變流技術在分布式發(fā)電及其能量傳遞中的應用

摘 要： 電力電子變流技術在分布式發(fā)電系統(tǒng)中有著大量的應用，是對分布式發(fā)電發(fā)展的有效支撐。通過建立獨立直流分布式發(fā)電系統(tǒng)的模型，依據模型得出相應的能量傳遞圖。結合能量傳遞圖對電力電子變流技術在能量傳遞中的作用進行逐一說明。重點介紹了整流電路、Buck電路、Boost電路以及雙向線DC?DC變換電路。從側面證明了電力電子變流技術已經成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個重要組成部分。

關鍵詞： 分布式發(fā)電模型； 電力電子變流技術； 能量傳遞； 直流斬波

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0139?04

Application of converting technology in distributed power generation

and its energy transfer

XU Lun?hui， YANG Cheng

（School of Electrical Engineering and Automation， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： The power electronic converting technology is widely used in distributed generation systems， and is an effective support for the development of distributed generation. By establishing independent DC distributed power generation systems model， the corresponding energy transfer diagram was drawn based on the model. The effect of power electronic converter technology in energy transfer is explained one by one in combination with the diagram. The rectifier circuit， Buck circuit， Boost circuit and bidirectional line DC?DC conversion circuit are introduced emphatically. The power electronics technology is proved to be an important part of distributed generation technologies

Keywords： distributed generation model； power electronic converting technology； energy transfer； direct?current chopping

0 引 言

由于能源消費結構的調整[1]以及傳統(tǒng)大電網有諸多不足，分布式發(fā)電系統(tǒng)應運而生。分布式發(fā)電是指將電力系統(tǒng)以小規(guī)模（發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50 MW的小型模塊）、分散式方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電能的系統(tǒng)[2]。而且分布式發(fā)電以其特有的優(yōu)勢，逐漸成為未來大型電網的有力補充和有效支撐，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一[3]。我國對分布式發(fā)電的研究起步較晚，目前技術還很不成熟，因此， 要加緊開展對分布式發(fā)電的研究和探索。在分布式發(fā)電技術中電力電子變流技術是三大關鍵技術之一，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中有極其廣泛的應用，特別是在系統(tǒng)內的電能傳遞中扮演著重要角色。

1 研究模型的建立

為研究電力電子變流技術在分布式發(fā)電系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用，首先需要建立一個具有代表性的分布式發(fā)電系統(tǒng)模型。

圖1為應用在贛州市古城墻地區(qū)的風光互補型分布式發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)將風能和太陽能相結合組成復合型的發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 贛州風光互補型分布式發(fā)電系統(tǒng)

分布式發(fā)電系統(tǒng)除了采用水力和火力等傳統(tǒng)能源外， 還廣泛采用了新型替代能源。目前公認的幾種常用而且成本較低的系統(tǒng)是微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、風能發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)[4]。

參考圖1的工程應用和表1中的發(fā)電形式及輸出方式，可以得出一個簡單的系統(tǒng)模型。

表1 常見的分布式發(fā)電技術類型

[發(fā)電形式＼一次能源＼輸出方式＼微型燃氣輪機發(fā)電＼化石燃料＼交流輸出（AC）＼風能發(fā)電＼可再生能源＼交流輸出（AC）＼光伏發(fā)電＼可再生能源＼直流輸出（DC）＼燃料電池＼化石燃料＼直流輸出（DC）＼]

圖2為一個復合型直流分布式發(fā)電系統(tǒng)模型，該模型包括的風力機和帶有最大功率點跟蹤（MPPT）的太陽能光伏發(fā)電設備，同時利用一個由蓄電池組成的儲能設備進行充放電，以保證系統(tǒng)的有功功率平衡及能源的最優(yōu)利用[5]。

圖2 復合型直流分布式發(fā)電系統(tǒng)模型

該分布式發(fā)電系統(tǒng)中的電能傳遞圖如圖3所示。該圖主要由發(fā)電端、儲能端及直流匯流母線3部分組成。由圖3可知，在這些分布式發(fā)電系統(tǒng)中電力電子設備在能量的變換中起到了極其重要的作用。

