2014年哈工大繼續(xù)教育電氣工程學(xué)習(xí)心得

黑龍江省2014年度專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育知識(shí)更新培訓(xùn)學(xué)習(xí)心得2014哈工大繼續(xù)教育電氣工程專業(yè)(可再生能源中能源變換與再生技術(shù))心得體會(huì)通過(guò)這段時(shí)間對(duì)可再生能源系統(tǒng)中的電能變換與控制技術(shù)的學(xué)習(xí)讓我了解到，能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。在20世紀(jì)的一次能源結(jié)構(gòu)中，主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。經(jīng)過(guò)人類數(shù)千年，特別是近百年的消費(fèi)，這些化石能源己近枯竭。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和社會(huì)生活水平的提高，未來(lái)世界能源消費(fèi)量將持續(xù)增長(zhǎng)，世界上的化石能源消費(fèi)總量總有一天將達(dá)到極限。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產(chǎn)生約1億噸溫室效應(yīng)氣體，己經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應(yīng)將融化兩極的冰山，這可能使海平面上升幾米，人類生活空間的四分之一將由此受到極大威脅。當(dāng)前人類文明的高度發(fā)達(dá)與地球生存環(huán)境的快速惡化己經(jīng)形成一對(duì)十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了嚴(yán)峻的命題和挑戰(zhàn)。針對(duì)以上情況，開(kāi)發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源結(jié)構(gòu)是人類必須采取的措施，使以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無(wú)限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。一、通過(guò)此次學(xué)習(xí)了解了幾種主要的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)：1、光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖1-1是一個(gè)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖1-1太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)由太陽(yáng)能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池或超級(jí)電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。光伏陣列除保證負(fù)載的正常供電外，將多余電能通過(guò)雙向直流變換器儲(chǔ)存到蓄電池或超級(jí)電容中;當(dāng)光伏陣列不足以提供負(fù)載所需的電能時(shí)，雙向直流變換器反向工作向負(fù)載提供電能。2、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電按照風(fēng)輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定分為定轉(zhuǎn)速運(yùn)行與可變速運(yùn)行兩種方式。按照發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)分，有異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁式發(fā)電機(jī)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等機(jī)型。風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、與其它發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行等。圖1-2一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)是高效、潔凈，無(wú)污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率可達(dá)40%-65%。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。圖1-3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4、混合能源發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源天然的互補(bǔ)性而構(gòu)成的風(fēng)力/太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)因風(fēng)能、太陽(yáng)能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來(lái)的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能。太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖從圖1-1-圖1-4可以看出，發(fā)電系統(tǒng)中都存在“變換器”和“逆變器”等環(huán)節(jié)，稱之為電力電子變換裝置。這些環(huán)節(jié)的功能是實(shí)現(xiàn)電能變換，即將由光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等發(fā)電元件產(chǎn)生的電能變換成可以并入電網(wǎng)或直接供給用電設(shè)備的電能。在電氣工程領(lǐng)域，作為可再生能源應(yīng)用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開(kāi)發(fā)也成為一個(gè)重要的研究課題，與之對(duì)應(yīng)的技術(shù)就是可再生能源發(fā)電中的電力電子（電能變換）技術(shù)。電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?？稍偕茉唇?jīng)光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等發(fā)電元件的能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生大小變化的直流電或頻率變化的交流電，需要電力電子變換器將電能進(jìn)行變換。在電能變換及并網(wǎng)（或獨(dú)立供電）的系統(tǒng)控制過(guò)程中，涉及到諸多技術(shù)。典型的電能變換技術(shù)主要有整流技術(shù)、斬波技術(shù)和逆變技術(shù)；典型的控制技術(shù)主要是逆變器的并網(wǎng)控制技術(shù)。上述技術(shù)中，電能形式的轉(zhuǎn)換及控制是核心技術(shù)，而光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電又是相對(duì)普遍和成熟的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的部分相應(yīng)問(wèn)題已在此前做過(guò)介紹，本專題重點(diǎn)討論風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變換技術(shù)，主要內(nèi)容包括：電能變換器的功能作用、電路結(jié)構(gòu)和電氣原理分析。二、通過(guò)學(xué)習(xí)了解了在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的整流技術(shù)、逆變技術(shù)和斬波技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的整流技術(shù)：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能饋送到電網(wǎng)上或者單獨(dú)向負(fù)載供電，期間能流轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，所涉及的變流（電能變換）技術(shù)主要有整流技術(shù)、斬波技術(shù)和逆變技術(shù)。在多數(shù)場(chǎng)合中，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中包含上述三種技術(shù)中的一種或幾種。1、不可控整流方案在直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)出口電壓的幅值和頻率總在變化，需要先通過(guò)整流電路將該交流信號(hào)變換成直流電，然后再經(jīng)過(guò)逆變器變換為恒頻恒壓的交流電連接到電網(wǎng)。但是在整流過(guò)程中，由于電力電子器件的作用使得發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)變低并且電流諧波增大，給發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。