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译文

电力电子、智能电网和可再生能源系统

摘 要

本文主要介绍电力电子技术及其应用，重点介绍可再生能源系统和智能电网。现代电力电子技术的出现给电力系统带来了巨大的影响，除了通常的工业应用，以提高生产力。电力电子可能是现代智能电网和可再生能源系统中最重要的元素。本文将讨论现代电力半导体器件以及电力电子在节能、电动汽车、可再生能源系统和电网储能方面的应用。最后，将回顾智能电网的基本要素。

关键词 能量；储能；电力电子；可再生能源系统；智能电网

一、 导言

电力电子、智能电网和可再生能源系统构成了本期专题介绍性论文的基本内容。如今，能源和环境问题极其重要，几乎所有人都在谈论这些问题。众所周知，Bell实验室的Shockley、Bardeen和Brattain于1948年发明了晶体管，从而开创了固态电子的现代时代或“第一次电子革命”。1956年，该实验室还发明了晶闸管（也称为P-N-P-N晶体管），并于1958年被GE商业化。这开启了现代电力电子集成电路时代，通常被称为“第二次电子革命”。然后逐渐出现了集成电路（IC）、微型计算机、数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）。现代电力电子技术的出现对能源系统产生了重大影响。

自21世纪初以来，由于电力电子技术在社会中的巨大影响，我们目睹了一场工业革命。诚然，我们可以将21世纪定义为电力电子应用的黄金时代。它对开发各种可再生能源（如风能、光伏和海洋能源系统）、运输系统中的变速驱动装置（如电动和混合动力汽车、船舶推进装置等）、大宗储能系统（如电池、飞轮等）、电气系统中的节能应用带来了巨大影响，高效能源系统[如高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电系统（FACTS）、静态无功补偿器（SVC）、不间断电源系统（UPS）]等，除了在提高生产力的工业自动化中的常见作用外。其中许多应用都属于新兴的智能电网系统。随着能源价格的上涨和环境法规的收紧，电力电子应用将在工业、商业、住宅、运输、航空航天、军事和公用事业系统的任何地方激增。据美国电力研究所（EPRI）估计，目前美国70%以上的电能通过电力电子设备传输，最终将增长到100%。电力电子技术在这个新时代的作用将与计算机、通信和信息技术一样重要。

本文旨在对电力电子技术及其在智能电网和可再生能源系统中的应用进行简单而全面的综述。这将有助于读者对特刊有一个背景和动机，并成功地推出先进的专业论文。

二 电力电子设备

什么是电力电子？为什么它在今天如此重要？电力电子技术使用在开关模式下工作的电力半导体器件来转换和控制电力。转换可能涉及ac到dc（整流）、dc到ac（逆变）、dc到dc（降压、升压或降压-升压）以及ac到ac（可能是变频器或电压控制器）（频率相同）。频率变换可以通过交交变频器（一级变换）、直流链路或高频交流链路完成。

在过去的一个世纪里，自汞弧整流器发明以来，电力电子技术已经发展成为一项庞大、复杂和多学科的技术。电力电子领域的专业工程师应具有多个学科的深入知识，如图1所示。这些是功率半导体器件、转换器电路、电机、电力系统、模拟和数字控制电子器件、微处理器和DSP、FPGA、ASIC（专用IC）、复杂控制理论以及计算机辅助设计和仿真技术。对无源元件（如电感器、电容器和变压器）和电磁干扰（EMI）以及专业设计、制造和测试技术的了解非常重要。近年来，专家系统、模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法（或进化计算）等人工智能技术的出现，推动了电力电子技术的发展。随着新智能电网时代的到来，电力电子技术已成为电力工程的高科技前沿。图1中的每一种学科技术都在快速发展，因此给电力电子工程师带来了挑战。

功率半导体器件是现代电力电子器件的核心。随着现代尖端功率半导体器件的出现，力电子变换器的性能越来越高，效率接近100%。功率半导体器件的发展可概括如下[2]、[12]：

bull;二极管（1955年）

bull;晶闸管（1958）bull;Triac（1958）

bull;门极关断晶闸管（GTO）（1958年）

bull;双极功率或结型晶体管（BPT或BJT）（1975年）

bull;功率MOSFET（1975年）

bull;绝缘栅双极晶体管（IGBT）（1985年）

bull;集成门极换向晶闸管（IGCT）（1996）bull;宽带隙器件：SiC（2008）和GaN（2010）

括号中注明了商业引入年份。除宽禁带外，所有器件均基于硅。GTO和BJT设备已过时，尽管现有设备可能有其用途。现代固态电力电子时代始于晶闸管和双向晶闸管，它们是相控线路换相装置。这些设备会产生谐波、EMI和滞后功率因数，从而导致线路电能质量问题。尽管晶闸管广泛应用于大功率高压直流输电系统和大负载换相逆变器（LCI）同步电机驱动中，但相位控制装置正逐渐面临老化。功率MOSFET是低压、低功率和高频应用中的首选器件。IGCT基本上是一种硬驱动GTO，通常用于直接转矩和磁通控制（DTC）驱动器。IGBT的发明是电力半导体器件发展史上的一个重要里程碑。目前，它已成为中功率（数千瓦）到大功率应用的通用设备。

