高潮

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報編輯部，廣東 深圳 518172）

具有電功質(zhì)量調(diào)節(jié)的光能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償及控制技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展研究

高潮

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報編輯部，廣東 深圳 518172）

基于開關(guān)功率開關(guān)變流器技術(shù)，光能并網(wǎng)發(fā)電電工技術(shù)的可靠變換正在進(jìn)一步發(fā)展，另一方面功率開關(guān)器件裝置組成系統(tǒng)已經(jīng)成為許多領(lǐng)域不可或缺的基本設(shè)備。在信息數(shù)字革命時代的二十一世紀(jì)上半葉，對電功調(diào)節(jié)光能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)型兆瓦級電功調(diào)節(jié)光能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，無功補(bǔ)償及控制技術(shù)要求也相對提高。論文討論了具有電功調(diào)節(jié)的光能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償及控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

電網(wǎng) ；質(zhì)量控制；補(bǔ)償技術(shù)；電功調(diào)節(jié)；光/電能

1 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與光能并網(wǎng)發(fā)電

光能并網(wǎng)發(fā)電中光電子技術(shù)是光子技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合而成并標(biāo)志著未來信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。通常并網(wǎng)型光伏發(fā)電通常有一定容量的光發(fā)電機(jī)組構(gòu)成發(fā)電機(jī)群，由于光伏發(fā)電是一種特殊的電力形式，光源電功率器件在未來電子通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域也是不可缺乏的功率電子開關(guān)器件。從可再生能源利用的角度考慮，希望盡量擴(kuò)大光伏發(fā)電的范圍，而其本身的運(yùn)行規(guī)律使得井網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成一定的要求。并網(wǎng)光電電場電能質(zhì)量是依靠太陽能電池組件再利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，太陽光照射在光半導(dǎo)體器件PN結(jié)其由于結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，在靜電場的作用下，電子和空穴向相反方向運(yùn)動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使電勢升高，區(qū)電勢降低從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。光伏聯(lián)網(wǎng)的直流交流逆變器可以將直流電經(jīng)過電力電子開關(guān)變流技術(shù)等措施變換成交流電，由于太陽能電池發(fā)出的直流電所以一般的負(fù)載是交流負(fù)載逆變器是不可缺少的。并網(wǎng)逆變器用于太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)并在并網(wǎng)逆變器中用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能饋入電能電網(wǎng)應(yīng)用中。如圖1所示為結(jié)構(gòu)方框圖。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方框圖Fig.1 The power system of blockgramm

為了滿足輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行，并保證發(fā)電機(jī)制系統(tǒng)安全的要求，能源設(shè)備都在向智能化方向發(fā)展。每一個網(wǎng)絡(luò)能源設(shè)備，都是動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的一個結(jié)點(diǎn)。為每臺設(shè)備分配一個控制地址，它們就可以互相連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與管理。當(dāng)這種通信具有分布式特性時，每臺設(shè)備不但要支持IP，還應(yīng)有唯一的設(shè)備編碼，具體保護(hù)自己的安全特性?？梢酝ㄟ^控制電子開關(guān)將電機(jī)從電網(wǎng)中切除，以保護(hù)機(jī)組的安全，故障切除后，又通過電子開關(guān)將機(jī)組迅速投入電網(wǎng)運(yùn)行，對電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行起到積極的支持作用。我國自“十五”期間以對理想光伏電網(wǎng)條件下的運(yùn)行控制進(jìn)行了較為深入的分析和研究。 電網(wǎng)表現(xiàn)出非理想特性，電壓驟降 ，這種故障下提高并網(wǎng)光電電場機(jī)組對這種故障的適應(yīng)能力。深圳市關(guān)于并網(wǎng)光電電場發(fā)電設(shè)備研究、設(shè)計和生產(chǎn)方面，某些技術(shù)已走在國內(nèi)同行的前面，因此走并網(wǎng)光電電場發(fā)電系統(tǒng)國產(chǎn)化的道路、掌握核心技術(shù)，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，既可以滿足國內(nèi)風(fēng)源地區(qū)需求，又可以出口到有光源的國家、地區(qū)，從而帶動我國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。 這不僅使并網(wǎng)光電電場發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化發(fā)展的需要，同時也是推動我國光電技術(shù)向國外先進(jìn)水平邁進(jìn)、打破國外生產(chǎn)商在該市場上的壟斷局面迅速發(fā)展的需要。目前國內(nèi)并網(wǎng)光電電場市場蓬勃發(fā)展，對光電發(fā)電機(jī)組的需求與日俱增從沿海地區(qū)來看，都是發(fā)展并網(wǎng)光電電場的絕佳地方，其前景非常廣闊。以目前一年生產(chǎn)1000臺兆瓦級并網(wǎng)光電電場發(fā)電系統(tǒng)，如果并網(wǎng)光電電場發(fā)電設(shè)備投入按6000元/kW計算，每年的產(chǎn)值將超過100億元以上，由此看，發(fā)展并網(wǎng)光電電場發(fā)電的社會經(jīng)濟(jì)效益十分顯著 。

