向其降压提供100%的无限有功回路电流。ABB、GE等几家公司所设计制造的双馈双向变压整流器一般具有较小的温度低电压和电流穿越性。近期我们看到随着国家新的第一代清洁能源产业振兴发展计划的政策提出和正式实施，风电设备装机容量将在未来几年得到较大幅度的持续增加，将在整个2021年全国电网风力发电装机装备容量中继续占据一个重要的比重，因此我们也必须研究制订一套关于利用风电的高低压和峰值微波穿越的技術规范。低电压贯穿式技术的科学研究和开发正受到国内同业的关注。在整个双馈式风力发电中，从电力电子应用领域来看，提高其整机效率的一个关键环节主要包括两个方面∶通过优化和控制双馈式风电机，减小其电机损耗，进而可以实现其整体效率的改善和提高;通过针对变流器结构进行的优化和选型，利用高效率的变流器拓扑结构以及设计工艺手段来改善和提高变流器整机运行效率。如今，我国在风力发电中所使用的高压变频整流器也主要采用上述变流器结构，通过对国内多种高电压水平开关技术及软电平开关等多种技术特点进行了较为深入的研究，这些先进技术对于不断提高风电变流器的工作效率也同样具有很重要的技术指导参考价值。
3 燃料电池发电中电力电子问题
燃料电池属于一种能够利用化学能原理，将反应物转化为电能的装置，其将氢气和氧气结合在一起，产生电化学反应，从而产生对应的热能和电能，达到发电的效果。目前情况下，燃料电池已经因为介质不同而被划分为五个类型，其分别是碱性、质子交换膜、磷酸、熔盐以及固体氢化物五类介质的燃料电池。燃料电池的发电方式比热机发电的效率更高，且对于周边环境造成的污染比较小，设备的噪音低[3]。 目前，有关燃料电池等发动机及其驱动器装置的研究主要重点集中于以下几个领域∶对燃料电池的特性进行了研究;燃料电池太阳能发电系统的结构及高效率功耗转化器的研究;能耗管理技术;孤岛检测及保护技术，并网时的电流控制;并网操作与独立操作之间采用无缝转换的控制技术。其中后面三个就是其它新能源并网体系的一些共性。
燃料电池在太阳能发电系统中，由于功率转换的结构和拓扑选择，在设计过程中还需要特别重视∶（1）纹波电流会给燃料电池带来严重的损害，影响到燃料电池的可靠性和使用寿命，应该加以限制;（2）燃料电池的费用比普通电力和工业用的功率转换器要低十倍乃至更多，提高了功率转换效率，有利于充分运用燃料电池所配置的容量。在我国燃料电池发电系统中，能量管理的涵义主要包括两个方面：一方面主要是指如何改善和增强燃料电池在发电系统中所能够获得的综合利用率;另一方面就是指通过限制输入燃料电池在其动态特征下的输出功率和动态脉动，来弥补燃料电池在其动态特征上的缺陷，同时也有利于延长燃料电池的周期，促使燃料电池在太阳能发电系统当中充分凸显出自身应用优势，提升燃料电池的应用价值。
4 电力储能中的电力电子问题
电力储能的技术包括蓄水、压缩空气储能、飞轮储能、动力电池储能、超导（SMES）、超级电容储能，每个都有其独特的功能，几乎每个都必须要先进的电力和电子科学。蓄水贮藏能与压缩空气贮藏能主要被广泛应用于利用电力调峰，但对当地的地理状况有着特殊的要求。电池的储能方式由于具有能耗密度高、技术较成熟的特征，因此理论上可以广泛应用于电动机的调峰，但是提高电池的循环时间次数却是实现电动机工业化的主要瓶颈。由于飞轮储能的总体储能容量有限，系统比较复杂，一般只能用来进行电能和质量的调节。超级电容式储能（SCES）由于具有功率密度高、循环使用寿命长等诸多优点，目前可以储能的太阳能电池量较少，但是发展潜力相当巨大。
结束语
在光伏逆變器方面，关注的热点为光伏逆变器高效率技术、地电流抑制方案、光伏电站的逆变器模块配置和系统集成。风力发电方面，关注点有中压、高压功率变流技术、风力发电整机效率提升。在燃料电池发电方面，重点在于燃料电池在后备电源、UPS、数据中心等高可靠性电源系统中的应用。无论光伏发电，还是风力发电，均需要考虑低电压穿越功能。电力储能技术方面，需要开发特大功率的变流器，如何与储能元件有效的配合。
参考文献
[1]王明扬， 白迪. 风电场一次调频控制策略研究[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版）， 2019， 015（003）：260-264.
[2]徐德鸿， 徐君， 苏娜，等. 新能源发电中的若干电力电子问题综述[J]. 变频器世界， 2010（06）：57-61.
[3]徐德鸿， 徐君， 苏娜，等. 新能源发电中的若干电力电子问题[C]// 2010：11-15.
