新能源與可再生能源的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

0 引言
能源是支撐現代文明社會(huì )發(fā)展的主要物質(zhì)基礎之一，隨著(zhù)傳統礦物能源，如石油、煤炭等資源的日益耗盡，能源問(wèn)題成為人類(lèi)社會(huì )普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和必須解決的重大課題。
為了解決目前能源短缺問(wèn)題，世界各國為開(kāi)發(fā)和利用新能源投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。1981年聯(lián)合國召開(kāi)了世界新能源和可再生能源國際會(huì )議，提出以新技術(shù)和新材料為基礎，開(kāi)發(fā)新的可再生能源來(lái)取代資源有限、污染環(huán)境的化石能源，保持可持續發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境。
新能源和可再生能源在我國社會(huì )經(jīng)濟可持續發(fā)展中同樣具有重要作用，是我國能源發(fā)展的重要內容和組成部分。2005年第十屆全國人大常委會(huì )第十四次會(huì )議正式通過(guò)了《中華人民共和國可再生能源法》，將可再生能源的開(kāi)發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，從而奠定了我國可再生能源事業(yè)規劃與發(fā)展的法律基礎，2006年頒布的國家中長(cháng)期科技發(fā)展綱要和“十一五”科技發(fā)展計劃明確提出了國家能源研究和發(fā)展戰略，將這方面的研究納入國家863計劃等高新技術(shù)項目給予重點(diǎn)支持。
由于太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地熱能等非化石類(lèi)能源均屬于過(guò)程性能源，不僅可以再生，且清潔無(wú)污染或低污染，蘊藏量巨大。因此，國內外在新能源開(kāi)發(fā)和利用方面，將風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能電池和燃料電池等作為當前電氣工程重要的研究領(lǐng)域和發(fā)展方向，并且已取得了重要的進(jìn)展和成果。國內外的許多科學(xué)家預言，隨著(zhù)化石能源時(shí)代的終結和新文明的到來(lái)，在今后數十年內太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生的清潔能源將成為全世界的一種重要能源。所以，新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，是一項功在當代、利在千秋的新型事業(yè)。但是，新能源的應用仍存在許多問(wèn)題需要研究和解決。
本文主要論述功率變換裝置在新能源供電系統中的核心作用、電力電子變換技術(shù)與現代電源技術(shù)的融合，研究幾種電能混合供電方式，探討集成供電系統的電源變換、智能管理及安全控制等問(wèn)題，為未來(lái)新能源供電系統的應用提供科學(xué)依據和技術(shù)支持。

1 新能源發(fā)電方式
1.1 風(fēng)力發(fā)電
目前，風(fēng)力發(fā)電現已成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風(fēng)力發(fā)電通常有3種運行方式：
(1)獨立運行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機向一戶(hù)或幾戶(hù)提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)的用電；
(2)風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電力式(如柴油機發(fā)電)相結合的聯(lián)合供電方式，向交通不便的邊遠山村、沿海島嶼，或地廣人稀的草原牧場(chǎng)提供電；
(3)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電運行方式，安裝在有電網(wǎng)且風(fēng)力資源豐富地區，常常是一處風(fēng)場(chǎng)安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展力向。
風(fēng)力發(fā)電機組在不同風(fēng)速條件下工作時(shí)，其發(fā)電機輸出的電壓的幅值和頻率是變化的，因此需要配置電力電子功率變換器，通過(guò)功率變換器的換流控制，使輸出電壓達到恒壓恒頻的要求。功率變換器與風(fēng)力發(fā)電機的系統集成有兩種方案：直接輸出型風(fēng)力發(fā)電系統和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機系統。圖1給出了兩種風(fēng)力發(fā)電系統的結構。

1.2 太陽(yáng)能發(fā)電
自上世紀50年代第一塊實(shí)用的硅太陽(yáng)電池研制成功，太陽(yáng)能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個(gè)世紀的發(fā)展。目前占主流的太陽(yáng)電池仍然是硅太陽(yáng)電池，它又分單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池(總稱(chēng)晶體硅太陽(yáng)電池)和非晶硅太陽(yáng)電池。
典型的太陽(yáng)能供電系統結構如圖2所示，通過(guò)太陽(yáng)電池陣列的光電轉換，將太陽(yáng)能轉變成電能，再由功率變換器將太陽(yáng)電池輸出的直流電轉換成用戶(hù)所需的電源形式。根據用戶(hù)要求，功率變換器可以選擇直流斬波器進(jìn)行DC/DC變換，或采用逆變器進(jìn)行DC/DC變換。此外，功率變換裝置還應包括蓄電池系統，以平衡用電需求。當陽(yáng)光充足時(shí)，由太陽(yáng)電池供電，同時(shí)向蓄電池充電；當夜晚或陽(yáng)光稀少時(shí)，由蓄電池供電。變流器的電路結構如圖2所示。
1.3 燃料電池
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續發(fā)電。依據電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(S0FC)及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高，且具有潔凈、無(wú)污染、低噪聲，模塊結構、高功率比、可積木化及連續工作等特性。
燃料電池發(fā)電系統的結構如圖3所示，系統通過(guò)由直流斬波器與逆變器組成的功率變換裝置，使燃料電池的輸出電壓與用戶(hù)需求相匹配。

