徐德鴻，陳文杰，何國(guó)鋒，施科研，李海津，嚴(yán) 成

（浙江大學(xué)電力電子技術(shù)研究所，杭州 310027）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)步的發(fā)展，能源消費(fèi)也持續(xù)增長(zhǎng)。全國(guó)能源消耗總量從2000年的14.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤猛增至 2013 年的 37.6 億 t標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。 發(fā)電總量從2000年的1.3萬億kW·h增長(zhǎng)到2013年的5.3 萬億 kW·h［2］，預(yù)計(jì)到 2020 年和 2040 年分別達(dá)到 7.3 萬億 kW·h 和 11.6 萬億 kW·h［3］。 目前我國(guó)的電力仍以煤電為主導(dǎo)，2013年全國(guó)火力發(fā)電的裝機(jī)占總發(fā)電裝機(jī)的69%［4］。煤電生產(chǎn)導(dǎo)致一系列環(huán)境問題，近年來各地頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣也敲響了能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的警鐘。

為應(yīng)對(duì)氣候變化，發(fā)展新能源成為我國(guó)未來能源發(fā)展的必然選擇。近年來，我國(guó)可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。截至2013年我國(guó)非化石能源發(fā)電裝機(jī)占電力總裝機(jī)的比重達(dá)到30.9%，并網(wǎng)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到7 548萬kW，發(fā)電量1 400億kW·h，光伏發(fā)電并網(wǎng)累計(jì)裝機(jī)達(dá)到1 942萬kW，發(fā)電量超過 80億 kW·h［5-6］。 預(yù)計(jì)到 2040年，風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和其他非水可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量將占電力總裝機(jī)容量的17%［3］。對(duì)可再生能源發(fā)電的迫切需求推動(dòng)著以新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)的發(fā)展。

電力電子技術(shù)在風(fēng)力、光伏、海洋能、燃料電池發(fā)電等可再生能源發(fā)電、輸電、配電、用電的各環(huán)節(jié)中發(fā)揮能源變換、控制的重要作用。如何將具有波動(dòng)性、間隙性、不確定的可再生能源加以有效利用，將更高比例的可再生能源導(dǎo)入電力系統(tǒng)，成為電力系統(tǒng)的有機(jī)組成，建設(shè)以綠色能源為主導(dǎo)的可持續(xù)能源格局，仍面臨很大的挑戰(zhàn)。電力電子技術(shù)將與物聯(lián)系統(tǒng)、儲(chǔ)能等結(jié)合成為推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的支撐技術(shù)。隨著可再生能源發(fā)電向多種功率等級(jí)、高效率、分布式、集群化、高智能化方向的發(fā)展，更加高效、可靠、智能化的電力電子系統(tǒng)將在可再生能源系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，推動(dòng)著可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的變革。

1 新能源發(fā)電

風(fēng)力、光伏、海流能和燃料電池等新能源發(fā)電裝置一般通過了電力電子變流器與電網(wǎng)的接口。

1.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電正由陸上風(fēng)電向海上風(fēng)電擴(kuò)展，2012年全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)突破了5 GW大關(guān)。2011年美國(guó)能源部提出到2030年海上風(fēng)電容量達(dá)到50 GW的目標(biāo)。于此同時(shí)，海上風(fēng)電裝置的單機(jī)容量快速增加，SIEMENS已有6 MW的海上風(fēng)機(jī)推向市場(chǎng)，ABB和VESTAS也分別研制出了7 MW和8 MW的海上風(fēng)電樣機(jī)。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量增加促進(jìn)了電壓等級(jí)的提升，一般2 MW風(fēng)機(jī)的機(jī)端與并網(wǎng)電壓為690 V左右，ABB的7 MW風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓可達(dá)到3.3 kV。由于IGBT器件耐壓限制、成本、性能等因素，大容量風(fēng)機(jī)變流器拓?fù)溲芯康玫疥P(guān)注［7-9］。NPC三電平變流器、變換單元連接構(gòu)成多電平變流器、并聯(lián)組合變流器等方案也被Gamesa、Siemens等公司采用［10-11］。另外將更加關(guān)注高電壓、大功率風(fēng)機(jī)變流器可靠性問題。