圖3 分布式發(fā)電系統(tǒng)中的電能傳遞圖（獨立直流系統(tǒng)）

因為采用不同的分布式電源為系統(tǒng)提供能量其輸出方式是不一樣的，表1所列出不同的分布式電源中既有交流輸出也有直流輸出[6]（風力機為交流輸出，光伏發(fā)電為直流輸出）。所以在分布式電源與直流匯流母線之間有兩中不同的變流模塊，一種是整流模塊（圖3中的AC/DC），另一種是直流斬波模塊（圖3中的DC/DC（1））。

2 電力電子變流技術在發(fā)電端的應用

由圖3可知，發(fā)電端有兩個電力電子變流模塊即與風力機相連接的整流模塊和與光伏陣列相連接的斬波模塊。發(fā)電端的直流斬波模塊被稱為單象限DC?DC變換器，主要由單象限DC?DC變換電路組成。目前有3種基本的單象限DC?DC變換電路：Buck電路、Boost電路以及Buck?Boost電路。從變換器的效率上說Buck電路和Boost電路效率最高，但由于Buck?Boost電路輸出電壓的范圍最寬，所以Buck?Boost電路的實際工程應用最多，而且一般都采用PWM調制方式。

2.1 發(fā)電端的整流模塊

對比系統(tǒng)模型圖和電能傳遞圖可知，圖3中的AD/DC模塊由兩部分組成，一個是整流裝置（見圖4），另一個是單象限直流斬波裝置（見圖5）。先使用整流裝置將風力機所提供的交流電轉換為直流電，但由于風力發(fā)電機端電壓較直流網絡電壓高[7]，還需要采用降壓斬波裝置將直流電壓降低后方可并入直流母線。

圖4 橋式整流電路

圖5 Buck斬波電路

目前在實際中應用最廣的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路（或二極管整流電路）。但是晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，而且其滯后角還會隨著觸發(fā)延時角的增大而增大，位移因素也低。同時輸入電流中諧波分量也大，這就造成了輸入量的功率因素很低。

在單相橋式整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。由于有兩組橋臂的配合，使得交流電源的正負周期都有都有整流電流輸出[8]。

整流電壓的平均值[U]為：

[U=0.9U1+cosα2] （1）

整流電流的平均值[I]為：

[I=0.9UR1+cosα2] （2）

式中：[α]為導通延時角，[0≤α≤π]。由式1可知，通過對導通延時角[α]的選擇，可以改變整流電壓的平均值，即當[α]增大時，整流電壓的平均值[U]將減小，但整流電路的功率因素會隨著導通延時角[α]的增大而惡化[9]。所以應將導通延時角盡量的縮小，將降壓的任務交給Buck斬波電路。而且整流電路和斬波電路配合可校正功率因素（PFC）[10]，獲得較高的交流輸入功率因素。這也很好的彌補了晶閘管整流電路功率因素上不去的問題。

Buck電路有兩種工作模式，電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。若[L]值較小，則會出現(xiàn)電感電流斷續(xù)，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。

電感電流連續(xù)工作模式下，輸出平均電壓[U]與電源電壓[E]的關系為：

[U=tonTE=aE] （3）

式中：[a]為占空比。由式（3）可知當[a≤1，]從而該電路有降壓的特性。

負載平均電流[I]為：

[I=UR] （4）

Buck斬波電路有三種控制方式，但脈沖寬度調制（PWM）應用的最廣，即保持開關的周期不變，調節(jié)開關的導通時間。

其實將交流電整流后直接并入直流匯流母線的做法在分布式發(fā)電系統(tǒng)中應用的較少，只在小型的獨立直流系統(tǒng)中會應用到。

實際在面對輸出方式為交流的分布式電源時，一般會采用AC?DC?AC的變流形式。即將交流電整流后再逆變成交流電，此做法的目的在于改變交流電的頻率。而且交流分布式電源也不與直流匯流母線相連接，而是與一條交流母線連接，將電能傳給交流母線，供給交流負載或并入公用電網。

2.2 發(fā)電端的斬波模塊

依照圖3所示的DC/DC（1），由于光伏陣列需要升壓才可并入直流母線，所以需要一個升壓裝置。采用Boost斬波電路十分合適，Boost電路不光具有升壓功能，Boost電路還是用于光伏系統(tǒng)中最大功率點跟蹤的理想選擇。因為Boost電路是升壓斬波器，所以光伏陣列的最大功率點電壓可以低于負載的工作電壓。Boost電路中的二極管可以用做防反二極管，阻止直流母線側的能量回流到光伏陣列，這樣光伏陣列這一側的防反二極管就可以省去，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。