然而，由于該種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉；同時(shí)，不可控整流模塊的功率等級(jí)可以做到很大，技術(shù)瓶頸較小，因此在實(shí)際中仍得到了較為廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)前端采用不可控整流橋整流為直流，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后經(jīng)過(guò)變流器環(huán)節(jié)將電流送人電網(wǎng)。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，控制簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合于中小功率場(chǎng)合。2、多脈波不可控整流方案圖2-1不可控整流器與逆變器的直驅(qū)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可控整流方案的缺點(diǎn)在于交流側(cè)諧波含量大，降低了系統(tǒng)的效率，給系統(tǒng)帶來(lái)了不良影響。多脈波不可控整流技術(shù)可以顯著降低交流側(cè)的電流諧波，降低直流側(cè)的電壓脈動(dòng)，已經(jīng)在電源、變頻器等多種場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。3、三相單管整流方案不可控整流橋會(huì)向發(fā)電機(jī)注人大量的5次、7次、11次低頻諧波，電流的畸變率很大，約為10.68%。大量的諧波電流會(huì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量損耗，使發(fā)電機(jī)溫度上升，縮短發(fā)電機(jī)壽命，系統(tǒng)效率降低^因此，如果能使發(fā)電機(jī)輸出電流正弦化，減少電流諧波，就能減少發(fā)電機(jī)損耗，增加系統(tǒng)效率。三相單管整流方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、并聯(lián)無(wú)需均流等特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正（PowerFactorCoireclion，PFC)，因而受到廣泛關(guān)注。該電路可以調(diào)節(jié)整流器輸人端（即發(fā)電機(jī)輸出端）的電流波形，減少諧波失真，提髙功率因數(shù)，進(jìn)而減少發(fā)電機(jī)損耗，提高永磁發(fā)電機(jī)的有功功率輸出能力。直驅(qū)系統(tǒng)為全功率變換系統(tǒng)，隨著功率的逐步上升，就需要多個(gè)整流以及逆變環(huán)節(jié)并聯(lián)運(yùn)行。三相單管整流電路對(duì)直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行升壓穩(wěn)壓以及功率因數(shù)校正，由于其電流源特性，并聯(lián)時(shí)無(wú)需均流措施，應(yīng)用前景看好4、基于晶閘管的逆變方案系統(tǒng)中整流部分采用三相不可控整流，逆變器的開(kāi)關(guān)管采用晶閘管，并在網(wǎng)側(cè)并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。與自關(guān)斷型開(kāi)關(guān)管（如IGBT)相比，晶閘管技術(shù)成熟，成本低，功率等級(jí)高，可靠性高。在過(guò)去的幾十年中，相控強(qiáng)迫換相變流器用于髙壓直流輸電系統(tǒng)和變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。早期的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本都是采用晶閘管變流技術(shù)。但是，品閘管變流器工作時(shí)需要吸收無(wú)功功率，并且在電網(wǎng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流，為了滿足電網(wǎng)諧波的要求，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。由于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入功率變化范圍很大，因此補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率變化范圍也比較大。傳統(tǒng)的投切電容方式不夠靈活，系統(tǒng)需要電容量可調(diào)、響應(yīng)快速的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。通過(guò)檢測(cè)逆變器輸人端電壓、電流以及電網(wǎng)的電壓值，可以計(jì)算出補(bǔ)償系統(tǒng)的觸發(fā)延遲角。晶閘管逆變器成本低，輸人電網(wǎng)電流的諧波含量高，為了消除輸入電網(wǎng)的諧波電流，可以加入補(bǔ)償系統(tǒng)。補(bǔ)償系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜，但是容量比較大，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。為了更好地消除諧波，可以采用多脈波晶閘管等方法，但是會(huì)使系統(tǒng)成本有所增加。5、電壓源型PWM逆變方案電壓源型PWM逆變方案是當(dāng)前主要應(yīng)用的逆變方案，該方案的拓?fù)淙鐖D4-2所示，采用的結(jié)構(gòu)為三相全橋，開(kāi)關(guān)器件為全控型開(kāi)關(guān)器件，如IGBT、MOSFET等。圖4-2PWM逆變器拓?fù)鋱D6、電流源型逆變方案晶閘管具有成本低、功率等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，在早期的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用較多；但是晶閘管變流器工作時(shí)需要吸收無(wú)功功率，并且會(huì)在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生很大的諧波電流，必須增加補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)，這將增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性。全控型器件構(gòu)成逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)自換流，使輸出諧波大大減小，可以省去補(bǔ)償系統(tǒng)。不可控整流+電壓源型逆變器的結(jié)構(gòu)圖。由不可控整流得到的直流側(cè)電壓隨輸入而變化，通過(guò)全控型器件構(gòu)成電壓源型逆變器（VSI)，可以通過(guò)改變調(diào)制比來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓頻率和幅值恒定；這種拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，減小諧波污染，靈活調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率，從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG)的轉(zhuǎn)速，使其具有最大風(fēng)能捕獲的功能；缺點(diǎn)是不能直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，不可控整流會(huì)造成定子電流諧波含量較大，會(huì)增大發(fā)電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且當(dāng)風(fēng)速變化范圍較大時(shí)，VSI的電壓調(diào)節(jié)作用有限。與VSI相比較，電流源型逆變器（CSI)容易實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，由于直流側(cè)存在大電感，抗電流沖擊能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性更高，但是CSI容易受電網(wǎng)電壓變化的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，并且諧波問(wèn)題較大，功率因數(shù)低。因此，綜合成本、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素，電壓源型逆變器具有更大的優(yōu)勢(shì)，目前在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用較多。斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的是直流到直流的變換，直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用不可控整流方案的場(chǎng)合很多，此時(shí)發(fā)電機(jī)（通常采用永磁發(fā)電機(jī)）發(fā)出的三相電通過(guò)三相不可控整流橋整流后，再進(jìn)行逆變?nèi)缓蟛⒕W(wǎng)發(fā)電。但由于同步發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時(shí)輸出電壓較低，無(wú)法將能量回