1 前言 自然环境是人类为了维持正常生活的重要基础，由于现代社会对能源的需要不断增长，由此带来对环境的压力也在增大。国际上曾召开过防止地球温暖化的国际会议(即京都会议cop3)，引起全世界对环保工作的重视。具体的成果是:制定关于环保的iso4000标准、鼓励开发新能源、供热供电公用的发电设备等。各国都着手如何减少石化燃料的用量和co2气体的排放量的措施。以上的环保项目都需要应用电力电子技术的支撑，利用电力电子进行清洁能源的变换、能源的蓄积、以及用变频器的节能等。这些措施的目标都是为了构造一个绿色能源环境。
2 绿色能源和电力电子技术 绿色能源有两层意思:一是发展新能源即二次能源，该能源必须是不产生对环境污染的清洁能源，如:太阳光发电、风力发电和燃料电池。二是对现有公用电源(交流电网)进行“清洁”，消除有害的高次谐波和电压波动。这里，在变频器基础上发展起来的有源电力滤波器(apf)和用可关断器件的静态无功率补偿(svcs)以及用igbt的pwm整流器等都将发挥重要作用。现举数例加以说明。
2.1 风力发电的专用变频器 风力发电有2种方案,小容量的常采用异步发电机,控制简单,价格低廉,缺点是风力变化和突加负荷时，输出功率的波动比较大。数百kva以上的风力发电则采用同步发电机配合变频器进行控制。 用同步发电机的风力发电装置，当风力变化时引起发电机转速波动，从而使发电频率改变，如果用变频器进行控制，虽然发电机的频率变化，但由于变频器的自动调频作用，使送到供配电系统的电力稳定在50hz(或60hz)。这样，就使风力发电机的转速与供电频率无关，即使风速在较宽范围变化，发电功率变化很小，此外，负载变化时，冲击电流小。图1为风力发电变频控制系统结构图和运行波形图。该系统由将风力发电机的交流功率变换为直流的可控整流器和把直流功率逆变为恒频的交流功率的逆变器构成，一般称为btb(back to back)系统。图1(a)为其系统结构图,图1(b)为运行波行图。在图1(a)上的各测试点分别为(1)(2)(3)(4),其中(1)(2)为对应发电机输出18.9hz时的输出电流波形，(3)为发电机输出交流经开关整流器变换为直流电压波形，(4)为通过变频器将直流功率变换为50hz的交流功率,并通过变压器输出。2.2 二次能源的频率变换器
图1 风力发电用变频器
二次能源包括待开发的风力发电和太阳光发电等清洁能源，一些经济型的小型水力发电亦可包括在内。这里，有一个公共的突出问题，即二次能源多余的功率如何向不同频率的其它负荷提供,甚至向电力系统(公用电网)反馈。图2提供一种用晶闸管的通用频率变换器应用原理图。图中的频率变换器是一台晶闸管电流型变频器，接向负荷1的是晶闸管整流器，接向负荷2的是有源逆变器。由于负荷2是接向电力系统50hz大电网，故逆变器晶闸管的同步及电压频率必须和大电网一致。这种频率变换器在国外已经普遍使用，电力系统之间的换频其容量已做到300mw，二次能源和电力系统并网可做到10mw。
图2 变频变换器的应用
2.3 二次能源的蓄能 为了进行大容量的蓄能,除燃料电池外,新开发了硫化钠(nas)电池和全氧化还原(redox)型电池。由于二次电池只能贮存直流功率,必须设置电力电子式的动力控制柜，使电池能够自由地进行充电和放电。
图3 电池蓄能控制系统
该电池蓄能系统可应用于工厂和商店，它们的供电需求如图3所示，夜间为轻负荷，通过动力控制柜向电池充电，而电力系统仍提供与白天一样的正常功率ps，即ps=pl1+pb1。到白天负荷增加为重负荷,由动力控制柜控制电池为放电状态,提供足够的放电功率pb2,以保证由电力系统吸取的功率不变,即pl2=pb2+ps。
3 通过电力电子技术改善电源环境 电源环境改善主要是指电网高次谐波消除和减少电网电压波动，前者可通过有源电力滤器(active power filter);而后者可由新型iegt的无功功率补偿装置svc(static var compensator)来实现。3.1 用于抑制电弧炉尖峰负荷的svc装置 众所周知，冶金厂电弧炉炼钢时，会产生激变的尖峰负荷，其后果由于无功功率变化引起端电压波动，低阶的高次谐波使电压波形畸变，通过照明灯照度的变化，使人直接感到尖峰负荷造成电压波动的严重性。用于补偿无功的svc系统结构如图4所示。电弧炉接入svc后的“平峰”原理示意图如图5所示。首先通过电流传感器检测出负荷的变动成份，svc的作用是输出无功功率将其抵消，其结果由图可见，抑制了电流尖峰的不良影响。本例，用δv10代表尖峰量,在图5(b)中尖峰量约减少1/3。
图4 svc系统的结构和在电弧炼钢炉上的应用
3.2 有源电力滤波器(apf) apf的功能是用于补偿电网侧的高次谐波，其工作原理示意图如图6所示。apf的工作原理简述如下:首先检测出负荷电流中的高次谐波成份瞬时值，然后取出其反相的成份输出，作为补偿电流，则在电网供电点，负荷电流和apf的补偿电流进行合成，使供电点的电流波形接近正弦波，网侧的高次谐波电流得到了补偿。
图5 电弧炉负荷平峰原理
图6 apf的原理图
参考文献[1] 川口章等. 电力电子技术支撑的新能源开发[j]. (日)东芝评论, 2002, l57(8).[2] 浜口等. 环保与电力电子技术[j]. (日)东芝评论, 2002, l57(8).
作者简介 冯垛生(1938-) 男 教授 广东省自动化学会理事，中国自动化学会电气自动化专委会委员。曾由国家教委公派到日本九洲大学电气工学系任访问研究员，回国后致力于通用变频器的的开发研究，获得广东省科技进步三等奖。主要研究方向是:电力电子及交流变频调速技术等。
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