2014年哈工大繼續(xù)教育電氣工程學習心得

黑龍江省2014年度專業(yè)技術人員繼續(xù)教育知識更新培訓學習心得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)心得體會通過這段時間對可再生能源系統(tǒng)中的電能變換與控制技術的學習讓我了解到，能源是人類經(jīng)濟及文化活動的動力來源。在20世紀的一次能源結構中，主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。經(jīng)過人類數(shù)千年，特別是近百年的消費，這些化石能源己近枯竭。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加和社會生活水平的提高，未來世界能源消費量將持續(xù)增長，世界上的化石能源消費總量總有一天將達到極限。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了嚴重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產(chǎn)生約1億噸溫室效應氣體，己經(jīng)造成極為嚴重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應將融化兩極的冰山，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。當前人類文明的高度發(fā)達與地球生存環(huán)境的快速惡化己經(jīng)形成一對十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了嚴峻的命題和挑戰(zhàn)。針對以上情況，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源結構是人類必須采取的措施，使以資源有限、污染嚴重的石化能源為主的能源結構將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結構。一、通過此次學習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是一個太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖1-1太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)由太陽能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池或超級電容和并網(wǎng)逆變器構成。光伏陣列除保證負載的正常供電外，將多余電能通過雙向直流變換器儲存到蓄電池或超級電容中;當光伏陣列不足以提供負載所需的電能時，雙向直流變換器反向工作向負載提供電能。2、風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電按照風輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速是否恒定分為定轉(zhuǎn)速運行與可變速運行兩種方式。按照發(fā)電機的結構區(qū)分，有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁式發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機和開關磁阻發(fā)電機等機型。風力發(fā)電運行方式可分為獨立運行、并網(wǎng)運行、與其它發(fā)電方式互補運行等。圖1-2一種風力發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖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能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置。燃料電池發(fā)電最大的優(yōu)勢是高效、潔凈，無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率可達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)燃機的動力裝置。圖1-3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖4、混合能源發(fā)電系統(tǒng)利用風能資源和太陽能資源天然的互補性而構成的風力/太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補因風能、太陽能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能。太陽能光伏制氫儲能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖1-4所示。圖1-4太陽能光伏制氫儲能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖從圖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)的功能是實現(xiàn)電能變換，即將由光伏電池、風力發(fā)電機、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)或直接供給用電設備的電能。在電氣工程領域，作為可再生能源應用的重要組成部分的電力電子變換裝置的研究與開發(fā)也成為一個重要的研究課題，與之對應的技術就是可再生能源發(fā)電中的電力電子（電能變換）技術。電力電子技術作為可再生能源發(fā)電技術的關鍵，直接關系到可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展?？稍偕茉唇?jīng)光伏電池、風力發(fā)電機、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行變換。在電能變換及并網(wǎng)（或獨立供電）的系統(tǒng)控制過程中，涉及到諸多技術。典型的電能變換技術主要有整流技術、斬波技術和逆變技術；典型的控制技術主要是逆變器的并網(wǎng)控制技術。上述技術中，電能形式的轉(zhuǎn)換及控制是核心技術，而光伏發(fā)電和風力發(fā)電又是相對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)的部分相應問題已在此前做過介紹，本專題重點討論風力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子變換技術，主要內(nèi)容包括：電能變換器的功能作用、電路結構和電氣原理分析。二、通過學習了解了在風力發(fā)電系統(tǒng)中的整流技術、逆變技術和斬波技術。風力發(fā)電系統(tǒng)中的整流技術：風力發(fā)電系統(tǒng)中，風能轉(zhuǎn)換為電能饋送到電網(wǎng)上或者單獨向負載供電，期間能流轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是機械能到電能的轉(zhuǎn)換，所涉及的變流（電能變換）技術主要有整流技術、斬波技術和逆變技術。