Boost電路的拓撲結構如圖6所示，Boost電路與Buck電路相類似，也有兩種工作狀態(tài)，電感電流連續(xù)狀態(tài)以及電感電流斷續(xù)狀態(tài)。

電感電流連續(xù)時，Boost電路的輸入輸出電壓關系為：

[U=E1-a] （5）

由式（5）可知，由于占空比[a][≤]1，所以輸出電壓高于輸入電壓。

圖6 Boost斬波電路

3 電力電子變流技術在儲能端的應用

目前儲能技術得到了迅猛的發(fā)展，為分布式發(fā)電提供了很大的發(fā)展空間[11]。儲能裝置的作用主要表現(xiàn)為以下幾個方面：對系統(tǒng)起穩(wěn)定作用、過渡作用、提供削峰以及緊急功率支持等。儲能技術的形式多樣，需具體情況作具體的選擇[12]。目前應用較廣的儲能方式有蓄電池儲能、超導儲能以及飛輪儲能。而且分布式發(fā)電系統(tǒng)的儲能端也少不了電力電子技術的應用[13]。

3.1 儲能端的電力電子技術

由圖3可知，在儲能裝置（蓄電池）與直流匯流母線之間還有一個由直流斬波電路組成的換流模塊，即圖3中的“DC/DC（2）”。該換流模塊被稱為多象限DC?DC變換器，其主要是雙向線DC?DC變換電路。雙向線DC?DC變換電路中“雙向線”指的是能量可以雙向流動。因為儲能裝置既要儲存能量又要釋放能量，所以采用雙向線DC?DC變換電路是最適合不過的了[14]。

當然不同的雙向線DC?DC變換電路也適合于不同的儲能裝置。當儲能裝置為電壓源形式時，如蓄電池，采用電流可逆DC?DC變換電路較合適。當儲能裝置為電流源形式時，如超導儲能，宜采用電壓可逆DC?DC變換電路。當儲能設備為直流電動機時，如揚水水泵，則使用橋式DC?DC變換電路較為合適[15]。

依據圖1的模型可知，儲能裝置為蓄電池，所以應該采用電流可逆DC?DC變換電路。電流可逆DC?DC變換電路如圖7所示，電路中M為反向電動勢負載。電流可逆DC?DC變換電路可以看作是由Buck電路和Boost電路的組合。當電源向負載M供電時，電源、VT1、VD1、電感[L]、電阻[R]和[E]構成一個Buck電路；當負載M向電源反饋能量時，反向電動勢[E、]電感[L、]VT2、VD2和電源[E]構成一個Boost電路。

圖7 雙向線電流可逆DC?DC變換電路

電流DC?DC變換電路有兩種工作模式，一種是間斷工作方式，即當在Buck電路工作時，Boost電路停止工作。另一種是交替工作方式，即一個周期內交替的作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作

輸出平均電壓[U]與電源電壓[E]的關系為：

[U=tonTE=aE] （6）

對比式（3）及式（6）可知，雙向線電流可逆DC?DC變換電路的輸出平均電壓與Buck電路時一樣的。

輸出平均電流為：

[I=U-ER] （7）

當[I>0]時，能量從電源釋放給負載，與降壓變壓器相同；當[I<0]時，能量從負載回饋給電源，從負載看，與升壓變壓器相同。

由于電路結構的原因，在電流可逆電路中電流總是連續(xù)的，不再出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)。但有電流變化量[ΔI。][ΔI]與降壓變壓器相同，即：

[ΔI=ETLa（1-a）] （8）

當[a]=0.5時，[ΔI]有最大值：

[ΔIm=ET4L] （9）

4 結 語

由于能源結構的變化以及傳統(tǒng)電力技術的不足，電力系統(tǒng)的下一個前進方向必然是基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)。通過文章的舉例及分析可知， 在面對不同的發(fā)電形式及輸出方式時，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中必須存在大量的電力電子變流裝置，以滿足變流要求。像Buck斬波電路（單象限）、Boost斬波電路（單象限）及電流可逆DC?DC電路（雙象限）在分布式發(fā)電系統(tǒng)及其能量傳輸中都有著不可替代的作用。因此， 隨著電力電子器件和變流電路的技術進步，其必將大力推動分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

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