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        淺析電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電中的應(yīng)用

        2021-11-21 09:37:23王中晶
        電子制作 2021年20期
        關(guān)鍵詞:諧波發(fā)電補(bǔ)償

        王中晶

        (青島科技大學(xué),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(shù)可以幫助新能源發(fā)電解決大部分運(yùn)行的難題。

        1 電力電子技術(shù)以及新能源發(fā)電的內(nèi)容概述

        ■1.1 電子電力技術(shù)

        電力電子技術(shù)同時(shí)被稱作功率電子技術(shù),該技術(shù)大多被應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域,工作人員借助電力電子設(shè)備,對電子技術(shù)進(jìn)行有效控制與變換。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用過程中涉及了許多內(nèi)容,主要包括電力電子設(shè)備、系統(tǒng)控制和電力電子器件等等。電力電子技術(shù)可以幫助工作人員將不同的新能源轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的電能,對傳統(tǒng)應(yīng)用的電子信息技術(shù)進(jìn)行改善,從而對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。電力電子相關(guān)技術(shù)極大地促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,該技術(shù)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(shù)包含的基礎(chǔ)功能有智能控制、整流、斬波以及開關(guān)等。該技術(shù)運(yùn)用的主要原理為利用電網(wǎng)工頻的電能,有效轉(zhuǎn)變電能的相關(guān)用途與性質(zhì),從而幫助其適用于不同的電力裝置。電力電子技術(shù)的主要特點(diǎn)有五個(gè),第一個(gè)是集成度更高,第二個(gè)是全控化,第三個(gè)是高效化,第四個(gè)是高頻化,第五個(gè)是變流裝置的小型化。

        ■1.2 新能源發(fā)電

        由于全球經(jīng)濟(jì)化步伐的加快,各種傳統(tǒng)能源供不應(yīng)求,其儲量越來越少,同時(shí),由于部分燃料的燃燒會產(chǎn)生對大氣有害的溫室氣體,嚴(yán)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(yùn)行,可以有效解決孤島上的供電問題,避免資源的浪費(fèi)。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(yùn)行和維護(hù)的角度來看,新能源發(fā)電廠的建立不受地域的限制,風(fēng)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(zhì)電廠最好建立在大片農(nóng)田的附近,保證回收利用秸稈的方便性,都對電網(wǎng)的運(yùn)行與維護(hù)有一定的便利。

        2 電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電中應(yīng)用的意義

        ■2.1 降低能源損耗

        合理地應(yīng)用電力電子技術(shù)可以有效提高電能轉(zhuǎn)化的工作效率,同時(shí)該技術(shù)可以將大多數(shù)新能源例如風(fēng)能、水能、太陽能等等轉(zhuǎn)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(shù)的應(yīng)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(yùn)行時(shí)線路上的能量損耗?;陔娏﹄娮蛹夹g(shù)在新能源發(fā)電各個(gè)方面的優(yōu)勢看來,該技術(shù)的發(fā)展空間較大,為了將新能源的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高,對其轉(zhuǎn)化的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化并提升其穩(wěn)定性,降低能源在轉(zhuǎn)化以及電流運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的損耗,仍然需要在電力電子技術(shù)方面投入必要的人力和物力,加強(qiáng)對該技術(shù)的研究,促進(jìn)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(yīng)當(dāng)結(jié)合該技術(shù)在新能源發(fā)電中的具體情況進(jìn)行探究與實(shí)踐[1]。

        ■2.2 提高其穩(wěn)定性

        風(fēng)能是新能源領(lǐng)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(qiáng),為了增強(qiáng)能源的轉(zhuǎn)化率,需要提高風(fēng)電機(jī)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(rèn)識到感應(yīng)風(fēng)機(jī)的瞬態(tài)電壓在電網(wǎng)運(yùn)行中具有非常重要作用,但仍然需要進(jìn)一步完善該機(jī)制的應(yīng)用。而科學(xué)合理地應(yīng)用電力電子技術(shù)能夠幫助相關(guān)部門有效提高新能源應(yīng)用的穩(wěn)定性。目前相關(guān)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(yīng)的成果,但仍有需要改進(jìn)的地方,要求相關(guān)人員對出現(xiàn)的問題進(jìn)行更加深入的分析與探究,再采取切實(shí)可行的措施對其進(jìn)行針對性的改進(jìn)。除此之外,相關(guān)工作人員必須積極總結(jié)歸納電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電中應(yīng)用的共性問題,方便該技術(shù)提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性。