在多數(shù)場合中，整個風力發(fā)電系統(tǒng)中包含上述三種技術中的一種或幾種。1、不可控整流方案在直接驅(qū)動型風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機出口電壓的幅值和頻率總在變化，需要先通過整流電路將該交流信號變換成直流電，然后再經(jīng)過逆變器變換為恒頻恒壓的交流電連接到電網(wǎng)。但是在整流過程中，由于電力電子器件的作用使得發(fā)電機側功率因數(shù)變低并且電流諧波增大，給發(fā)電機正常運行帶來了不利影響。然而，由于該種方案結構簡單，可靠性高，成本低廉；同時，不可控整流模塊的功率等級可以做到很大，技術瓶頸較小，因此在實際中仍得到了較為廣泛的應用。該系統(tǒng)前端采用不可控整流橋整流為直流，將風力發(fā)電機發(fā)出的變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后經(jīng)過變流器環(huán)節(jié)將電流送人電網(wǎng)。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，控制簡單，成本低廉等優(yōu)點，適合于中小功率場合。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)結構不可控整流方案的缺點在于交流側諧波含量大，降低了系統(tǒng)的效率，給系統(tǒng)帶來了不良影響。多脈波不可控整流技術可以顯著降低交流側的電流諧波，降低直流側的電壓脈動，已經(jīng)在電源、變頻器等多種場合得到了廣泛應用。3、三相單管整流方案不可控整流橋會向發(fā)電機注人大量的5次、7次、11次低頻諧波，電流的畸變率很大，約為10.68%。大量的諧波電流會在發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生大量損耗，使發(fā)電機溫度上升，縮短發(fā)電機壽命，系統(tǒng)效率降低^因此，如果能使發(fā)電機輸出電流正弦化，減少電流諧波，就能減少發(fā)電機損耗，增加系統(tǒng)效率。三相單管整流方案具有結構簡單、控制容易、并聯(lián)無需均流等特點，同時可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正（PowerFactorCoireclion，PFC)，因而受到廣泛關注。該電路可以調(diào)節(jié)整流器輸人端（即發(fā)電機輸出端）的電流波形，減少諧波失真，提髙功率因數(shù)，進而減少發(fā)電機損耗，提高永磁發(fā)電機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，就需要多個整流以及逆變環(huán)節(jié)并聯(lián)運行。三相單管整流電路對直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機進行升壓穩(wěn)壓以及功率因數(shù)校正，由于其電流源特性，并聯(lián)時無需均流措施，應用前景看好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，逆變器的開關管采用晶閘管，并在網(wǎng)側并聯(lián)電容器進行無功功率補償。與自關斷型開關管（如IGBT)相比，晶閘管技術成熟，成本低，功率等級高，可靠性高。在過去的幾十年中，相控強迫換相變流器用于髙壓直流輸電系統(tǒng)和變速驅(qū)動系統(tǒng)中。早期的并網(wǎng)風力發(fā)電機組基本都是采用晶閘管變流技術。但是，品閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且在電網(wǎng)側會產(chǎn)生很大的諧波電流，為了滿足電網(wǎng)諧波的要求，必須對系統(tǒng)進行補償。由于變速恒頻風力發(fā)電機組輸入功率變化范圍很大，因此補償?shù)臒o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)、響應快速的無功功率補償裝置。通過檢測逆變器輸人端電壓、電流以及電網(wǎng)的電壓值，可以計算出補償系統(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，可以加入補償系統(tǒng)。補償系統(tǒng)的控制比較復雜，但是容量比較大，這會增加系統(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逆變方案是當前主要應用的逆變方案，該方案的拓撲如圖4-2所示，采用的結構為三相全橋，開關器件為全控型開關器件，如IGBT、MOSFET等。圖4-2PWM逆變器拓撲圖6、電流源型逆變方案晶閘管具有成本低、功率等級高等優(yōu)點，在早期的并網(wǎng)風力發(fā)電機組中使用較多；但是晶閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且會在電網(wǎng)側產(chǎn)生很大的諧波電流，必須增加補償系統(tǒng)對其進行諧波抑制和無功功率補，這將增加系統(tǒng)的成本和控制的復雜性。全控型器件構成逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)自換流，使輸出諧波大大減小，可以省去補償系統(tǒng)。不可控整流+電壓源型逆變器的結構圖。由不可控整流得到的直流側電壓隨輸入而變化，通過全控型器件構成電壓源型逆變器（VSI)，可以通過改變調(diào)制比來實現(xiàn)并網(wǎng)電壓頻率和幅值恒定；這種拓撲可以進一步提高開關頻率，減小諧波污染，靈活調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無功功率，從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機（PMSG)的轉(zhuǎn)速，使其具有最大風能捕獲的功能；缺點是不能直接調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應較慢，不可控整流會造成定子電流諧波含量較大，會增大發(fā)電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動，并且當風速變化范圍較大時，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)容易實現(xiàn)能量的雙向流動，由于直流側存在大電感，抗電流沖擊能力強，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，動態(tài)響應較慢，并且諧波問題較大，功率因數(shù)低。因此，綜合成本、效率和動態(tài)響應等因素，電壓源型逆變器具有更大的優(yōu)勢，目前在小型風力發(fā)電機組中使用較多。斬波技術實現(xiàn)的是直流到直流的變換，直接驅(qū)動型風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用不可控整流方案的場合很多，此時發(fā)電機（通常采用永磁發(fā)電機）發(fā)出的三相電通過三相不可控整流橋整流后，再進行逆變?nèi)缓蟛⒕W(wǎng)發(fā)電。但由于同步發(fā)電機在低風速時輸出電壓較低，無法將能量回