新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势

摘要：主要研究了开发新能源与可再生能源的关键技术，提出了电力电子变换、电能存储、电能管理与电能质量控制在新能源供电系统中的核心作用。着重探讨几种电能混合供电发电和分散供电方式，以及集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题，并展望新能源供电系统的应用前景。
关键词：电力电子与电力传动；电能变换；能量管理系统；电能质量控制

0 引言
能源是支撑现代文明社会发展的主要物质基础之一，随着传统矿物能源，如石油、煤炭等资源的日益耗尽，能源问题成为人类社会普遍关注的焦点和必须解决的重大课题。
为了解决目前能源短缺问题，世界各国为开发和利用新能源投入了大量的人力和物力进行研究。1981年联合国召开了世界新能源和可再生能源国际会议，提出以新技术和新材料为基础，开发新的可再生能源来取代资源有限、污染环境的化石能源，保持可持续发展和保护生态环境。
新能源和可再生能源在我国社会经济可持续发展中同样具有重要作用，是我国能源发展的重要内容和组成部分。2005年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，从而奠定了我国可再生能源事业规划与发展的法律基础，2006年颁布的国家中长期科技发展纲要和“十一五”科技发展计划明确提出了国家能源研究和发展战略，将这方面的研究纳入国家863计划等高新技术项目给予重点支持。
由于太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅可以再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。因此，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并且已取得了重要的进展和成果。国内外的许多科学家预言，随着化石能源时代的终结和新文明的到来，在今后数十年内太阳能、风能等可再生的清洁能源将成为全世界的一种重要能源。所以，新能源和可再生能源的开发利用，是一项功在当代、利在千秋的新型事业。但是，新能源的应用仍存在许多问题需要研究和解决。
本文主要论述功率变换装置在新能源供电系统中的核心作用、电力电子变换技术与现代电源技术的融合，研究几种电能混合供电方式，探讨集成供电系统的电源变换、智能管理及安全控制等问题，为未来新能源供电系统的应用提供科学依据和技术支持。

1 新能源发电方式
1.1 风力发电
目前，风力发电现已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行方式：
(1)独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；
(2)风力发电与其他发电力式(如柴油机发电)相结合的联合供电方式，向交通不便的边远山村、沿海岛屿，或地广人稀的草原牧场提供电；
(3)并网型风力发电运行方式，安装在有电网且风力资源丰富地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展力向。
风力发电机组在不同风速条件下工作时，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，因此需要配置电力电子功率变换器，通过功率变换器的换流控制，使输出电压达到恒压恒频的要求。功率变换器与风力发电机的系统集成有两种方案：直接输出型风力发电系统和双馈型风力发电机系统。图1给出了两种风力发电系统的结构。

1.2 太阳能发电
自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。
典型的太阳能供电系统结构如图2所示，通过太阳电池阵列的光电转换，将太阳能转变成电能，再由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户要求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/DC变换。此外，功率变换装置还应包括蓄电池系统，以平衡用电需求。当阳光充足时，由太阳电池供电，同时向蓄电池充电；当夜晚或阳光稀少时，由蓄电池供电。变流器的电路结构如图2所示。
1.3 燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(S0FC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，且具有洁净、无污染、低噪声，模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。
燃料电池发电系统的结构如图3所示，系统通过由直流斩波器与逆变器组成的功率变换装置，使燃料电池的输出电压与用户需求相匹配。