可再生能源中的控制与电力电子技术

1能源形势与可持续发展能源，是人类生存的基本要素。也是国民经济和社会发展的主要物质基础，能源安全则是国家经济安全的基本支撑。能源短缺，尤其优质能源短缺，始终困扰着经济离速发展的中国，越来越成为制约我国经济发展的瓶颈。目前我国能源生产总置居世界第三，能源消费总量及温室气体排放仅次于美国位居世界第二。

2005年2月28日，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，从而莫定了我国可再生能源事业规划与发展的法律基础'通常，石油、天然气、煤炭等化石类能源称为一次性能源。不可再生，其开采、运输、储存、使用过程中存在不同程度的大气、环境污染及生态破坏，已严重危害人类的生存环境。而太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能等非化石类能源均于过程性能源。不仅可以再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏置巨大。

粤港关键领域重点突破项目（2004A10506003）相对其它能源形式，石油一类不可再生的优质能源。2004年我国石油总需求约2.8亿吨，其中进口约1.2亿吨，相当于两个半大庆油田的年产置，仅价格上涨因素就多支付近90亿元。实际上，随着经济的快速发展，我国已成为世界第二大能源消费国，能源消费置约占世界的11%，石油对外依存度超过40%.近年来国际油价的不断上涨，石油领域的竞争远远超出纯商业的范围，成为世界大国经济、军事、政治斗争的武器。世界排名前20位的西方大型国际石油跨国公司占有了全球已探明优质石油储量的81%，直接导致国际石油市场垄断的加剧，而且他们仍在继续凭借经济实力加紧抢占更多*重要的石油产地，中国的石油安全有受制于人的潜在威胁。实际上，为解决日益增长的能源需求，1993年，中国就开始了海外寻找石油的漫长征程，足迹遍及非洲、拉美、中东，截至2004年11月份，中国已与27个国家开展了石油开发的合作。

2004年，我国的能源总产量相当于17亿吨标准煤，其中煤炭占67%，石油22.7%，其余来自水电等。而美国能源消费中煤炭仅占12°/.，欧洲发达国家更少至5°/长期以煤炭为主的能源结构，使我国S02、C02、烟尘、固体废物的排放始终位于世界前列，其直接后果就是大气、水污染，造成地区甚至区域性的生态环境破坏。预计到2020年，我国能源消费将会达到30亿吨标准煤，如果维持年产40亿吨的开采置，目前已探明的煤炭储量仅能开采30年；当2050年我国达到中等发达国家水平时，能源消费需4552亿吨标准煤，相当于目前世界能源消费总量的60%，世界上没有任何一种能源能够满足这种规模的能源需求。何况我国油气资源不足、天然铀资源短缺、水电资源分布不均衡。2004年我国的GDP达到13.65万亿元，但同时超过20多个省市自治区出现了不同程度的电力短缺，万元GDP能耗为世界平均水平的2.3倍。

大力开发利用可再生能源，实现能源的可持续发展，功在当代、利在千秋，是改变我国当前极不合理的能源消费结构的必由之路。不少专家指出。解决我国能源短缺的根本出路在于发展可再生能源。

实际上，我国的可再生能源储置十分可观，技术可开发的水电资源达3.78亿千瓦时；大部分地区的年日照时间在2000小时以上；我国海岸线漫长，潮汐能资源达2亿千瓦时；每年可作为能源使用的秸轩达3亿吨以上。风能陆地理论可开发总量（lm高度）为32亿kW，实际可开发装机容量约2.53亿kW，仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位，是我国目前发电总置的1.3倍，海上可开发的风能资源达7.5亿kW，具商业化、规模化发展的潜力。

截止到2004年底，我国累计风电装机容量达到764MW，位居第十，太阳能电池累计安装0.065GWp.我国计划2020年风电装机容量突破2000万kW，太阳能电池累计安装达到10GWp，保守估计每年的风电建设市场容量至少保持在70亿元以上。

可持续能源发展的目的是发展，关键是可持续性。开发和利用以太阳能、风能为代表的各类可再生能源已成为人类解决生存问题的战略选择。也成为欧美发达国家*具创新能力和技术诀窍的经济领域之一。安装一台容量为1MW的风力发电机，全球可实际利用风能十分可观，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。截止到2004年底，全球累计风电装机容量已达47616MW，德国、西班牙、美国各以16628.8MW、8263MW、6740MW的装机容量位居世界前三名。另据统计。风电规横每增加一倍其电价就下降30°/，预计15年之后欧洲人口的一半将会使用风电，可望在2020年风能发电能够满足欧洲居民的全部用电需求。德国的风电设备制造业已经取代汽车制造业和造船业。