中广核射阳风力发电有限公司 江苏 盐城 224000
关键词：新能源;发电;电子电力
1 太阳能发电中电力电子问题
最近几年，光伏发电成为电力产业和新能源产业共同关注的课题，光伏发电借助太阳能，有效替代火力发电这样的传统发电方式。据调查，光伏发电产业的发展速度正以年均40%的速度进行递增。光伏发电所采用的装置主要包含逆变器以及光伏电池模块，其中逆变器的种类多样，可以根据其隔离方式被划分为非隔离、工频隔离以及高频隔离三类逆变器。
目前状态下，光伏发电产业中最为常用的是工频类逆变器，其本身的安全系数更高，且能够有效规避输出直流偏置电流进入到电网的问题。但是，工频光伏逆变器本身因为构成零件众多，所以外形体积比较大，呈现出笨重特征。从效率上来讲，工频光伏逆变器的效率处于94%到96%的范围内。高频光伏逆变器虽然不如工频那样常见，但其也同样是光伏发电产业重要的发电设备，该种设备主要是通过DC/DC变换器的方式来达到高频作业的效果。如图1中的（a）图所示，其本身的体积比较小，且重量也比较轻，具有较强灵活性的特征。由于高频光伏逆变器需要引入隔离变换器，也会出现一定的效率损耗，在该种情况下，该种逆变器的效率处于93%到95%这个范围。如图1中的（b）图所示是前文中所提到的非隔离逆变器，该种逆变器具备高密度功率，且整个设备的效率也比较高，根据调查，该种逆变器最高效率能够达到98.8%[1]。
单从非隔离逆变器来讲，其可以被划分为两个类型，分别是两级结构和单级结构。所谓单级结构，主要是指逆变器当中的输出电压模块和电网当中电压处于匹配状态，此时单级结构会形成对光伏列阵的严格要求，明确规范额定电压等级。当然，该种要求在逆变器处于大功率系统当中时，额定电压等级问题也就不再成为问题。而所谓两级结构，是指逆变器当中所输出的电压将会先通过DC/DC变换器，经过升压以后才会被传输到逆变器当中，该种结构在额定电压等级方面的要求并不高，因此比较适合被运用到小功率系统当中。目前情况下，非隔离光伏逆变器主要在欧洲市场被广泛使用[2]。
2 风力发电中电力电子问题
风力发电最早出现在1957年，当时为了拓展电力资源，人们研究出风力发电设备，时至今日，风力发电已经有六十几年的发展历史，风力发电的系统也从原本的恒速恒频发电逐渐转变为当前的变速恒频发电，而风力发电系统的结构可以从图2中获取对应信息。如图2中的（a）图显示，该设备属于普通的异步电机，其主要被运用到恒速恒频系统当中，设备整体结构比较简单，但设计工艺却明显成熟，即便是当今市场，也有很多风力发电企业还在使用该种设备。但是，为了满足当前发电需求，在使用该种设备的同时需要配合采用无功补偿装置，如此才能够规避该种设备的机械应力问题。而在图2的（b）图当中主要展现的是当代风力发电设备中的变速恒频结构设备，该种设备主要是依靠绕线电机转子电阻的调整来实现转速调节，其对转速进行调节的范围在转速的10%以内。从图2中的（c）图来看，其主要呈现出的是双馈发电系统，该系统当中的主流设备是变速恒频设备，但该系统的转子侧主要是采用变流器的方式和电网联系在一起。变流器本身的容量大约占据发电容量的三分之一，变流器的转子和定子均面向电网输送电量。如果该系统被运用到并网状态下，其能够做好最大功率的控制，从而使风力发电过程中的风能利用率达到最大。图2中（d）图所呈现的是变速恒频的直驱发电设备结构，其所呈现出的系统结构更加优化，也是未来风力发电的系统发展走向，系统中将齿轮箱进行简化，规避设备可能出现的机械故障问题，也能够为无功支撑提供支持。
过去，电网发生故障时通常会采取将风力发电设备装置从空气中脱离到电网上来进行维修和保护的解决方案，但随着我国风电设备容量占到电动机组的比例逐渐提高，这样的处理措施很有可能会导致电力系统故障程度的加深和扩大，危害到整个电力系统的安全和正常运行。针对此种情况，德国、丹麦等一些风电技术发展成熟的国家均已经出台了相关风电设备并网的技术和规范，要求当风力发电设备装置在高压电网或者低压下坠毁时，必须具备电网的无功支持和穿越（LVRT ）。图4是对一个德国公司E-ON型低电压并网贯通电路穿越的部分设计电路要求，阴影段部分设计是为了不仅要求电路提供一个用于无限有功并网电路的降压支撑，而且当每一个跌落1%的无功电网上一个额定电压，就可能需要向其升压提供一个小于额定电流2%的无限有功回路电流，直到向其降压提供100%的无限有功回路电流。ABB、GE等几家公司所设计制造的双馈双向变压整流器一般具有较小的温度低电压和电流穿越性。