变流技术在分布式发电及其能量传递中的应用

摘 要： 电力电子变流技术在分布式发电系统中有着大量的应用，是对分布式发电发展的有效支撑。通过建立独立直流分布式发电系统的模型，依据模型得出相应的能量传递图。结合能量传递图对电力电子变流技术在能量传递中的作用进行逐一说明。重点介绍了整流电路、Buck电路、Boost电路以及双向线DC⁃DC变换电路。从侧面证明了电力电子变流技术已经成为分布式发电系统的一个重要组成部分。

关键词： 分布式发电模型； 电力电子变流技术； 能量传递； 直流斩波

中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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

由于能源消费结构的调整[1]以及传统大电网有诸多不足，分布式发电系统应运而生。分布式发电是指将电力系统以小规模（发电功率在数千瓦至50 MW的小型模块）、分散式方式布置在用户附近，可独立地输出电能的系统[2]。而且分布式发电以其特有的优势，逐渐成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一[3]。我国对分布式发电的研究起步较晚，目前技术还很不成熟，因此， 要加紧开展对分布式发电的研究和探索。在分布式发电技术中电力电子变流技术是三大关键技术之一，在分布式发电系统中有极其广泛的应用，特别是在系统内的电能传递中扮演着重要角色。

1 研究模型的建立

为研究电力电子变流技术在分布式发电系统中所发挥的作用，首先需要建立一个具有代表性的分布式发电系统模型。

图1为应用在赣州市古城墙地区的风光互补型分布式发电系统。此系统将风能和太阳能相结合组成复合型的发电系统。

图1 赣州风光互补型分布式发电系统

分布式发电系统除了采用水力和火力等传统能源外， 还广泛采用了新型替代能源。目前公认的几种常用而且成本较低的系统是微型燃气轮机发电系统、风能发电系统、光伏发电系统以及燃料电池发电系统[4]。

参考图1的工程应用和表1中的发电形式及输出方式，可以得出一个简单的系统模型。

表1 常见的分布式发电技术类型

[发电形式＼&一次能源＼&输出方式＼&微型燃气轮机发电＼&化石燃料＼&交流输出（AC）＼&风能发电＼&可再生能源＼&交流输出（AC）＼&光伏发电＼&可再生能源＼&直流输出（DC）＼&燃料电池＼&化石燃料＼&直流输出（DC）＼&]

图2为一个复合型直流分布式发电系统模型，该模型包括的风力机和带有最大功率点跟踪（MPPT）的太阳能光伏发电设备，同时利用一个由蓄电池组成的储能设备进行充放电，以保证系统的有功功率平衡及能源的最优利用[5]。

图2 复合型直流分布式发电系统模型

该分布式发电系统中的电能传递图如图3所示。该图主要由发电端、储能端及直流汇流母线3部分组成。由图3可知，在这些分布式发电系统中电力电子设备在能量的变换中起到了极其重要的作用。

图3 分布式发电系统中的电能传递图（独立直流系统）

因为采用不同的分布式电源为系统提供能量其输出方式是不一样的，表1所列出不同的分布式电源中既有交流输出也有直流输出[6]（风力机为交流输出，光伏发电为直流输出）。所以在分布式电源与直流汇流母线之间有两中不同的变流模块，一种是整流模块（图3中的AC/DC），另一种是直流斩波模块（图3中的DC/DC（1））。

2 电力电子变流技术在发电端的应用

由图3可知，发电端有两个电力电子变流模块即与风力机相连接的整流模块和与光伏阵列相连接的斩波模块。发电端的直流斩波模块被称为单象限DC⁃DC变换器，主要由单象限DC⁃DC变换电路组成。目前有3种基本的单象限DC⁃DC变换电路：Buck电路、Boost电路以及Buck⁃Boost电路。从变换器的效率上说Buck电路和Boost电路效率最高，但由于Buck⁃Boost电路输出电压的范围最宽，所以Buck⁃Boost电路的实际工程应用最多，而且一般都采用PWM调制方式。

2.1 发电端的整流模块

对比系统模型图和电能传递图可知，图3中的AD/DC模块由两部分组成，一个是整流装置（见图4），另一个是单象限直流斩波装置（见图5）。先使用整流装置将风力机所提供的交流电转换为直流电，但由于风力发电机端电压较直流网络电压高[7]，还需要采用降压斩波装置将直流电压降低后方可并入直流母线。