另一方面，海上風(fēng)電場(chǎng)的輸配電問題成為熱門話題，直流配電和電壓源直流輸電（HVDC）在海上風(fēng)電場(chǎng)中首先獲得應(yīng)用。由于電力電子變壓器采用中、高頻率變換和隔離技術(shù)，顯著減小了變壓器體積并且提高了可控性，在新能源配電中有良好的應(yīng)用前景［12-13］。對(duì)此類變流器，同樣存在著器件耐壓受限的問題。由于采用IGCT和IEGT等高耐壓器件不足滿足電壓等級(jí)和容量的需求［14］，目前主要的途徑是采用多個(gè)變流器串聯(lián)的方式，在使用低壓IGBT的條件下實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)和容量的提升。SiC MOSFET由于可以做成10 kV等級(jí)的功率器件，具有較好的開關(guān)特性、較低的通態(tài)損耗，并適合高溫運(yùn)行，作為新一代器件，將助推直流配電和電壓源直流輸電的推廣。

此外，隨著大量風(fēng)電接入電網(wǎng)，風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響也引起了廣泛關(guān)注。如何從風(fēng)機(jī)角度配合電力系統(tǒng)，提高風(fēng)電并網(wǎng)的可靠性并減小對(duì)電力系統(tǒng)的影響，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。出現(xiàn)了具有同步發(fā)電機(jī)特性的風(fēng)電系統(tǒng)的概念，試圖改變風(fēng)電變流器的并網(wǎng)特性，模擬同步發(fā)電機(jī)特性，從而實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的最大程度兼容運(yùn)行［15］?？偠灾瑥娘L(fēng)電機(jī)組到風(fēng)場(chǎng)配套的輸配電設(shè)備，以及與電網(wǎng)的穩(wěn)定協(xié)調(diào)運(yùn)行，均需要依靠電力電子這一核心技術(shù)［16-17］，并對(duì)電力電子器件和電路拓?fù)洹⒖刂铺岢鲂碌囊蟆?/p>

1.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電變流器按用途可分為集中式發(fā)電和分布式發(fā)電。

集中式光伏變流器將朝著更大功率方向發(fā)展，當(dāng)前主流機(jī)型為500 kW，目前已出現(xiàn)2 MW光伏逆變器。為進(jìn)一步降低光伏變流器的成本，隨著光伏電池成本的下降和電池轉(zhuǎn)換效率的提升，將出現(xiàn)單機(jī)容量為數(shù)MW到數(shù)十MW光伏變流器。隨著單機(jī)容量的提升，將面臨MW光伏變流器直流側(cè)電壓1 kV上限的限制，主流的光伏組件最大系統(tǒng)電壓為1 kV（IEC61215標(biāo)準(zhǔn)）。為了突破1 kV上限的限制，可以采用三電平逆變器，通過雙極性實(shí)現(xiàn)PV逆變器直流電壓的倍增。另一條途徑，必須突破現(xiàn)有的光伏變流器直流側(cè)電壓標(biāo)準(zhǔn)，已出現(xiàn)1 500V系統(tǒng)電壓的光伏組件。

分布式光伏發(fā)電可以提升電網(wǎng)對(duì)新能源的吸納能力，可以避免集中式電站面臨的長(zhǎng)距離輸電投資問題和長(zhǎng)途電力運(yùn)輸中的損耗。截止到2013年，我國(guó)分布式光伏310萬kW，計(jì)劃到2015年建成分布式光伏發(fā)電總裝機(jī)容量1 000萬kW。由于分布式逆變器處于中小容量范圍，除成本、效率外，還將關(guān)注功率密度。在分布式逆變器拓?fù)渲?，三電平逆變器具有一定的?yōu)勢(shì)。到2013年，根據(jù)PHOTON測(cè)試，中小功率逆變器效率達(dá)98.6%。隨著新型SiC和GaN寬禁帶器件的發(fā)展，已出現(xiàn)一些寬禁帶器件光伏逆變器的實(shí)證系統(tǒng)。由于SiC MOSFET器件的成本較高，預(yù)計(jì)IGBT與SiC二極管組合的混合功率器件在分布式光伏逆變器中將首先獲得應(yīng)用。另一方面，對(duì)于高頻、高功率密度的分布式逆變器，也可以通過軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和提升功率密度。隨著都市分布式光伏裝機(jī)的增加，光伏發(fā)電在配電網(wǎng)中滲透率的升高，將面臨間歇、不確定的光伏電能與配電網(wǎng)的相互作用問題［18-19］，配電網(wǎng)能量管理和控制將提到日程，將促進(jìn)分布式儲(chǔ)能和微電網(wǎng)的發(fā)展［20］。