采600TW，这是**能够保证人类未来能源需求的能置来源。太阳能利用包括光伏发电、太阳能热发电、太阳能热水器、太阳房等利用方式，其中太阳能热水器已经实现大规模商业化生产和利用。截止到2003年底，全球太阳能热水器保有量约为12亿m2，其中中国约占40%：光伏发电累计装机3.15GWp：太阳能热发电累计装机50万lcWp，截止到2004年底时，全球太阳能电池的累计安装量已达3.99GWp，日本以12GWp安装*位居世界第。预计2030年全球太阳能电池的累计安装置将会达到920GWp，日本将达205GWp.太阳能电池转换效率也会由目前的6-38.9%上升到丨8~50%.2风力发电中的若干关键技术2.1风力发电机组的建风力发电机组是一个复杂的非线性对象，既要考虑空气动力学的问题，也要考虑机电能量转换过程。风速、转速、转矩、电压、电流、功率传递，各个物理量相互耦合、相互影响，建立精确的动态数学横型并非易事。考虑因素越多。系统阶次越高。

而且由于各种被考虑因素的动态响应相差很大，*后可能得到是一个发散的病态模型。如何得到一个合理、适用、易于设计控制器的风电机组简化横型，是目前风力发电中仍未得到妥善解决的研究课题。

从能量转换的过程来看，可将风电机组分为三部分：①风力机：将风能转化为机械能，理论*大转换效率59.3%；②发电机：将机械能转换为电能：③并网装置：将发电机产生的电能馈送到电网。

对风力机进行机械特性建模时。主要是考虑力的平衡关系，任意复杂的风力机系统都可以采用以下的运动方程式来表示：一系统的阻尼系数矩阵，一传动系统的刚度矩阵，F―合力（驱动力）向置矩阵，这些矩阵都是时变的。

建立以上系统运动方程所采用的方法主要有横态分析法和有限叶素理论法：横态分析法能够减少风力发电机组建横后的自由度，因此得到广泛应用：随着计算机的发展，数字处理的能力大大加强，有限叶素理论也受到了人们广泛的重视。

风力发电机组分为自治系统与并网运行两大类。自治系统又分为独立运行系统与互补运行系统。并网运行也分为单机并网与多机并网。

为研究独立运行风力发电系统的特性，*早采用的建横方法ft机理分析法，主要原理是从风力机系统内部的结构入手。对各环节的机理模型进行单独分析。选择适当的模型结构来模拟系统的特性，然后综合起来，得到风力机整机的机理模型。是为建立独立运行的风力机的横型所采用的结构框图，主要考虑的是机电平衡关系，可化为以下的表达式：风力发电机组的结构框图―包含系统非线性的矢置。y系统输出。

采用机理分析法建立的横型虽能反映系统动态过程的物理本质，但由于风力机系统的复杂性，在建立风力机的确定性部分的横型时，往往会忽略某些相对次要的因素，这种忽略有时是为了使建立的横型易于控制。有时则是因为对系统某方面的动态行为不够了解，被忽略的因素以不确定的形式来描述，因此机理横型往往与实际有一定偏差。风力机的不确定性因素主要来自以下几个方面：传感器和执行机构中的测置噪声、调节机构的动态特性、非线性元件以及系统未知的起始条件等。于是出现了试验测试法模型。即利用。*大输出功率跟踪控制采取调节电压使输出功率*大的原理，已发展了多种控制算法。早期的微扰观察法、增置电导法都是根据功率点的变化调节电压的增置式调节方法，在跟踪速度和精度方面都有缺陷。微分法虽可加快输出功率的搜索速廑，但易引起输出功率点的波动，精度受到影响。利用神经网络的自组织和自学习的特点来预测太阳能电池输出*大功率的状态，也可实现*大功率输出，但因影响太阳能电池输出功率的因素较多，用于训练神经网络的数据有一定的局限性。选择太阳能电池输出功率对电压的梯度作为开关函数，可用滑动模变结构控制实现输出功率*大跟踪控制。这种方法在对环境变化的控制鲁棒性、搜索速度和可实现性方面具有一定优势。滑动横控制的缺陷是在*大功率点附近存在颤震现象，采用基于Boltzmann函数的非线性控制可有效解决这个问题。

目前的搜索控制算法还不成熟，新算法还没有在实际系统中应用，寻求更为有效的具有适应能力和利用非线性控制的方法仍将是今后研究的重点。

此外，当日照强度、太阳能电磁表面附着物、空气湿度等外界条件发生变化时，太阳能电池输出*大功率点的端电压变化较大，将直接影响发电电压、功率输出等电能指标和太阳能发电控制装置的转换效率。因此固定的接线方式必须代之以在上述胗机因索下的*优接线方，即开展太阳能电池阵列的组态动态优化的研究。而目前，无论是国内还是国外还处于空白。

