新能源中的若干电力电子问题 speed2010-4-24

新能源发电中的若干电力电子问题徐德鸿，徐君，苏娜，朱选才，李霄，刘昌金浙江大学2010年4月24日第四届高校电力电子与电力传动学术年会重庆大学,2010年4月23-25日1目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结2新能源计划欧盟20-20-20计划:到2020年可再生能源占欧盟总能源消耗的20%2007年12月美国布什总统签署了“能源独立和安全法案”(EISA)。计划太阳光伏发电2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右。美国能源部规划到2030年风电占总发电量的30%我国《可再生能源中长期发展规划》，风能、太阳能与生物质能发电，2020年将达到6.7%，2050年将达到29%。2006年我国发电装机容量6亿kW。预计2020年12-16亿kW。发展新能源发电是势在必行。新能源电力电子技术，包括电力电子变换、控制、并网，是新能源发电装备产业的支撑技术。32009年新增风电装机容量1300万kW,累计装机容量NO.2到2010年预期总装机3000万kW

国家中长期规划2015年达1500万kW,2020年达3000万kW乐观估计2020年上亿kW规模风力发电我国联网风电场总装机2005200620072008201012002500300020094国外光伏发电情况光伏发电的电价的下降西班牙德国2001-2006，世界PV产业年均增长率为41%在西班牙，光伏发电的电价0.2欧元/度，与峰时电价相等全球PV发电装机累计容量

市场预测5我国光伏发电情况2009年中国光伏发电装机容量已达750万千瓦,挤入世界十强我国光伏发电成本为1.3元-2.0元/度，高于普通火电平均0.30元/度，“太阳能屋顶”政策实施20元/W的补贴后，发电成本降为0.6元/度-0.9元/度。乐观估计,2020年中国光伏市场目标:2000万kW（原为180万kW

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年200420102020累计装机容量（kW)6.5万30万180万我国光伏规划6目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结7并网光伏逆变器的结构工频隔离光伏逆变器结构高频隔离光伏逆变器结构非隔离光伏逆变器结构8高频隔离光伏变换器结构优点高频隔离变压器体积小、重量轻的特点安全性高对各国标准的适应强缺点效率低9效率小于95%,如何提升高频隔离型光伏变换器的效率?高频隔离光伏变换器效率高频隔离DC/DCInverterPVconverterPWMFB2-levelinv.PWMFB+2-levelinv.PWMFB+3-levelinv.PSFBZVS3-levelinv.PSFBZVS+2-levelinv.PSFBZVS+3-levelinv.Converterpowerrating:30kWGirdAClinevoltage:400VrmsPVratedoutputvoltage:400VDC10非隔离光伏变换器结构优点体积小、重量轻变换效率高缺点EMC和地电流抑制问题可能不符合个别国家或地区标准单级变换两级变换11非隔离光伏变换器效率:单级变换3HB-SC3xNPCFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:122Lboostcon.+3HB-SC2Lboostcon.+3xNPC3Lboostcon.+3HB-SC3Lboostcon.+3xNPCFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=400VDC-linkvoltage

Udc=750V±20V

Switchingfrequencyfs=10kHzCurrentrippleratiooffilterinductorrL=20%.GirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:非隔离光伏变换器效率:两级变换13PV逆变器的高效率化Nonisolatedinverter(red),inverterwith50/60Hztrans-former(blue)inverterwithHFtransformer(green).