2 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償

在工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展基礎(chǔ)上電力電子電網(wǎng)中電功率能質(zhì)量問題、電能質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在無功損耗和諧波危害這些電力電子公害問題，需要有效地加以補(bǔ)償無功功率降低網(wǎng)絡(luò)損耗以便可以更好的提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。直流與交流的互相轉(zhuǎn)換離不開電力電子開關(guān)。但是電子開關(guān)裝置及設(shè)備有損耗，電力電子技術(shù)就是研究如何降低這個損耗并保證器件安全。由變壓與隔離的需要而引入了變壓器，實際的變壓器在實現(xiàn)變壓與隔離的同時并帶來了電感效應(yīng)，在電力供電系統(tǒng)中采用兼顧電網(wǎng)電壓和無功的綜合控制策略后，可以進(jìn)行無功的實時智能補(bǔ)償，實現(xiàn)無功功率供需就地平衡；從而可以更好提高功率因數(shù)改善電壓質(zhì)量和降低網(wǎng)絡(luò)損耗。隨著動力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)能源及其相關(guān)的配套設(shè)備廣泛被遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控引導(dǎo)著維護(hù)模式的變革。光伏能源網(wǎng)絡(luò)時代，能源網(wǎng)絡(luò)的核心是無處不在的監(jiān)控，通過監(jiān)控手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)能源維護(hù)和管理。在開關(guān)電力電子變流器中，大功率變壓整流器電路為正弦電壓，通過LC組合變量器接整流器到負(fù)載。由于負(fù)載是直流，可以等效為電阻；開關(guān)的電壓電流基本同相開與關(guān)過程中電壓電流的上升/下降的交越區(qū)即損耗區(qū)將縮減到最小值，損耗也就隨之下降。

3 基于電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的電力電子控制

多重積分控制的應(yīng)用，突破了開關(guān)周期對控制方法的限制，為電功調(diào)節(jié)光能聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，無功補(bǔ)償脈沖寬度調(diào)整技術(shù)控制增添了新的思路。

圖2 基本三角波脈沖多重前控積分控制Fig.2 The basemend blockgrang of PWM

對于其外部輸入隨著時間變化的延時的網(wǎng)絡(luò)，同樣對他們的存在和周期性解決方法的指數(shù)穩(wěn)定性取得一些標(biāo)準(zhǔn)。總和增量(ΣΔ)控制、脈沖面積調(diào)制、預(yù)測開關(guān)調(diào)制等方法是極具代表性的控制方法，在電力電子變流器控制領(lǐng)域中應(yīng)用進(jìn)一步明確開展。工業(yè)單周控制的概念：單周控制能夠保證被控量與參考信號在每一個開關(guān)周期中的平均值相等或成正比。當(dāng)主電路開關(guān)ON時，y(t) = x(t)，當(dāng)主電路開關(guān)OFF時，y(t) = 0，這樣，送入積分器的被控量y(t) 雖然只在ON時間內(nèi)被積分，但是，在OFF時間內(nèi)正是因為y(t) = 0，所以相當(dāng)于在整個開關(guān)周期內(nèi)y(t)被積分。也就是說，單周控制必須滿足在OFF時間內(nèi)被控量恒為0的條件。如果對單周控制進(jìn)行拓展，可以開展恒TON、恒TOFF開關(guān)控制方式。恒TOFF開關(guān)控制方式的方程為

在此方程中，不難發(fā)現(xiàn)，控制仍然必須滿足OFF時間內(nèi)被控量恒為0的條件。而恒TON開關(guān)控制方式的方程為

分析和比較了峰值電流模式(LPCM)控制和非線性載波(NLC)控制的基礎(chǔ)上，將其用于高功率因數(shù)Boost整流器的控制。實際電流在每一個開關(guān)周期結(jié)束時與參考電流相等。調(diào)制器使用兩個復(fù)位積分器來產(chǎn)生載波。高功率因數(shù)Boost整流器的控制目標(biāo)為。Re是整流器的等效電阻，f(ig) 是電感電流的函數(shù)。對于不同的控制方法，f(ig)函數(shù)是不同的。預(yù)測開關(guān)調(diào)制采用的預(yù)測方程為

上式最右邊項代表Boost變換器開關(guān)關(guān)斷時電流的預(yù)測值，經(jīng)過進(jìn)一步推導(dǎo)，它是時間的二次函數(shù)，該預(yù)測值是由調(diào)制函數(shù)實現(xiàn)的。預(yù)測開關(guān)調(diào)制獲得占空比信息的方法仍然是基于開關(guān)周期的概念，因此它不知道整個開關(guān)周期的積分值，無法實現(xiàn)實際電流在一個開關(guān)周期的平均值的計算，調(diào)制函數(shù)是時間的二次函數(shù)，其實現(xiàn)又是采用模擬電路實現(xiàn)的，模擬器件的分布參數(shù)和容差必然對調(diào)制函數(shù)存在較大的影響，理論分析表明，只有復(fù)位時間為零才能保證調(diào)制函數(shù)的精確實現(xiàn)。因此，非單調(diào)函數(shù)似乎比 活化更適合設(shè)計和執(zhí)行 網(wǎng)絡(luò)。在許多電子電路中，放大器既沒有單一地放大，也沒有持續(xù)可微地輸出和輸入的功能，而是頻繁地調(diào)試。高頻開關(guān)電路的設(shè)計頻率是開關(guān)頻率的二分之一，理論上確定雙端電路的驅(qū)動開關(guān)之一的開通時間的最大值。