太阳能发电系统一般都要实现并网运行。以发挥其使用效率，因而必须对太阳能逆变器进行控制，使其电压、频率及相位与电网保持一致，对并网控制器提出了新的要求。

当光伏发电系统并网时，电网因故障事故或停电维修而断电时，太阳能并网发电系统若未能及时检测出停电状态而与市电分离，就会由太阳能并网发电系统和周围的负载形成一个自给式供电孤岛。随着光伏并网发电系统及其它分散式并网电源的增多，发生孤岛效应的概率也会越来越离，近年来在可再生能源发展较快的国家和地区引起了人们的广泛重视。孤岛效应对配电系统设备及终端用户设备都将造成影响。我国在电力系统中。“孤岛效应”是通过通讯方式，由电力系统的电力调度来解决这一问题，随着分散式可再生能源的大置使用，采用电力系统传统的通讯加电力调度显然不能完全解决这一问题，而我国目前在可再生能源并网发电系统的“孤岛效应”领域的研究几乎是空白。

4风力-太阳能混合发电系统控制问题利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力一太阳能混和发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间性不稳定所带来的可ft性低的缺陷，在一定程度上提供稳定可ft电能。各发电装置的合理协调运行，还可有效减少配置的蓄电池容置。

风力一太阳能混合发电系统结构原理图前面所列举的基本控制问题均底层单元控制范畴，而要构成一个优化运行的风光互补发电系统，还需有上层的能量管理，以实现风力太阳能发电的协调控制。互补发电系统各部分需按负荷要求、能源资源、气象条件等情况进行协调控制，目前的风光互补发电系统大多为两种发电装置及其储能设备的简单组合，尚缺乏进行蓄电池容量的优化匹配、蓄电池智能充放电控制、及互补发电系统混合协调控制的能置管理系统的研究和控制器实现，对于这样一个复杂的非线性系统采用横糊控制是一个有效的解决方案，但因影响因素较多，一般的横糊控制策略会面临糊组合规则爆炸的问题。基于各输出主要程度有区别，一些变量的耦合度不商的事实，采取分级横糊控制策略，将原来与输入变置个数成指数关系的控制规则数量降为成线性关系，较好的解决了组合规则的爆炸问题。横糊控制另一个难点是规则的制定和隶函数的选择，般依赖于专家的经验和知识，对于复杂系统，人为的选择往往缺乏准确性和系统性，基于遗传算法进行分模糊控制优化，能有效解决这些问题。

从结构上来看，风力一太阳能混合发电系统是个分布式的能置系统，其各组成部分都具备了单元控制的功能。因而将它们做为主体（Agent）。再加入若干管理Agent，从而构成一个分散式的苷能化能置管理系统。使之在负荷、风力、光照等外界条件发生变化时。进行协调控制实现*优调度策略，成为未来研究的一个热点。将风力与太阳能技术加以综合利用，从而构成一种互补、可控、优质、可分散布点的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。

5可再生能源发电中的电力电子技术可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代能源过渡。与前述控制技术同样重要的作为可再生能源应用的重要组成部分的电力变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题。可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。

S.1逆变并网控制装I可再生能源发电输出功率的并网主要采用针对双馈风力发电机组的矩阵式变换器联网和采用DCAC变换单元的联网方式。矩阵式变换器不需电容且有离的可靠性。但控制复杂。目前，可再生能源发电的并网多采用DCAC变换单元与电网连接，DCAC变换单元除了要保证并网所要求的电能品质和条件外，还要实现可再生能源发电技术的一些功能，如如风能*大捕获控制和太阳能*大功率输出跟踪控制等，要求其主电路拓扑结构具有有功、无功功率解耦可调，且有高的变换效率。

目前这方面的研究多篥中在电路拓扑方面，所采用的控制策略多为小偏差线性化下的P丨控制，对外界环境不具备鲁棒性。利用现代控制理论提高并网控制器性能已有一些成果。如采用非线性状态反馈线性化方法实现了线电流中的有功和无功分量的解耦控制，达到了提高动态性能的目的；在PI控制基础上，引入预测控制，也能改善控制器的动态性能。并可减小直流侧缓冲电容的容置；将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中。可实现低速下的可靠发电控制；基于自抗扰控制器原理的并网控制器，在动态性能和鲁棒性方面具有明显提高，且容易实现。

