新能源与可再生能源的关键技术与发展趋势

2 关键技术
利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究，开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产品，以方便用户。
2.1 电能变换
众所周知，新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是解决上述问题的根本出路。图4给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。

由于新能源电力系统中电能变换主要是依赖DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。软开关技术是减低开关损耗、提高电流密度和转换效率的有效手段，因此需要开发基于软开关的变流器。
2.2 电能储存
由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。比如：风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。
与电解电容相比，超级电容利用碳电板表面产生的双层电极储能，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。如今，超级电容功率密度可高达20kw/kg，充放电时间各为0.1～100分钟。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。
飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。如果与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁悬浮技术使飞轮转轴稳定地悬浮于空间是一种有效的解决方案。预计飞轮储能装置将在国防、电力、交通等领域具有应用前景。
2.3 电能管理
电源管理系统(PMS)技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括：
(1)电能分配；
(2)优化控制；
(3)状态监测；
(4)故障诊断；
(5)容错控制。
实现上述功能的核心技术是：计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。
例如：整个系统可以采用网络化控制，通过三层网络结构：底层采用现场总线和基于DSP的嵌入式控制器实现实时控制、数据采集和通信；中间层通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；上层采用人工智能技术构建智能PMS，实现负荷预测、电能分配、系统优化和能量管理。在电源管理系统(PMS)方面，将在智能优化及安全控制上有所突破。
2.4 电能质量控制
近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。如何治理“电力公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。电能质量控制的主要研究内容是：
(1)电源谐波检测和分析技术 谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。自提出快速傅里叶变换算法(FFT)以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。因此，如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。
(2)电能质量控制和管理 包括：功率因数校正和滤波器设计。由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正(PFC)技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。近年来，有源功率因数校正技术(APFC)已成为电力电子领域的研究热点。现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相PFC电路方面取得成果。比如：可用于 Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软升关三相PFC电路的研制。特别是，软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。