@PCIMchina0814非隔离光伏变换器地电流问题单晶体硅光伏电池，寄生电容约为50~150nF/kWp,对于薄膜光伏电池，约为1μF/kWp

15三相光伏逆变器的地电流模型地电流与以下因素有关寄生电容CpvuAN,uBN&uCN

之和PWM滤波电感LHarmonic

spectrumofiNFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUac=400VrmsL=2.4mHCpv=4.5µFAmplitudemodulationratioma=0.78如何抑制地电流?16最大功率跟踪如何减少功率的损失?随着电站容量的增加,MPPT受到关注MPPT方法恒电压控制法测量开路电压，设扰动观察法电导增量法17目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结18风力发电大容量化和发电效率提升690VAC690VAC通过优化控制，减小电机的损耗，进而实现整体效率的提高采用较高电压等级,提升发电效率和降低输电电缆成本通过对变流器结构的优化选择，使用高效率的变流器拓扑结构来提高整机的效率多电平技术软开关技术19目前风力发电变流器容量提升手段20风力发电变流器容量提升MultibridM5000(5MWPMSG)Converter:Three-levelNPC电压等级提升多重化并联21两电平vs.三电平inverterlossfor2MWPMSGVline=661VIline=1900AVline=690VIline=1631AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.15mH@两电平:1MBI3600U4D-170(1700V/3600A)IGBT

三电平:1MBI3600U4D-120(1200V/3600A)IGBT22Vline=561VIline=596AVline=690VIline=265AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.75mH@两电平:2MBI1200U4G-170(1700V/1200A)

IGBT

三电平:2MBI1200U4G-120(1200V/1200A)

IGBT两电平vs.三电平inverterlossfor2MW

DFIG23PMSGandDFIG变流器损耗分析@Losscomparison(vw=12m/s)Converterloss/mechanicalpowervs.fs(vw=12m/s)Lossofthe3-levelconvertersissmallerthanthe2-levelconverterforbothPMSGandDFIGTheconverterlossofDFIGissmallerthanPMSGatdifferentswitchingfrequency(vw=12m/s).SwitchingfrequencyMechanicalpowerLossof2-levelconvertersusedinPMSGLossof3-levelconvertersusedinPMSGLossof2-levelconvertersusedinDFIGLossof3-levelconvertersusedinDFIG1kHz2MW35.7kW31.8kW8.6kW8.2kW2kHz47.8kW35.4kW11.7kW9.1kW3kHz60.3kW38.7kW14.9kW10.0kW24直流BUS电压柔性控制DCBUSvoltageVS.电网电压Us0200040006000800010000120001400016000Vdc=1200Vfs=2kHzVdc=1050Vfs=2kHzVdc=1200Vfs=3kHzVdc=1050Vfs=3kHzLoss(W)PLPrrPoffPonPdconPscon直流BUS电压柔性控制可以降低在电网常态下变流器的损耗25目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结26燃料电池发电排放低高转换效率(40%-60%)热电连产将进一步提升能源利用率低噪音高功率密度未来将具有可靠性高,长寿命燃料电池将化学能直接转化成电能的装置优点质子交换膜燃料电池(PEMFC)

固体氧化燃料电池(SOFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)磷酸型燃料电池(PAFC)27质子交换膜燃料电池静态输出特性燃料电池由132个单体串联而成随着输出电流的变化，输出电压将会在一个较宽的范围内变化@10kWFuelCellstack,Vrate=100V28质子交换膜燃料电池动态输出特性功率突增：电压调整时间：2s功率突减：电压调整时间：2s

燃料电池时间常数:τFC=Δt2/3=0.67s（05kW0）29燃料电池发电系统结构负载的要求:由于内部电化学工程、机械装置的延迟，燃料电池动态响应慢,不能满足负载的要求燃料电池安全运行的要求:负载的扰动易使燃料电池内部参数（温度，湿度）超出正常范围,影响燃料电池的运行安全、运行寿命需要引入具有快速动态响应的储能环节弥补燃料电池动态特性的不足所谓“能量管理”30能量管理实验结果（1）(负载突增)无能量管理时候的情况(b)带能量管理时候的情况

负载突加时候燃料电池输出和负载电压电流波形

能量管理环节工作时候，然电池的输出在负载突加的时候是缓慢上升的31能量管理实验结果（2）(负载突减)