1.3 燃料電池發(fā)電

燃料電池發(fā)展一波三折，但人們始終沒有放棄對(duì)它的研發(fā)。燃料電池涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括便攜式電子設(shè)備、通訊移動(dòng)基站電源、IT數(shù)據(jù)中心的不間斷電源（USP）、電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、船用熱電聯(lián)供系統(tǒng)、航空航天特種電源、以及軍事國(guó)防領(lǐng)域等。燃料電池裝機(jī)容量從2009年的80 MW上升到2013年的220 MW。質(zhì)子交換膜燃料電池憑借其工作溫度低、功率密度高、啟動(dòng)快等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。中小功率應(yīng)用領(lǐng)域，以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為主；在大功率固定發(fā)電系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池（SOFC）具有較好發(fā)展前景。最近，燃料電池在電動(dòng)汽車中應(yīng)用又興起了新一波的熱浪，豐田等企業(yè)提出了量產(chǎn)化的目標(biāo)。2013年推出了燃料電池概念車 “Toyota FCV Concept”，將于2015年正式上市。該車燃料電池電堆功率100 kW，功率密度是3 kW/L，采用70 MPa的高壓氫氣罐，續(xù)航里程超過500 km。

燃料電池應(yīng)用在不間斷供電場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)明顯，相比傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)具有噪音小，污染小的優(yōu)勢(shì)，相比蓄電池可靠性高、維護(hù)成本小。隨著燃料電池成本的進(jìn)一步降低，基于燃料電池的不間斷電源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯，具有十分誘人的發(fā)展前景。燃料電池發(fā)電應(yīng)用在不間斷供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題是其輸出電壓變化范圍大，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，冷啟動(dòng)時(shí)間和負(fù)載突變調(diào)整時(shí)間均為秒級(jí)。 因此，需要電力電子變換技術(shù)結(jié)合超級(jí)電容等儲(chǔ)能原件來實(shí)現(xiàn)燃料電池供電系統(tǒng)的能量管理。文獻(xiàn)［21］提出了一種適用于長(zhǎng)備用場(chǎng)合的燃料電池UPS系統(tǒng)。為了延長(zhǎng)燃料電池使用壽命，在電網(wǎng)正常時(shí)，燃料電池處在冷備用狀態(tài)；電網(wǎng)故障時(shí)，采用無縫切換算法保證負(fù)載不間斷供電，克服了燃料電池冷啟動(dòng)慢的不足。使用基于超級(jí)電容的能量管理單元，輸出負(fù)載電流的高頻分量，補(bǔ)償燃料電池動(dòng)態(tài)性能不足，同時(shí)保證燃料電池安全運(yùn)行。為滿足數(shù)據(jù)中心、核電等重大工程的極高可靠供電需求，出現(xiàn)了超級(jí)UPS概念，如圖1所示。超級(jí)UPS系統(tǒng)包括了電網(wǎng)和燃?xì)夤艿纼煞N獨(dú)立的公共供能基礎(chǔ)設(shè)施［22］。同時(shí)包含了燃料電池和鋰電池兩種獨(dú)立的儲(chǔ)能裝置。通過多種能源、多種儲(chǔ)能、高可靠的電力電子功率變換實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷、高可靠供電。超級(jí)UPS還需要有可靠的容錯(cuò)能力，以實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離以及無縫切換，故障后系統(tǒng)重構(gòu)和容錯(cuò)運(yùn)行也是超級(jí)UPS中的重要研究課題。

