电力电子与新能源技术

1、电力电子与新能源技术 上海大学 阮毅绿色电源与低碳经济大功率中、高压变频技术及应用风力发电及并网技术新型微电网绿色电源与低碳经济面临的问题能源短缺化学燃料属于不可再生性能源，能源问题成为阻碍发展的重要障碍环境污染传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了大量的污染；气候变化煤炭等化石燃料排放的温室气体对气候变化造成巨大影响。出路与对策发展低碳经济，走可持续发展道路。节能:努力推进节能和科学用能提高能源利用效率，减少化石能源消耗，保护生态环境。采用变频调速减少风机、泵类负载的电能损耗。提高用电装置的功率因数，或采用功率因数补偿装置。采用新材料、新技术提高电源与电器设备的效率。节能:努力推进节能

2、和科学用能可再生能源的开发利用大力开发可再生能源和新能源随着全球石油煤炭等资源的耗尽，人们必须在矿物能源没有用完的有限时间内找到可以替代的新能源和动力装置。因此，人们多年来一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。绿色能源太阳能电池风力发电潮汐、地热发电燃料电池各种高效无污染电源海上风电场光伏太阳能电池新型电网绿色电源技术实现节能减排新能源驱动交通工具大功率中、高压变频技术及应用低压交流变频调速低压交流变频调速日益成熟：主回路：交-直-交方案逆变：IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）或Power-MOSFET 器件，两电平结构， SPWM或SVPWM整流：不可控整流或

3、PWM整流低压交流变频调速低压交流变频调速日益成熟：控制方案：电压频率协调控制、矢量控制、直接转矩控制应用：所有低压电机驱动而需要调速的对象中、高压交流变频调速低压变频调速提供了技术的积累器件的发展：HV-IGBT、IGCT、IECT电压等级：中压3000V，高压6000V以上主回路结构：交-交变频、交-直-交两电平或三电平、交-直-交级联型单元串联多电平应用：高压水泵、风机，轨道交通电力牵引，船舶主传动，大型轧机主传动等电力电子器件SCR（晶闸管）：2500A/8000V，4500A/6000VHV-IGBT（高压IGBT）：4000A/4500VIGCT（集成门极晶闸管）：6000A/60

4、00VIECT （注入增强型IGBT）： 4000A/4500V新型电力电子器件新型电力电子器件： 开关频率高，容量大，性能更优碳化硅（SiC） ： 肖特基二极管已商业化，可开关器件尚处于实验室阶段氮化镓（GaN） 高频性能更佳，尚未见成熟的产品面世高压变频器拓扑结构 交-交变频交-直-交两电平或三电平交-直-交级联型单元串联多电平交-交变频交-交变频主回路拓扑结构交-交变频主要特征能量双向流动，可四象限运行选用SCR作为功率器件，一般为36个输出功率：5000KW20000KW输出频率：1/31/2电源频率输出电压：3000V交-交变频不足之处电网则谐波电流较大，功率因数低输出电压、电流谐波

5、分量大调速范围小需要滤波与无功补偿交-交变频的应用轧机主传动、船舶电力推进、球磨机和水泥回转窑，一般采用矢量控制典型产品：Siemens公司此方案比较成熟，为早期产品，面临被取代的处境不可控整流交-直-交两电平变频单管结构，不可控整流，SVPWM，与普通的低压变频期无本质区别，只是器件电压等级较高。多管直接串联的两电平变频器多管直接串联的两电平变频器优点：利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑和控制策略。难点：串联开关管需要动、静态均压，因此对驱动、控制电路的要求也大大提高，还需要解决dv/dt、抗共模电压技术、正弦波滤波技术等问题。应用：高压风机、泵类负载 不可控整流交-直-交两电平变频能量单向

6、流动，不能四象限运行选用IGBT等功率器件输出频率：范围较大单管结构输出电压：1200V多管结构输出电压：30006000V不可控整流交-直-交两电平变频不足之处电网则谐波电流较大，功率因数低输出电压、电流谐波分量大dv/dt较大可控整流交-直-交两电平变频可控整流，SVPWM可控整流交-直-交两电平变频能量双向流动，四象限运行电网则谐波小，功率因数可控选用IGBT、IGCT或IECT等功率器件输出频率：范围较大输出电压：1200V应用：高性能调速系统，轨道交通牵引交-直-交三电平变频避免了器件直接串联的动态均压问题。输出电压的电平数增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母