图4 桥式整流电路

图5 Buck斩波电路

目前在实际中应用最广的整流电路几乎都是晶闸管相控整流电路（或二极管整流电路）。但是晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，而且其滞后角还会随着触发延时角的增大而增大，位移因素也低。同时输入电流中谐波分量也大，这就造成了输入量的功率因素很低。

在单相桥式整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。由于有两组桥臂的配合，使得交流电源的正负周期都有都有整流电流输出[8]。

整流电压的平均值[U]为：

[U=0.9U1+cosα2] （1）

整流电流的平均值[I]为：

[I=0.9UR1+cosα2] （2）

式中：[α]为导通延时角，[0≤α≤π]。由式1可知，通过对导通延时角[α]的选择，可以改变整流电压的平均值，即当[α]增大时，整流电压的平均值[U]将减小，但整流电路的功率因素会随着导通延时角[α]的增大而恶化[9]。所以应将导通延时角尽量的缩小，将降压的任务交给Buck斩波电路。而且整流电路和斩波电路配合可校正功率因素（PFC）[10]，获得较高的交流输入功率因素。这也很好的弥补了晶闸管整流电路功率因素上不去的问题。

Buck电路有两种工作模式，电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。若[L]值较小，则会出现电感电流断续，一般不希望出现电流断续的情况。

电感电流连续工作模式下，输出平均电压[U]与电源电压[E]的关系为：

[U=tonTE=aE] （3）

式中：[a]为占空比。由式（3）可知当[a≤1，]从而该电路有降压的特性。

负载平均电流[I]为：

[I=UR] （4）

Buck斩波电路有三种控制方式，但脉冲宽度调制（PWM）应用的最广，即保持开关的周期不变，调节开关的导通时间。

其实将交流电整流后直接并入直流汇流母线的做法在分布式发电系统中应用的较少，只在小型的独立直流系统中会应用到。

实际在面对输出方式为交流的分布式电源时，一般会采用AC⁃DC⁃AC的变流形式。即将交流电整流后再逆变成交流电，此做法的目的在于改变交流电的频率。而且交流分布式电源也不与直流汇流母线相连接，而是与一条交流母线连接，将电能传给交流母线，供给交流负载或并入公用电网。

2.2 发电端的斩波模块

依照图3所示的DC/DC（1），由于光伏阵列需要升压才可并入直流母线，所以需要一个升压装置。采用Boost斩波电路十分合适，Boost电路不光具有升压功能，Boost电路还是用于光伏系统中最大功率点跟踪的理想选择。因为Boost电路是升压斩波器，所以光伏阵列的最大功率点电压可以低于负载的工作电压。Boost电路中的二极管可以用做防反二极管，阻止直流母线侧的能量回流到光伏阵列，这样光伏阵列这一侧的防反二极管就可以省去，从而提高了系统的整体效率。

Boost电路的拓扑结构如图6所示，Boost电路与Buck电路相类似，也有两种工作状态，电感电流连续状态以及电感电流断续状态。

电感电流连续时，Boost电路的输入输出电压关系为：

[U=E1-a] （5）

由式（5）可知，由于占空比[a][≤]1，所以输出电压高于输入电压。

图6 Boost斩波电路

3 电力电子变流技术在储能端的应用

目前储能技术得到了迅猛的发展，为分布式发电提供了很大的发展空间[11]。储能装置的作用主要表现为以下几个方面：对系统起稳定作用、过渡作用、提供削峰以及紧急功率支持等。储能技术的形式多样，需具体情况作具体的选择[12]。目前应用较广的储能方式有蓄电池储能、超导储能以及飞轮储能。而且分布式发电系统的储能端也少不了电力电子技术的应用[13]。

3.1 储能端的电力电子技术

由图3可知，在储能装置（蓄电池）与直流汇流母线之间还有一个由直流斩波电路组成的换流模块，即图3中的“DC/DC（2）”。该换流模块被称为多象限DC⁃DC变换器，其主要是双向线DC⁃DC变换电路。双向线DC⁃DC变换电路中“双向线”指的是能量可以双向流动。因为储能装置既要储存能量又要释放能量，所以采用双向线DC⁃DC变换电路是最适合不过的了[14]。