圖1 超級(jí)UPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

隨著越來越多的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，其輸出功率間歇性波動(dòng)的特點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)可以將電能的生產(chǎn)與消費(fèi)在時(shí)間上進(jìn)行解耦，減輕了新能源發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)造成的壓力，目前正受到越來越多的關(guān)注［23-24］。采用儲(chǔ)能技術(shù)，可以在光伏發(fā)電高峰時(shí)期減少40%的光伏電能注入電網(wǎng)，這不僅可以減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也使電網(wǎng)可以吸納更多的光伏發(fā)電系統(tǒng)。2011年美國(guó)能源部發(fā)布的儲(chǔ)能項(xiàng)目計(jì)劃指出未來5～10 a，美國(guó)需要安裝10～100 GW的儲(chǔ)能容量來應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的發(fā)展。在我國(guó)，《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》把儲(chǔ)能技術(shù)列為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，到2013年底，已經(jīng)投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目在電力系統(tǒng)中的累計(jì)裝機(jī)量為53.7 MW，占全球裝機(jī)規(guī)模的7%。因此，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借其高能量比、高轉(zhuǎn)換效率、高循環(huán)次數(shù)等特點(diǎn)，受到了更加廣泛的關(guān)注。電池儲(chǔ)能裝置一般由電池、電池管理系統(tǒng)（BMS）和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS）構(gòu)成。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS）是電池與電網(wǎng)的接口，一般由一個(gè)雙向DC/AC變流器組成，它擔(dān)負(fù)電池的儲(chǔ)能管理和電網(wǎng)的配合。對(duì)于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng) ，采用級(jí)聯(lián)式的中壓PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受到追捧，但需要每個(gè)級(jí)聯(lián)模塊連接的電池單元處于隔離狀態(tài)，給電池和系統(tǒng)的維護(hù)帶來不便［25］。采用直流固態(tài)變壓器匯流，再連接到一個(gè)中壓的DC/AC逆變器的方式并入配電網(wǎng)，可以簡(jiǎn)化對(duì)電池的隔離要求。而對(duì)于分布式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要關(guān)注成本、功率密度、效率等指標(biāo)，更傾向于采用雙有源橋 （DAB）DC-DC變換器和高效率DC/AC逆變器組合的架構(gòu)。

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)（V2G）技術(shù)可以讓電動(dòng)汽車內(nèi)的車載電池作為分布式的電池儲(chǔ)能裝置，協(xié)助電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻，在國(guó)際上已有相關(guān)試驗(yàn)。丹麥的EDISON項(xiàng)目利用V2G儲(chǔ)能技術(shù)提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能的消納能力。日產(chǎn)汽車公司推出了 “LEAF to Home”系統(tǒng)，電動(dòng)汽車用戶可以在電價(jià)比較便宜的晚間對(duì)汽車的鋰電池進(jìn)行充電，在白天用電高峰對(duì)家庭進(jìn)行供電。

對(duì)于單一的儲(chǔ)能元件，其各項(xiàng)性能指標(biāo)往往相互矛盾，例如比能量與比功率指標(biāo)，動(dòng)態(tài)特性與比能量指標(biāo)。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用多種儲(chǔ)能元件的組合，可以達(dá)到儲(chǔ)能元件取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，在滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)多個(gè)維度的性能需求的同時(shí)，還可以增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性、可用度以及容錯(cuò)性。多個(gè)儲(chǔ)能元件之間如何協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、長(zhǎng)壽命、高效率的儲(chǔ)能，需要通過探討混合儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)理論及方法來解決這些問題。

3 微型電網(wǎng)

分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、局部負(fù)荷一起構(gòu)成了微型電網(wǎng)，簡(jiǎn)稱微網(wǎng)。微網(wǎng)具有環(huán)保、能源利用率高、可靠性高、電能質(zhì)量好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)［26］。而微網(wǎng)內(nèi)的電源、儲(chǔ)能設(shè)備與外電網(wǎng)的連接等均需要通過控制靈活的電力電子裝置來實(shí)現(xiàn)。