我们现在正迎来一个新的宽带隙功率半导体器件时代，如SiC和GaN。与硅相比，这些器件具有高击穿电场、高电导率和高热导率。这些特性允许更高的电压和功率容量、更高的开关频率、更低的导电降、更高的结温和更好的辐射硬度，尽管材料的加工很困难。这些设备将带来电力电子技术的复兴，尤其是在高功率方面。这些将在智能电网和可再生能源系统中得到广泛应用。SiC基肖特基势垒二极管（650V/50A和1200V/60A）、MOSFET（1200V/150A全桥和1700V/350A半桥模块）、混合JFET（3.3 kV/12A，带Si-MOSFET（60V）共源共栅开关）、JBS（结势垒肖特基）二极管、PIN二极管（高达15 kV）和IGBT样品（高达15 kV）已经上市。最近，GaN器件（650V/60A功率MOSFET、肖特基二极管和混合JFET）被引入，具有比SiC更低的导通降和更高的开关频率。

电力电子技术[1]、[2]的应用覆盖了工业、商业、住宅、运输、航空航天、军事和公用事业系统的广泛领域，随着电力电子技术变得更便宜、更可靠和模块化，这些领域正在不断扩大。图2示出了一些关键应用领域。

来自交流线路或直流电源的直流开关电源（SMP）通常用于各种电子IC设备中。交流稳压电源的一个例子是UPS系统。电化学过程，如电镀、阳极氧化、化学气体生产、金属精炼和金属还原，需要直流电源，直流电源通常由交流整流。加热、照明和电子焊接控制可能基于电力电子技术。基于电力电子技术的现代静态无功补偿器（SVC、SVG或STATCOM）有助于改善系统功率因数和母线电压控制。这些是现代事实的关键要素。有源谐波滤波器（AHF）用于滤除二极管和晶闸管变流器产生的谐波。现代HVDC系统长距离传输电力，或将两个频率不同的系统连接在一起。最近，利用高频链路系统开发了用于直流-直流和交流-交流功率转换的固态变压器（SST）。光伏（PV）阵列和燃料电池产生直流电，直流电转换为交流电，用于电网或自治系统。固态直流和交流断路器以及高频感应和介质加热被广泛使用。诸如电池和飞轮等储能系统依赖于电力电子技术，稍后将进一步讨论。直流和交流电机驱动器可能构成电力电子应用的最大领域，例如：运输驱动器（电动/混合动力汽车、地铁、机车、电梯、船舶等）、家用电器、造纸和纺织厂、变速空调和热泵、辊轧和水泥磨、泵和压缩机、风力发电系统、，等等。让我们讨论一些节能和解决环境问题特别重要的应用领域[7]–[10]。

1） 节能：节约能源可以节约电力成本，减少化石燃料发电厂的发电量，从而减少环境污染[8]。如前所述，电力电子设备在一般能量处理应用中具有固有的高效率。这里将讨论一些其他节能应用。在美国和其他一些西方国家，电网能源的很大一部分（60%或更多）消耗在电机驱动中，其中75%通常是用于控制流体流量的泵、风扇和压缩机类型驱动。在此类应用中，与采用可变油门控制的传统恒速电机方法相比，可变电压变频电机速度控制在轻载时可节省约20%的能量。同样，通过对电机进行磁通编程，可以进一步提高驱动效率。基于电力电子技术的变速空调/热泵负载比例速度控制可将效率提高20%。与传统的柴油涡轮驱动相比，柴油电力船舶推进中的变频电机驱动可以节省可观的燃油量。与传统白炽灯相比，基于电力电子技术的紧凑型荧光灯（CFL）和新兴的固态LED灯消耗的能源更少，寿命更长。通过提高发电、输电、配电和利用电能的效率，可以节省电网中的大量能源。据估计，通过电力电子技术和其他使用当前技术的方法广泛提高效率，可以节省多达20%的全球能源需求，而仅通过防止能源浪费（这在像美国这样的富裕国家很常见）就可以节省20%。

2） 电动汽车：石油短缺和环境污染控制是电动汽车和混合动力汽车研究和应用的主要动机。用电动汽车/混合动力汽车代替内燃机车也可以节约能源。然而，为电池充电的电力必须由清洁的可再生能源产生，如风能或光伏系统。否则，如果用化石燃料发电，城市污染将转化为发电站污染。类似地，在基于燃料电池的电动汽车中，清洁可再生能源可用于发电，产生燃料氢气。电动汽车驱动系统【13】如图3所示，其中电池为储能装置。直流电通过基于IGBT的PWM逆变器转换为变频可变电压电源，该逆变器驱动IPM（内部永磁）同步电机（或者可以使用感应电机）。采用钕铁硼（NdFeB）磁体的IPM电机效率高、体积小、磁场弱