当然不同的双向线DC⁃DC变换电路也适合于不同的储能装置。当储能装置为电压源形式时，如蓄电池，采用电流可逆DC⁃DC变换电路较合适。当储能装置为电流源形式时，如超导储能，宜采用电压可逆DC⁃DC变换电路。当储能设备为直流电动机时，如扬水水泵，则使用桥式DC⁃DC变换电路较为合适[15]。

依据图1的模型可知，储能装置为蓄电池，所以应该采用电流可逆DC⁃DC变换电路。电流可逆DC⁃DC变换电路如图7所示，电路中M为反向电动势负载。电流可逆DC⁃DC变换电路可以看作是由Buck电路和Boost电路的组合。当电源向负载M供电时，电源、VT1、VD1、电感[L]、电阻[R]和[E]构成一个Buck电路；当负载M向电源反馈能量时，反向电动势[E、]电感[L、]VT2、VD2和电源[E]构成一个Boost电路。

图7 双向线电流可逆DC⁃DC变换电路

电流DC⁃DC变换电路有两种工作模式，一种是间断工作方式，即当在Buck电路工作时，Boost电路停止工作。另一种是交替工作方式，即一个周期内交替的作为降压斩波电路和升压斩波电路工作

输出平均电压[U]与电源电压[E]的关系为：

[U=tonTE=aE] （6）

对比式（3）及式（6）可知，双向线电流可逆DC⁃DC变换电路的输出平均电压与Buck电路时一样的。

输出平均电流为：

[I=U-ER] （7）

当[I>0]时，能量从电源释放给负载，与降压变压器相同；当[I<0]时，能量从负载回馈给电源，从负载看，与升压变压器相同。

由于电路结构的原因，在电流可逆电路中电流总是连续的，不再出现断续状态。但有电流变化量[ΔI。][ΔI]与降压变压器相同，即：

[ΔI=ETLa（1-a）] （8）

当[a]=0.5时，[ΔI]有最大值：

[ΔIm=ET4L] （9）

4 结 语

由于能源结构的变化以及传统电力技术的不足，电力系统的下一个前进方向必然是基于可再生能源的分布式发电系统。通过文章的举例及分析可知， 在面对不同的发电形式及输出方式时，在分布式发电系统中必须存在大量的电力电子变流装置，以满足变流要求。像Buck斩波电路（单象限）、Boost斩波电路（单象限）及电流可逆DC⁃DC电路（双象限）在分布式发电系统及其能量传输中都有着不可替代的作用。因此， 随着电力电子器件和变流电路的技术进步，其必将大力推动分布式发电系统的发展。

参考文献

[1] 冯飞，周凤起.国家能源战略的基本构想（总报告）[R/OL].[2010⁃6⁃25].http：///qx/nyit/214039.html.

[2] 王成山，陈恺，谢莹华，等.配电网扩展规划中分布式电源的选址和定容[J].电力系统自动化，2006， 30（3）：38⁃43.

[3] 李蓓，李具源.分布式发电及其对配电网的影响[J].国际电力，2005，9（3）：45⁃49.

[4] 王长贵，王淳.小型新能源和可再生能源[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5] 鲁宗相，王彩霞，闽勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31 （19）：100⁃107.

[6] 杨培宏，刘文颖.分布式发电的种类及前景[J].农村电气化，2007，20（3）：54⁃56.

[7] 王琦，陈小虎，纪延超.大型风电机组和电力系统联网及相关问题[J].现代电力，2005，22（5）：23⁃28.

[8] 彭曙蓉，郭湘德，夏向阳.电工与电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2010.

[9] 苏文成，金子康.无功补偿与电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，1989.

[10] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[11] 李洁，陈宇.含储能装置的微电网并网/孤岛运行仿真研究[J].低压电器，2011，24（2）：32⁃36.

[12] 程华，徐政.分布式发电中的储能技术[J].高压电器，2006，39（3）：53⁃56.

[13] 华光辉，赫卫国，赵大伟.储能技术在坚强智能电网建设中的作用[J].供用电，2010，27（4）：22⁃29.

[14] 池海涛，吴俊宏，艾芊.含储能装置的直流微电网控制系统研究[J].低压电器，2009，22（4）：46⁃50.

[15] 王立乔，孙孝峰.分布式发电系统中的光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

推荐访问:分布式 发电 能量 传递 技术