2 關(guān)鍵技術(shù)
利用新能源發(fā)電需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是電能的轉換、電能存儲、電能管理和電能質(zhì)量控制。其核心是采用電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)等，特別是上述技術(shù)的集成和融合。但是，長(cháng)期形成的學(xué)科體系和行業(yè)的條塊分割，成為制約新能源電力系統廣泛應用和發(fā)展的主要瓶頸之一。因此，特別需要通過(guò)學(xué)科交叉研究，開(kāi)發(fā)與新能源發(fā)電設備配套的電力電子功率變換器，通過(guò)系統集成形成產(chǎn)品，以方便用戶(hù)。
2.1 電能變換
眾所周知，新能源電力系統的共同特征是需要進(jìn)行電源變換，即通過(guò)電力變換裝置使發(fā)電設備輸出的電能在形式上與現有的用電設備的要求相匹配，在品質(zhì)上滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。如何采用電力電子開(kāi)關(guān)器件構造合適的電力變換裝置是解決上述問(wèn)題的根本出路。圖4給出了一個(gè)采用多電平逆變拓撲構成的組合式三相交流電源。

由于新能源電力系統中電能變換主要是依賴(lài)DC/DC變換和AC/DC變換兩種方式，因此，提高變流效率和功率密度顯得尤為重要。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減低開(kāi)關(guān)損耗、提高電流密度和轉換效率的有效手段，因此需要開(kāi)發(fā)基于軟開(kāi)關(guān)的變流器。
2.2 電能儲存
由于太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源受自然環(huán)境和氣候條件的影響較大，具有不穩定性和不確定性。為了提高電源質(zhì)量，應該在新能源發(fā)電系統中設置儲能裝置，以便在外部能源充足時(shí)儲存多余的電能，而在能源不足時(shí)提供電能。比如：風(fēng)力發(fā)電機可以通過(guò)電感儲能器存儲風(fēng)能，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。除了傳統的蓄電池和電感等儲能方式外，現代的儲能裝置有超級電容和飛輪等方式。
與電解電容相比，超級電容利用碳電板表面產(chǎn)生的雙層電極儲能，具有非常高的功率密度和實(shí)質(zhì)的能量密度。如今，超級電容功率密度可高達20kw/kg，充放電時(shí)間各為0.1～100分鐘。在過(guò)去幾年，這些器件已應用在消費電子、工業(yè)和汽車(chē)等許多領(lǐng)域。
飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪慣性存儲電能。如果與風(fēng)力發(fā)電機結合，可以在風(fēng)速很高時(shí)，帶動(dòng)飛輪高速旋轉；風(fēng)速降低時(shí)，飛輪驅動(dòng)發(fā)電機輸出電能。當前如何降低飛輪的摩擦損耗是提高儲能效率的關(guān)鍵，利用磁懸浮技術(shù)使飛輪轉軸穩定地懸浮于空間是一種有效的解決方案。預計飛輪儲能裝置將在國防、電力、交通等領(lǐng)域具有應用前景。
2.3 電能管理
電源管理系統(PMS)技術(shù)是提高電源效率和系統可靠性的新方法。PMS將智能控制和管理的思想引入電力系統，從發(fā)電、配電及用電等各個(gè)層次，對電能進(jìn)行分配、監測、控制、管理和安全保護等。其主要功能包括：
(1)電能分配；
(2)優(yōu)化控制；
(3)狀態(tài)監測；
(4)故障診斷；
(5)容錯控制。
實(shí)現上述功能的核心技術(shù)是：計算機技術(shù)，如數據庫、網(wǎng)絡(luò )通信、現場(chǎng)總線(xiàn)等；自動(dòng)控制技術(shù)，如過(guò)程監控、最優(yōu)化算法、容錯控制等；人工智能，如模式識別、專(zhuān)家系統、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法等。特別重要的是這些技術(shù)的融合，包括各種技術(shù)內部自身的融合，以及各種技術(shù)之間的融合。
例如：整個(gè)系統可以采用網(wǎng)絡(luò )化控制，通過(guò)三層網(wǎng)絡(luò )結構：底層采用現場(chǎng)總線(xiàn)和基于DSP的嵌入式控制器實(shí)現實(shí)時(shí)控制、數據采集和通信；中間層通過(guò)分布式計算機監控系統實(shí)現系統的狀態(tài)檢測、數據存儲、趨勢分析和故障報警等功能；上層采用人工智能技術(shù)構建智能PMS，實(shí)現負荷預測、電能分配、系統優(yōu)化和能量管理。在電源管理系統(PMS)方面，將在智能優(yōu)化及安全控制上有所突破。
2.4 電能質(zhì)量控制
近年來(lái)，隨著(zhù)大量非線(xiàn)性元器件的使用，特別是電力電子變流器的廣泛應用，造成了電網(wǎng)功率因數降低和諧波畸變等問(wèn)題。如何治理“電力公害”，提高電能質(zhì)量成為當前迫切需要解決的重要課題。電能質(zhì)量控制的主要研究?jì)热菔牵?BR> (1)電源諧波檢測和分析技術(shù) 諧波的測量和分析是實(shí)現諧波治理的前提條件，準確的諧波測量和分析能夠為諧波的治理提供良好的依據。自提出快速傅里葉變換算法(FFT)以來(lái)，基于傅里葉變換的諧波測量便得到了廣泛應用。然而基于傅里葉變換的諧波測量要求整周期同步采樣，否則會(huì )產(chǎn)生頻譜泄漏現象和柵欄效應。因此，如何減小因同步偏差而引起的測量誤差成了眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。
(2)電能質(zhì)量控制和管理 包括：功率因數校正和濾波器設計。由于傳統的無(wú)源濾波器體積和重量超大，日須針對不同的頻率進(jìn)行設計，功率因數校正(PFC)技術(shù)是提高功率因數和降低諧波污染的重要途徑。近年來(lái)，有源功率因數校正技術(shù)(APFC)已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F已從電路拓樸、控制策略發(fā)展到集成模塊，首先在單相PFC電路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本變換電路的專(zhuān)用或通用的PFC控制器。目前的研究重點(diǎn)在三相PFC控制技術(shù)上，比如：?jiǎn)伍_(kāi)關(guān)、多開(kāi)關(guān)以及軟升關(guān)三相PFC電路的研制。特別是，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與PFC技術(shù)的融合是發(fā)展的新趨勢。雖然，目前PFC產(chǎn)品受到功率的限制，但應用于分布式新能源發(fā)電系統卻是重要機遇。