7、线电压，在同等开关频率的前提下，可改善输出波形质量，dv/dt下降。 整流部分可以是可控整流，也可以是不可控整流可控整流三电平变频器可控整流三电平变频器能量双向流动，四象限运行电网则谐波小，功率因数可控选用IGBT、IGCT或IECT等功率器件输出频率：范围较大输出电压：3000V应用：轧机主传动，电力牵引，船舶推进等高性能四象限运行调速系统可控整流三电平变频器零点漂移问题采用双直流电源可以抑制多相电机兰州电机厂五相电机器件的并联改为桥臂的并联三电平变频器并联宝钢某轧机主传动，3000V，9000kW，双绕组同步电动机，采用两个三电平变频器供电矢量控制三电平变频器串联定子绕组打开，两套3kV三

8、相三电平逆变器串联飞跨电容钳位型多电平变频器用飞跨电容取代钳位二极管，虽省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。 交-直-交级联型单元串联多电平变频器交-直-交级联型单元串联多电平变频器POWERCELL B1POWERCELL A1POWERCELL C1POWERCELL A2POWERCELLB2POWERCELL C2POWERCELL C3POWERCELLB3POWERCELL A3高压电机CENTRALCONTROLSYSTEM TYPICAL POWER CELLLOCALCONTROLS三相高压输入三相变压变频高压输出FIBEROP

9、TICS 集成一体式变压器级联型多电平电路结构的优点直流侧采用相互分离的直流母线供电，不存在电压均衡问题；结构简单清晰，控制方法相对简单，可分别对每级进行PWM控制；无需钳位二极管或钳位电容，易于模块化封装。单元模块化为实际安装、使用、维护方便。当H桥出现故障，可将其旁路，余下的单元可以继续工作。级联型多电平电路结构的优点输出电压、电流谐波分量小dv/dt较小不存在中间直流电压中性点偏移问题。电源侧选用特制的变压器，可减小电流谐波，改善功率因数级联型多电平电路结构存在的缺点电路的每个基本单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼此隔离，从而解决单元级联

10、时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数增加，直流电源数也将大量增加。级联型多电平电路结构存在的缺点一般采用不可控整流，无法实现能量回馈及四象限运行，只适用于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备。需要特制的变压器大功率高压变频调速系统转速开环型电压频率协调控制，适用于动态性能要求不高的风机、水泵类负载转速闭环矢量控制或直接转矩控制，适用与轧机主传动、轨道交通电力牵引、船舶电力推进等动态性能要求高的调速系统采用转速计算方法的无速度传感器控制系统，性能介于上述两种之间结论低压变频技术的发展与成熟，为大功率高压变频调速积累了经验高压、大电流电力电子器件的产生，为大功率高压变频调速提供了可能大功率高

11、压变频调速具有广阔的应用前景和市场风力发电及并网技术主要内容风力发电并网运行的现状风力发电并网方式存在问题及应对策略新型微电网风力发电并网运行的现状新疆达坂城风力发电厂全球风电装机容量持续增长截至2011年底，全球风电装机容量2.38亿千瓦，同比增长20%。排名前五位中国、美国、德国、西班牙、印度风电装机容量均超过1500万千瓦，合计占全球风电总装机的比重达到74%。我国占据首位。数据来源：GWEC Global Wind Report 2011我国风电行业2006年，我国风力发电发展的预测目标 我国风电行业数据来源：水规院2011年度中国风电建设统计评价报告“十一五”期间，风电装机容量快速增

12、长，年均增速接近100%，风电开始进入规模化发展阶段。截至2011年底，中国风电并网容量达到4784万千瓦，比2005年增长36倍。风电并网容量（万千瓦）我国风电行业国家电网公司经营区内风电并网容量年均增速达到97.65%。2011年达到4394万千瓦，同比增加1568万千瓦，增长55%，比2006年增长25倍。我国风电行业2011年分区风电并网容量东北、华北、西北地区分别为1518、1678、830万千瓦。占全国风电并网容量的比例达到85%。风电并网容量快速增长排名前十位的省区风电并网容量合计3889万千瓦，约占风电并网总容量的86%。风电并网容量快速增长2011年，我国风电发电量715亿千