无能量管理时候的情况(b)带能量管理时候的情况

负载突减时候燃料电池输出和负载电压电流波形

能量管理环节工作时候，然电池的输出在负载突减的时候是缓慢下降的32目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结33电力储能技术可再生能源输出存在很大的波动性,电力储能装置可以在可再生能源发电装置与电网之间起到能量缓冲的作用。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能、超导储能（SMES）、超级电容储能蓄水储能与压缩空气储能主要用于电力调峰，但对地理条件有特殊要求。电池储能具有能量密度高、技术较成熟的特点，但电池循环次数是实用化的主要瓶颈飞轮储能的储能量有限，系统较复杂超导储能(SMES)具有能量密度较大、转换效率高、寿命长等优点，但建设成本和超导材料的成熟度限制了目前的应用。超级电容储能(SCES)具有功率密度高、循环寿命长等优点，但目前储能量较小。34风电与电能质量120s风速数据风电输出功率波动powerqualityproblemsInjectingtoweakgrid35Fluctuationofactivepowerisreducedfrom4MWto1MW.Fluctuationofreactivepowerisreducedfrom3MWto0.1MW.WithoutSCESWithSCESThefluctuationofvoltageisreducedfrom0.07puto0.01pu.Ratedpower4MVARatedenergy40MJACinductor0.12mHDCinductor0.08mHDCcapacitor50mFDCvoltage2kVSuper-capacitor2.7V,3000FSizingSC525×10SCESR17.5mΩSCvoltagerange0.7kV~1.4kVTransformer10kV/1kV,4.5MVABUS#2短路容量:105MVA,7倍风电容量超级电容储能装置WithSCESWithSCESWithoutSCES36目录背景光伏发电风力发电燃料电池发电电力储能技术并网技术总结37分布式电源PVFuelCellDDSGDFIG38并网要求:电能质量谐波次数（h）h<1111≤h<1717≤h<2323≤h<3535≤h总谐波％4.02.01.50.60.35.0IEEEStd1547-2003：规范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设备这类分布式电源系统并网的标准。（谐波兼容IEEE-519)39通过LCL滤波器接入电网MeettherequirementofIEEESTD1547-2003:Lowercurrentdistortion,THD<5.0%

AdvantagesHigherattenuationwithharmonicsLowervolumeforfilterinductorDegenerateasLCfilterunderstandalonemodeDisadvantagesThe3rdordersystemDifficulttoDampingcontrolLCLfilterisselectedVSPCCCSTSLgVgL1PCUDC+DC-VOi1本地负载L2igVL40兼顾稳定性指标，制约了系统带宽和增益，交流电流跟踪能力下降，电能质量下降a)传统逆变输出电流反馈(i1)b)传统电网电流反馈(i2)

电流加权平均值反馈控制电流加权平均值反馈控制技术通过独特的反馈信号，使零极点对消（偶极子），系统由三阶降为一阶系统并网控制比较带宽提升低频增益提高动态性能提高电流跟踪能力提升，电能质量提高BWextension41孤岛检测孤岛形成的原因1.电网出现故障导致分布式发电系统脱离电网；2.电网检修；3.人为的或者是自然的原因。孤岛的危害1.输出电压和电流不受控制，可能损坏用户侧的用电器和相关设备；2.对电网检修人员可能造成伤害；3.导致继电器重合闸失败，并且可能毁坏整个装置。分布式发电系统组成孤岛形成示意图并网发电模式孤岛运行模式发生孤岛无源孤岛检测方法有源孤岛检测方法逆变器外部孤岛检测方法1)高低压孤岛检测方法2)高低频孤岛检测方法3)电压相位跳变法4)电压谐波测量1)阻抗测量法2)谐波阻抗测量法3)滑模频率漂移法4)频率偏移法5)Sandia频率偏移法6)Sandia电压偏移法7)相位突变法8)无功扰动法1)阻抗插入2)电网与逆变器之间通信孤岛检测方法孤岛：电网中包含电源和负载的一个部分脱离主电网，并且继续运行的一种状态42并网要求:电网异常响应并网系统电压异常响应时间电压范围（额定电压百分比）响应时间（周期）