3 發(fā)展趨勢
3.1 混合供電系統
新能源作為電力系統未來(lái)的發(fā)展方向是：采用幾種新能源發(fā)電方式組成混合供電系統，混合供電系統可以選擇風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能電池組合，或太陽(yáng)能與燃料電池組合，也可以將三者組合在一起。另一種混合方式是，利用燃料電池的產(chǎn)生的廢氣或熱量，帶動(dòng)發(fā)電機組成混合電力系統。圖5所示為混合發(fā)電系統結構。

在混合供電系統的研究中，主要研究太陽(yáng)能、風(fēng)力以及燃料電池系統的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。通過(guò)并網(wǎng)輸出電壓電流的控制方案的優(yōu)化，運用電流預估計原理使輸出性能得到提高；獲得最大的效率；通過(guò)軟件鎖相使輸出電流同步跟蹤電網(wǎng)電壓相位；并具有保護和監控等功能，保征了光伏并網(wǎng)發(fā)電的安全運行。
3.2 分布式電源
圖6為由混合發(fā)電裝置構成的分布式電力系統。這種分布式供電方式將是未來(lái)電力系統發(fā)展方向。這種分布式電源，可以達到節能和環(huán)保的目的。

4 結語(yǔ)
綜上所述，新能源電力系統雖然已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但是，要把美好的理想變?yōu)楝F實(shí)，真正實(shí)現其廣泛的商業(yè)應用還有許多問(wèn)題亟待解決。這既需要在物理、化學(xué)、材料等基礎學(xué)科領(lǐng)域的聯(lián)合攻關(guān)，以進(jìn)一步提高能源轉換效率和降低成本；史為重要的是需要在電氣、電子、控制和信息等工程技術(shù)領(lǐng)域合作研究，以實(shí)現各種電能之間便捷有效的轉換、存儲、傳輸、利用和管理。因此，打破學(xué)科界限，通過(guò)系統集成和技術(shù)融合，我們一定能夠電服各種閑難，迎來(lái)新能源造福人類(lèi)的燦爛明天。