        3 電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電中的具體應(yīng)用

        ■3.1 靜止無功補(bǔ)償

        由于風(fēng)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(jìn)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(diào)整為有功功率的模式,能夠切實(shí)保障有功功率能夠穩(wěn)定地進(jìn)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(fù)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(jìn)行自主調(diào)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(dǎo)致了電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。而靜止無功補(bǔ)償器可以對無功功率進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)方式為控制相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通或進(jìn)行管斷,從而便于投切電抗器以及電容器。

        靜止無功補(bǔ)償器是電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電網(wǎng)中的典型具體應(yīng)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(shù)讓靜止無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備靈活地調(diào)節(jié)電壓與無功功率,一般該設(shè)備主要用于交流輸電的裝置之中,其目的是進(jìn)一步穩(wěn)定新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行,提高新能源的輸電能力。除此之外,由靜止無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)設(shè)備調(diào)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(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)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(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)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(jìn)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(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)裝置在正常情況下,是在電抗器特性飽和段進(jìn)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(guān)控制型以及相位控制型兩種。開關(guān)控制型的靜止無功補(bǔ)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(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行了觸發(fā),起到控制通過該設(shè)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(bǔ)償

        可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是利用串聯(lián)方式把無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)裝置接入運(yùn)行線路,從而對新能源電力系統(tǒng)進(jìn)行一定容量的無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù),該技術(shù)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(bǔ)償與補(bǔ)償這兩個(gè)階段進(jìn)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(yùn)行起到加強(qiáng)作用??煽厥綄ο鄳?yīng)的技術(shù)要求較高,其應(yīng)用的成本也較高。因此在實(shí)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(jié)合,從而降低運(yùn)行難度,保證新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

        ■3.3 變速恒頻控制

        變速恒頻是如今經(jīng)常運(yùn)用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的變化有著密不可分的關(guān)系,兩者相輔相成。在風(fēng)速改變的時(shí)候,風(fēng)力機(jī)會相應(yīng)地進(jìn)行變速運(yùn)行,能夠充分提高風(fēng)能的有效利用率。眾所周知,風(fēng)力非常不穩(wěn)定,風(fēng)力能源受氣候的影響時(shí)有時(shí)無,即便是有風(fēng)的情況,風(fēng)力的大小也會時(shí)強(qiáng)時(shí)弱,風(fēng)機(jī)扇葉所受到的風(fēng)力大小不同,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)充分利用電力電子的變換器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率,在其內(nèi)部進(jìn)行雙饋感應(yīng)電機(jī)的配置,同時(shí)加載多級的同步電機(jī),使其不再需要應(yīng)用傳統(tǒng)的變速箱,方便電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

        ■3.4 APF諧波治理

        使用電力電子技術(shù)的設(shè)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(shè)備的應(yīng)用導(dǎo)致諧波污染逐漸嚴(yán)重,單個(gè)電力電子設(shè)備所排放的諧波數(shù)量有限,屬于微諧波源,但整個(gè)電網(wǎng)之中大量微諧波源的存在則會導(dǎo)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(gè)用戶,電力部門可以直接在用戶端進(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)的治理模式。電力人員一般利用有源濾波器來實(shí)現(xiàn)用戶端的點(diǎn)對點(diǎn)治理。該模式是對諧波源的諧波電流進(jìn)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(jìn)行電流的抵消。而微諧波源的大面積分布給點(diǎn)對點(diǎn)治理帶來了諸多困難,其動態(tài)性較強(qiáng),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(shù)的使用會導(dǎo)致不同頻次諧波的產(chǎn)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(yàn)。APF的應(yīng)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(fù)載的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測,再通過內(nèi)部數(shù)字信號處理的精確計(jì)算,將其諧波成分提取出來,通過PWM信號將其傳送到內(nèi)部IGBT,控制逆變器會發(fā)出和負(fù)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(jìn)行補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)濾波的作用。電力電子技術(shù)大力推動了APF的飛速發(fā)展并促進(jìn)其廣泛應(yīng)用,APF在諸多實(shí)踐運(yùn)行之中逐漸將無源濾波器替換下來。

        4 結(jié)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(jī)越來越嚴(yán)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(shù)在新能源發(fā)電中具有重大意義,雖然該技術(shù)已經(jīng)在新能源發(fā)電上得到了一定的應(yīng)用,但仍需要提高對其的重視,充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢,為新能源發(fā)電的長遠(yuǎn)發(fā)展添磚加瓦。只有加強(qiáng)電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電中的廣泛應(yīng)用,才能夠保證我國新能源發(fā)電的穩(wěn)定、安全運(yùn)行,進(jìn)而達(dá)到緩解能源危機(jī)的目的。

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