圖3 電力電子變換器積分控制邏輯分析Fig.3 The power electronincs system

結(jié)語

光能發(fā)電形式作為一種清潔能源和可再生能源，是改善能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的有效手段之一。為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約常規(guī)能源的實際需要，世界上光電資源豐富的地區(qū)和國家都在大力開發(fā)光電發(fā)電電力電子裝置與技術(shù)。當(dāng)前集中并網(wǎng)光伏發(fā)電行業(yè)正在發(fā)展。太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

（References)

[1]Qahouq,J.A.A.;Abdel-Rahman,O.;Huang,L.;Batarseh,I.;“On Load Adaptive Control of Voltage Regulators for Power Managed Loads:Control Schemes to Improve Converter Efficiency and Performance”,Power Electronics,IEEE Transactions on,Volume 22, Issue 5, 2007 Page(s):1806 -1819

[2]Jia Wei;Lee,F.C.;“Two-stage voltage regulator for laptop computer CPUs and the corresponding advanced control schemes to improve light-load performance”,IEEE APEC 2004 Page(s):1294 - 1300

[3]P.Zumel,C.Fernandez,A.de Castro,O.Garcia,“Efficiency improvement in multiphase converter by changing dynamically the number of phases,” IEEE PESC 2006,Page(s)1-6

[4]Lukic,Z.;Zhenyu Zhao;Prodic,A.;Goder,D.;“Digital Controller for Multi-Phase DC-DC Converters with Logarithmic Current Sharing” IEEE PESC 2007,Page(s):119 - 123

[5]X.Zhou,J.Liu,X.Zhang,P.Wong,J.Chen,H.Wu,L.Amoroso,F.C.Lee,and D.Y.Chen,“Investigation of Candidate VRM Topology for Future Microprocessors,”Virginia Power Electronic Center (VPEC) Seminar Proc.,1997,pp.9-14.

[6]X.Zhou,“ Low Voltage High-Efficiency Fast Transient Voltage Regulator Modules,” Doctoral Thesis,Center of Power Electronics Systems (CPES,former VPEC),Virginia Tech,1999.

[7]F.Rozman and K.J.Fellhoelter,“ Circuit considerations for fast,sensitive,low-voltage loads in a distributed power system,” IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC),1995,Proc.,pp.34-42.

[8]R.Watson,“New Techniques in the Design of Distributed Power System,” Doctoral Thesis,CPES,Virginia Tech.,August 1998.

[9]W.A.Tabisz,M.M.Jovanovic,F.C.Lee,“Present and Future of Distributed Power System,” IEEE APEC’92Proc.,pp.11-18.

[10]G.G.Suranyi,“the Value of Distributed Power,” IEEE APEC’95 Proc.,Vol.1,pp.104-110.

[11]Bob Mammano,“Distributed Power Systems,” Unitrode Power Supply Design Seminar Proc.,SEM-900,1993,pp.1-11.

[12]F.Shi and A.Brockschmidt,“Fault Tolerant Distributed Power,” IEEE APEC’96 Proc.,pp.671-677.

[13]Byuncho Choi,“Dynamics and Control of Switching Power Conversion in Distributed Power Systems,” Doctoral Thesis,VPEC,Virginia Tech,1992.

[14]S.Schulz,B.H.Cho,and F.C.Lee,“Design Consideration for a Distributed Power System,” IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC),1990 Record,pp.611-617.

[15]Smedley K M,，Slobodan Cuk，One-Cycle Control of Switching Converters，PESC’ 1991,888-896.

[16]Zheren Lai，Keyue M.Smedley and Yunhong Ma，Time Quantity One-Cycle Control for Power Factor Correctors，IEEE Transaction on Power Electronics，1996:821-827.

[17]K.M.Smedley，Slobodan Cuk，A New PWM Controller with One-cycle Response，IEEE Transaction on Power Electronics，Jan.1999.Vol.14.No.1:142-150.

Research on high performance switching converters with the power electronics technology

GAO Chao
（Shenzhen Institute of Information Technology,Guangdong Shenzhen,518172,P.R.China）

Declining power quality in many power electronic systems has become an important problem as illustrated by many recent surveys.Power factor correction (PFC) techniques have become attractive since several regulations have been effected recently.Many PFC AC/DC converters have been presented in recent years.

power supply;control;technology;power factor correction

TM914

：A

1672-6332（2014）03-0093-04

【責(zé)任編輯：毛蔚】

2014-07-21

廣東省自然科學(xué)基金委員會項目（項目編號：SZ012010010299）

高潮（1958-），男（漢），四川省仁壽縣人，教授，博士。研究方向：光機(jī)電一體化研究。E-mail：gaoc@sziit.com.cn