近期我们看到随着国家新的第一代清洁能源产业振兴发展计划的政策提出和正式实施，风电设备装机容量将在未来几年得到较大幅度的持续增加，将在整个2021年全国电网风力发电装机装备容量中继续占据一个重要的比重，因此我们也必须研究制订一套关于利用风电的高低压和峰值微波穿越的技術规范。低电压贯穿式技术的科学研究和开发正受到国内同业的关注。在整个双馈式风力发电中，从电力电子应用领域来看，提高其整机效率的一个关键环节主要包括两个方面∶通过优化和控制双馈式风电机，减小其电机损耗，进而可以实现其整体效率的改善和提高;通过针对变流器结构进行的优化和选型，利用高效率的变流器拓扑结构以及设计工艺手段来改善和提高变流器整机运行效率。如今，我国在风力发电中所使用的高压变频整流器也主要采用上述变流器结构，通过对国内多种高电压水平开关技术及软电平开关等多种技术特点进行了较为深入的研究，这些先进技术对于不断提高风电变流器的工作效率也同样具有很重要的技术指导参考价值。
3 燃料电池发电中电力电子问题
燃料电池属于一种能够利用化学能原理，将反应物转化为电能的装置，其将氢气和氧气结合在一起，产生电化学反应，从而产生对应的热能和电能，达到发电的效果。目前情况下，燃料电池已经因为介质不同而被划分为五个类型，其分别是碱性、质子交换膜、磷酸、熔盐以及固体氢化物五类介质的燃料电池。燃料电池的发电方式比热机发电的效率更高，且对于周边环境造成的污染比较小，设备的噪音低[3]。 目前，有关燃料电池等发动机及其驱动器装置的研究主要重点集中于以下几个领域∶对燃料电池的特性进行了研究;燃料电池太阳能发电系统的结构及高效率功耗转化器的研究;能耗管理技术;孤岛检测及保护技术，并网时的电流控制;并网操作与独立操作之间采用无缝转换的控制技术。其中后面三个就是其它新能源并网体系的一些共性。
燃料电池在太阳能发电系统中，由于功率转换的结构和拓扑选择，在设计过程中还需要特别重视∶（1）纹波电流会给燃料电池带来严重的损害，影响到燃料电池的可靠性和使用寿命，应该加以限制;（2）燃料电池的费用比普通电力和工业用的功率转换器要低十倍乃至更多，提高了功率转换效率，有利于充分运用燃料电池所配置的容量。在我国燃料电池发电系统中，能量管理的涵义主要包括两个方面：一方面主要是指如何改善和增强燃料电池在发电系统中所能够获得的综合利用率;另一方面就是指通过限制输入燃料电池在其动态特征下的输出功率和动态脉动，来弥补燃料电池在其动态特征上的缺陷，同时也有利于延长燃料电池的周期，促使燃料电池在太阳能发电系统当中充分凸显出自身应用优势，提升燃料电池的应用价值。
4 电力储能中的电力电子问题
电力储能的技术包括蓄水、压缩空气储能、飞轮储能、动力电池储能、超导（SMES）、超级电容储能，每个都有其独特的功能，几乎每个都必须要先进的电力和电子科学。蓄水贮藏能与压缩空气贮藏能主要被广泛应用于利用电力调峰，但对当地的地理状况有着特殊的要求。电池的储能方式由于具有能耗密度高、技术较成熟的特征，因此理论上可以广泛应用于电动机的调峰，但是提高电池的循环时间次数却是实现电动机工业化的主要瓶颈。由于飞轮储能的总体储能容量有限，系统比较复杂，一般只能用来进行电能和质量的调节。超级电容式储能（SCES）由于具有功率密度高、循环使用寿命长等诸多优点，目前可以储能的太阳能电池量较少，但是发展潜力相当巨大。
结束语
在光伏逆變器方面，关注的热点为光伏逆变器高效率技术、地电流抑制方案、光伏电站的逆变器模块配置和系统集成。风力发电方面，关注点有中压、高压功率变流技术、风力发电整机效率提升。在燃料电池发电方面，重点在于燃料电池在后备电源、UPS、数据中心等高可靠性电源系统中的应用。无论光伏发电，还是风力发电，均需要考虑低电压穿越功能。电力储能技术方面，需要开发特大功率的变流器，如何与储能元件有效的配合。
参考文献
[1]王明扬， 白迪. 风电场一次调频控制策略研究[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版）， 2019， 015（003）：260-264.
[2]徐德鸿， 徐君， 苏娜，等. 新能源发电中的若干电力电子问题综述[J]. 变频器世界， 2010（06）：57-61.
[3]徐德鸿， 徐君， 苏娜，等. 新能源发电中的若干电力电子问题[C]// 2010：11-15.
中广核射阳风力发电有限公司 江苏 盐城 224000