微網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以分為3大類：即交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)和混合微網(wǎng)。由于電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，直流用電負(fù)荷越來越多，因此，直流微網(wǎng)受到熱捧。直流微網(wǎng)中不存在交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，沒有無功的問題，電力設(shè)備的利用率得到提升；配電線路不會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，傳輸效率更高；與直流負(fù)荷連接方便，減少了功率變換環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備成本和電能損耗［27-28］。但目前直流微網(wǎng)的保護(hù)還沒有規(guī)范的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，以及成熟的開關(guān)的設(shè)備。

新能源和微網(wǎng)發(fā)展，推動(dòng)了大功率變流器固態(tài)變壓器（SST）研究［29］。美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)的FREEDM研究小組將15 kV耐壓的SiC-MOSFET應(yīng)用到固態(tài)變壓器中，目標(biāo)把效率提升至98%。隨著SiC功率器件耐壓等級(jí)提高和電路拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展，固態(tài)變壓器（SST）有可能在一些場(chǎng)合取代傳統(tǒng)的工頻變壓器，將配電電壓轉(zhuǎn)換為低壓電網(wǎng)。此外，固態(tài)變壓器還具有調(diào)節(jié)電壓、控制功率流動(dòng)、進(jìn)行電壓補(bǔ)償和故障限流的功能。固態(tài)變壓器的開關(guān)頻率能夠從幾kHz到幾十kHz之間，因而能夠顯著地減小變壓器的體積和重量。目前固態(tài)變壓器存在成本、效率、可靠性等方面的不足，呼喚電力電子器件水平和電力電子電路變換技術(shù)的提升。圖2所示為一種基于固態(tài)變壓器示意。

圖2 基于固態(tài)變壓器示意

4 新能源發(fā)電裝置與電網(wǎng)的作用

新能源發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)故障穿越運(yùn)行能力已經(jīng)在世界多國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)明確提出。許多國(guó)家和地區(qū)要求了新能源發(fā)電裝置在電壓短時(shí)間跌落下具有穿越運(yùn)行能力（LVRT）。隨著未來電網(wǎng)中新能源發(fā)電所占比例的提高，相關(guān)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)愈加嚴(yán)格。目前，丹麥的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有多次（重復(fù)性）電網(wǎng)故障下的穿越運(yùn)行能力，如圖3所示，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要穿越間隔最短0.5 s的多次電網(wǎng)故障，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制提出了新的挑戰(zhàn)。

圖3 丹麥電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的重復(fù)性故障穿越要求

由于新能源并網(wǎng)變流器器輸出存在開關(guān)頻率的諧波分量，并網(wǎng)變流器輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗耦合，可能發(fā)生電網(wǎng)那個(gè)諧振，嚴(yán)重時(shí)造成諧波放大的問題。多逆變器接入電網(wǎng)的諧振問題時(shí)有發(fā)生，引起人們的關(guān)注［30］。目前報(bào)道的阻尼諧振方法有極點(diǎn)優(yōu)化配置、虛擬阻抗、有源阻尼控制［31］。總體上說，目前多逆變器接入電網(wǎng)的諧振問題仍停留在分析階段，研究多逆變器并網(wǎng)諧振原理及其諧振抑制策略具有重要的理論和實(shí)用意義。

5 結(jié)語

可再生能源技術(shù)被譽(yù)為人類的“第三次工業(yè)革命”，在過去的短短十幾年中已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，在某些國(guó)家或地區(qū)已經(jīng)顯著的改變了社會(huì)的能源結(jié)構(gòu)。無論新能源發(fā)電裝備、儲(chǔ)能裝備，還是構(gòu)建交直流配電或微型電網(wǎng)都對(duì)電力電子器件和系統(tǒng)技術(shù)提出的新的要求?？稍偕茉窗l(fā)電和智能電網(wǎng)的發(fā)展將推動(dòng)寬禁帶和其他新型電力電子器件的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)新穎電力電子電路拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的持續(xù)發(fā)展。

［1］吳新雄.轉(zhuǎn)方式調(diào)結(jié)構(gòu)促改革 強(qiáng)監(jiān)管保供給惠民生 扎實(shí)做好2014年能源工作——吳新雄在2014年全國(guó)能源工作會(huì)議上的講話［EB/OL］.國(guó)家能源局.http：//www.nea.gov.cn/2014-02/11/c_133105714.htm， 2014-01-13.

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