新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势

摘要：主要研究了开发新能源与可再生能源的关键技术，提出了电力电子变换、电能存储、电能管理与电能质量控制在新能源供电系统中的核心作用。着重探讨几种电能混合供电发电和分散供电方式，以及集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题，并展望新能源供电系统的应用前景。
关键词：电力电子与电力传动；电能变换；能量管理系统；电能质量控制

0 引言
    能源是支撑现代文明社会发展的主要物质基础之一，随着传统矿物能源，如石油、煤炭等资源的日益耗尽，能源问题成为人类社会普遍关注的焦点和必须解决的重大课题。
    为了解决目前能源短缺问题，世界各国为开发和利用新能源投入了大量的人力和物力进行研究。1981年联合国召开了世界新能源和可再生能源国际会议，提出以新技术和新材料为基础，开发新的可再生能源来取代资源有限、污染环境的化石能源，保持可持续发展和保护生态环境。
    新能源和可再生能源在我国社会经济可持续发展中同样具有重要作用，是我国能源发展的重要内容和组成部分。2005年第十届全国人大常委会第十四次会议正式通过了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，从而奠定了我国可再生能源事业规划与发展的法律基础，2006年颁布的国家中长期科技发展纲要和“十一五”科技发展计划明确提出了国家能源研究和发展战略，将这方面的研究纳入国家863计划等高新技术项目给予重点支持。
    由于太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅可以再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。因此，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并且已取得了重要的进展和成果。国内外的许多科学家预言，随着化石能源时代的终结和新文明的到来，在今后数十年内太阳能、风能等可再生的清洁能源将成为全世界的一种重要能源。所以，新能源和可再生能源的开发利用，是一项功在当代、利在千秋的新型事业。但是，新能源的应用仍存在许多问题需要研究和解决。
    本文主要论述功率变换装置在新能源供电系统中的核心作用、电力电子变换技术与现代电源技术的融合，研究几种电能混合供电方式，探讨集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题，为未来新能源供电系统的应用提供科学依据和技术支持。

1 新能源发电方式
1.1 风力发电
    目前，风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行方式：
    (1)独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；
    (2)风力发电与其他发电力式(如柴油机发电)相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场提供电；
    (3)并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展力向。
    风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1给出了两种风力发电系统的结构。

1.2 太阳能发电
    自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。
    典型的太阳能供电系统结构如图2所示，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/DC变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。变流器的电路结构如图2所示。
1.3 燃料电池
    燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(S0FC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有洁净、无污染、低噪声，模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。
    燃料电池发电系统的结构如图3所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。

2 关键技术
    利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究，开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产品，以方便用户。
2.1 电能变换
    众所周知，新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路。图4给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。

    由于新能源电力系统中电能变换主要是依赖DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。软开关技术是减低开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段，因此需要开发基于软开关的变流器。
2.2 电能储存
    由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。比如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。
    与电解电容相比，超级电容利用碳电板表面产生的双层电极储能，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。如今，超级电容功率密度可高达20kw/kg，充放电时间各为0.1～100分钟。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。
    飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。如果与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁悬浮技术使飞轮转轴稳定地悬浮于空间是一种有效的解决方案。预计飞轮储能装置将在国防、电力、交通等领域具有应用前景。
2.3 电能管理
    电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括：
    (1)电能分配；
    (2)优化控制；
    (3)状态监测；
    (4)故障诊断；
    (5)容错控制。
    实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。
    例如：整个系统可以采用网络化控制，通过三层网络结构：底层采用现场总线和基于DSP的嵌入式控制器实现实时控制、数据采集和通信；中间层通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；上层采用人工智能技术构建智能PMS，实现负荷预测、电能分配、系统优化和能量管理。在电源管理系统(PMS)方面，将在智能优化及安全控制上有所突破。
2.4 电能质量控制
    近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电力公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。电能质量控制的主要研究内容是：
    (1)电源谐波检测和分析技术 谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法(FFT)以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。因此，如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。
    (2)电能质量控制和管理 包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正(PFC)技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术(APFC)已成为电力电子领域的研究热点。现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相PFC电路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软升关三相PFC电路的研制。特别是，软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。

3 发展趋势
3.1 混合供电系统
    新能源作为电力系统未来的发展方向是：采用几种新能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起。另一种混合方式是，利用燃料电池的产生的废气或热量，带动发电机组成混合电力系统。图5所示为混合发电系统结构。

    在混合供电系统的研究中，主要研究太阳能、风力以及燃料电池系统的并网发电技术。通过并网输出电压电流的控制方案的优化，运用电流预估计原理使输出性能得到提高；获得最大的效率；通过软件锁相使输出电流同步跟踪电网电压相位；并具有保护和监控等功能，保征了光伏并网发电的安全运行。
3.2 分布式电源
    图6为由混合发电装置构成的分布式电力系统。这种分布式供电方式将是未来电力系统发展方向。这种分布式电源，可以达到节能和环保的目的。

4 结语
    综上所述，新能源电力系统虽然已经取得了突破性进展，但是，要把美好的理想变为现实，真正实现其广泛的商业应用还有许多问题亟待解决。这既需要在物理、化学、材料等基础学科领域的联合攻关，以进一步提高能源转换效率和降低成本；史为重要的是需要在电气、电子、控制和信息等工程技术领域合作研究，以实现各种电能之间便捷有效的转换、存储、传输、利用和管理。因此，打破学科界限，通过系统集成和技术融合，我们一定能够电服各种闲难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。