在HEV中，EV模式由ICE模式辅助，以在电池容量有限的情况下提供更高的功率和更长的续航里程。在电动汽车驱动中，主要问题是电池价格昂贵、体积大、重量大、循环寿命有限，充电需要相当长的时间。目前，从各个方面考虑，锂离子电池是最好的。市场上有许多电动汽车和混合动力汽车可供商业使用，更多的处于开发阶段。预计未来电动汽车市场将有相当大的增长。然而，目前页岩油供过于求阻碍了这一增长。其他以化石燃料为基础的运输（铁路、船舶等）可以用电力运输代替。像日本那样推广大规模电力运输将缓解气候变化问题。

3） 可再生能源系统：全球能源需求的很大一部分可以通过推广环境清洁的可再生能源来满足。整个世界现在正朝着这个方向发展。与化石和核能源不同，可再生能源不会随着使用而耗尽。可再生能源的主要类型有水力发电、风能、太阳能（光热和光伏）、生物燃料、地热、波浪和潮汐，这些都是环境清洁且自然丰富的。生物燃料是环境中性的，因为植物在生长时吸收二氧化碳，但在燃烧时排放二氧化碳。由于这些原因，现在人们非常重视开发可再生能源。有趣的是，目前美国22.9%的电能来自可再生能源，这一比例高于核能。从目前的趋势来看，到2050年，美国100%可再生能源电网的前景是乐观的【32】。在所有国家中，丹麦有一个雄心勃勃的目标，即到2035年实现所有可再生电力和供暖，零化石燃料

2050年前的能源【31】、【32】。科学美国人（Scientific American）发表了一篇文章[22]，指出具有足够存储和传输能力的可再生能源可以满足世界所有能源需求。在所有可再生能源中，风能和光伏尤其重要，并且依赖电力电子设备，这些将进一步讨论。

风能系统：在典型的风力发电系统【1】中，如图4所示，变速风力涡轮机（通常水平轴）通过加速齿轮（未显示）耦合到交流电机（感应或同步）的轴上。然后，在通过升压变压器（未显示）馈送至电网之前，通过双边PWM转换器系统将可变电压变频电源转换为恒压和恒频。或者，它可以支持自主负载。交流侧的电流为正弦电流，功率因数可编程。电机磁通可通过其无功电流进行控制。“电网规范”要求，对于电网中的短路故障，逆变器应提供无功功率以支持电压[低压穿越（LVRT）]。变流器系统的直流链路可用于储能。如图所示，控制系统测量任意风速并控制发电机转速，以优化发电（提高涡轮机的气动效率）。或者，在任何风速下，都可以通过最大功率点跟踪（MPPT）技术来搜索最大功率点。线路侧变流器通过将线路电流与相电压同相编程来控制直流链路电压。可以通过线路侧变流器控制有功功率（P）和无功功率（Q）。

对于偏远的海上风电场，来自不同风力发电机的大量风能可以组合，通过变压器提高电压，并通过HVDC系统相互连接到电网。换流器系统的最新趋势是在HVDC链路中使用模块化多电平换流器（MMC）[23]。

丹麦目前拥有约42%的风能，居世界领先地位。预计这一数字今后将大幅增加。中国目前在装机容量方面处于世界领先地位，但美国的发电量最高。风能（或光伏）是未来氢经济的关键能源，氢将是唯一的燃料来源。值得注意的是，风能和光伏等可再生能源对生活在电网之外的世界三分之一人口尤为重要。

b） 光伏系统：太阳能电能通常分为太阳能热电和光伏系统【20】。在前一种情况下，太阳热通过镜子集中，将水转化为蒸汽。然后，这些蒸汽通过涡轮发电机系统转换为电能。在光伏系统中，光伏器件（晶态或非晶态硅、CdTe和铜铟镓硒化物）将阳光直接转化为电能。然后，将产生的直流电转换为交流电，并馈入电网，或用于自动负载。图5显示了典型的光伏系统配置，其中光伏阵列（电池串并联连接）连接到dc-dc转换器以提升直流电压，然后通过PWM逆变器转换为ac。多台机组通过变压器耦合，然后馈送至交流电网。dc–dc转换器通过MPPT搜索算法控制阵列的最大功率输出，如图所示。对于高功率，可以使用多电平转换器。逆变器可以根据需要控制有功和无功功率。光伏系统的优点是静态、安全、高度可靠，只需很少的维修和维护。然而，光伏发电是零星的，这取决于阳光的可用性，需要能量存储或风能系统等备用电源。虽然光伏系统通常比风力系统更昂贵，但随着目前的研究趋势，光伏电池的价格正在急剧下降，因此，其在屋顶安装、自主和并网系统中的应用正在快速增长。在美国，太阳能目前约占1.47%，目标是到2030年达到20

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