以上研究虽然得出了一些研究成果，但都是针对各个问铨分别解决，要得出实用性的技术成果，应将功率跟踪控制、功率因数控制和输出电流波形控制等问题综合考虑，研究出统一控制算法。

5.2太阳能充电控制为提高太阳能发电的稳定可靠性。需配备一定容量的蓄电池组。铅酸蓄电池组成本较离，且使用寿命有限，若使用不当，会严重影响寿命。蓄电池组的成本已成为影响太阳能光伏发电技术推广应用的一个主要障碍。

常规的充电方法，如恒流充电法、阶段充电法、恒压充电法、脉冲充电法等，都是基于蓄电池的充电特性曲线进行的，但充电控制精度易受外界环境影响，采用自适应搜索算法则能很好地兼顾蓄电池充电控制和太阳能电池*大功率跟踪控制。

S.3矩阵变换及控制矩阵式变换器是实现变速恒频控制的一个重要实现电力电子变流装置，具备同步速上、下运行时控制绕组所需的功率双向流动功能，其拓扑结构如：矩阵式变换器的拓扑结构9个双向开关排成3行3列矩阵，利用9个双向开关周期内的占空比来组成3行3列的开关调制矩阵，以决定矩阵变换器的变换关系。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、*大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法，借用传统交一直一交控制策略，将矩阵式变换器传递函数等效为“虚拟整流”和“虚拟拟变”两部分，由一个虚拟的直流环节将两部分联结，用空间矢置调制技术进行控制，在鲁棒性和实现性方面还优待提高。

目前国内外矩阵式变换器的研究工作尚未成熟，离实用化还有相当距离，关键原因是适用的双向开关尚未成熟和商品化，控制技术也有待发展。

5.4可再生能源中的谐波抑制可再生能源发电中多采用电力电子装置来控制转速，会给电网带来电力谐波，使功率因数恶化、电压波形畸变、增加线损合电磁干扰，随着可再生能源发电规横的增大，其给电网带来的电能质量问题越来越受到关注。

抑制谐波主要有两种方法：无源滤波和有源滤波。无源滤波利用电容和电感谐振的特点来抑制特定频率的高次谐波分置和提高功率因数，但存在体积大、滤波频率固定和会出现串/并谐振等缺陷，限制了其应用场合。近年来。有源滤波以其可补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功等一机多能的特点，成为一个研究热点，且在一些工业先进国家得到了大量应用。但在补偿性能、可靠性以及降低成本和损耗方面还有待进一步完善。

针对有源滤波器的强非线性和高实时性要求。

许多学者应用先进控制技术。如自适应辨识技术。以减少电流跟踪误差：基于有源滤波器中电力电子开关器件与滑动横切换变结构的本质互通性，将滑动横技术应用于有源滤波器控制，可使总谐波畸变率减少，且对参数摄动和外界干扰具有强鲁棒性；有源滤波器的非线性特性，尤其是开关器件的存在。使其精确建模十分困难。人工智能方法可有效解决复杂性与精确控制间的矛盾。如将模糊控制应用于开关器件占空比的优化和控制，能从开关本身特性出发，提高电流跟踪控制的动态品质；将人工神经网络技术应用于谐波电流和无功成分检测及开关控制，提高了控制精度和可实现性：另外。将自抗扰控制、遗传算法以及灰色预测理论等方法应用于有源滤波器的控制。也取得了有意义的结果。

以上研究成果虽然可实现对有源滤波器品质的改善，但远未成熟。另外，电源品质的改善应是综合性的多目标优化问题，应加强对统一电源品质调节器的研究。

*后，应当指出，作为应用于电力系统包括可再生能源发电系统中的电力电子装置。通常在整个系统中作为功率放大器或执行机构，当对发电系统进行建模与控制时，惯用的方法是将它们的动态略去，而用一个等价增益来表示。但为了提高电力电子装置本身的稳定性、抗干扰性和参数摄动及响应品质，需对其进行建模与控制。通常在dq轴上完成，于是现代控制技术中的各种控制算法都可以根据各种功率变换器建模特性和性能指标的要求而找到相应的应用场地。

6结束语我国严峻的能源形势与蕴藏大置的可再生能源形成了巨大反差。进入二十一世纪以来，我国政策和产业部门对开发利用新能源予以极大的关注。

可以预计。发展风电、光伏发电，中、小型风力一太阳能混合电站，各种大型风电场建设等。将很快形成国民经济的一个新的增长点。而伴随新能源产业化进程，以提高其运行品质和效率的控制与电力电子技术将会得到广泛的应用。*后，在我国可再生能源法颁布之际，谨撰写此文，以表拥护和响应。