13、瓦时，同比增加225亿千万时。数据来源：水规院2011年度中国风电建设统计评价报告风电并网容量快速增长风电并网容量快速增长2011年，全国风电设备平均利用小时数约1928小时，比2010年减少169小时。2011年主要省区风电发电利用小时数大中型风电场2011年底，10万千瓦及以上风电场219座，比年初增加77座，总容量2087万千瓦增长到3464万千瓦，容量占比从68%提高到82%。风力发电并网方式内蒙古风力发电厂风力发电并网运行交流励磁双馈变速恒频发电风力发电并网运行无刷双馈发电机变速恒频发电风力发电并网运行直驱式永磁同步发电机变速恒频发电风力发电并网高压发电机、全功率变换器、变压器并网风

14、力发电并网发电单元并联，变压器并网风力发电并网串联单元风电接入电网等级接入750千伏的并网风电项目个数和容量分别占1%和1%；接入330千伏分别占2%和7%；接入220千伏电压等级分别占30%和42%；接入110千伏分别占46%和38%；接入66千伏电压等级分别占21%和11%。存在问题及应对策略海上风电场风电脱网事故风电脱网事故事故主要原因：并网风电场设备质量不良以及风机不具备低电压和高电压穿越能力所致。电网安全稳定运行的问题日益突出。存在问题及应对措施1风电出力变动性显著影响电力系统实时功率平衡。需要电力系统配置与风电接入规模相适应的快速灵活调节电源（包括抽水蓄能、多年调节性能水电站、燃油

15、燃气机组等），充分发挥灵活调节电源的快速启停优势，参与系统调峰、调频和调压，保障电网安全，降低电力系统接纳风电所面临的技术困难，支撑大规模风电并网发电和利用。风电并网与电源结构不合理存在问题及应对措施2由于电网送出工程与风电项目核准不同步、建设工期不匹配，受当地电力系统消纳能力和外送能力的限制，已出现不同程度的弃风情况，迫切要求风电项目和配套电网送出工程同步核准、同步建设和同步投产。风电开发与电网送出工程的统筹建设存在问题及应对措施3风电出力具有随机性、波动性、反调峰性、高峰时段保证容量低等特点，大规模间歇性电源接入电网，不仅将对电力系统安全稳定运行带来影响，并且显著影响电力系统运行经济性，体

16、现在远距离、大容量送出风电的输电成本、为保障高峰电力可靠供应而增加的容量充裕性成本，以及保障电网实时平衡而发生的额外平衡成本的大幅增加。风电接入增加电力系统的并网成本，引起新的利益矛盾存在问题及应对措施4需求侧响应相对滞后，负荷需求刚性，尚没有真正建立起电力需求与电价的响应和联动机制，用电结构短时期内难以改观。迫切需要调整电价机制，建立峰谷分时电价等灵活电价机制，提高需求侧响应激励，改善需求结构，鼓励风电供热等多样化利用途径，促进风电低谷消纳。风电消纳的需求侧管理存在问题及应对措施5由于我国风电并网技术标准体系和检测认证工作相对滞后，风电场整体技术水平不够高。随着近几年风电并网容量的快速增长，

17、在高速发展过程中留下的安全隐患已经逐步暴露，且呈现集中爆发态势。风电并网的电网安全问题存在问题及应对措施5对电源出力的有效控制来实现对瞬间变化的负荷需求的响应，电源的可控、在控是保证电力系统安全稳定运行的基本技术要求。因此，风电实现规模化并网发电，融入电力系统运行，严格的并网技术标准和管理规范是基本前提。需要加快并网检测能力建设，更需要进一步提高风电装备水平，满足技术标准和检测要求。同时加强风电场设计、建设及施工管理，提高风电场建设质量。风电并网的电网安全问题新型微电网 草原、山区、海岛等公共电网很难延伸到的地区，其可再生能源丰富，可以充分利用当地的风能、太阳能进行发电。微电网：概念与构成微电网