电力电子知识入门4

电力电子知识入门42023/12/27电力电子知识入门4目录风力发电光伏发电电力储能2电力电子知识入门4目前风电发展呈现特点风力发电电气控制组成风电变流器（双馈、直驱）国外风电变流器产品介绍风电变流器发展展望一风力发电3电力电子知识入门4一风力发电4电力电子知识入门4目前风电发展呈现特点：因风能转换效率高，在大型风电机组上更显经济性等，水平轴风电机组成了世界风电发展的主流机型，并占到95%以上的市场份额；而具有载荷控制平稳、安全和高效等优点的变桨距功率调节方式，近年也得到广泛采用。我国2008年安装的兆瓦级风电机组，都是变桨距机组。风电机组的单机容量持续增大，世界上主流机型已经从2000年的500～1000千瓦增加到2008年的2～3兆瓦。海上风电场的开发进一步加快了大容量风机的发展，目前，已有企业开始设计和制造8～10兆瓦风电机组。直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。据祁和生介绍，无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场的青睐。大型风电机组关键部件的性能日益提高。国外己研发出3000V~12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机的效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98%以上；某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化。风电场建设和运营的技术水平日益提高。“随着投资者对风电场建设前期的评估和建成后运行质量的要求越来越高，国外已开发出了许多先进测试设备和评估软件。”祁和生介绍说，在风电场选址方面开发了商业化的应用软件；在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件；国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究，精确度可达90%以上。一风力发电5电力电子知识入门4风力发电电气控制系统一风力发电6电力电子知识入门4整机分类从整机结构上分类，风电整机可以分成异步失速，双馈变速恒频，永磁直驱三种。由于电网对无功补偿和低电压穿越能力的要求，已经安装的异步失速风机风场，需要进行相应的改造以满足并网的要求。双馈变速恒频和永磁直驱风机由于安装了变流器，具有较好的对功率因素和无功的调节能力，逐步成为主要的发展方向。目前主流在产的1.5MW和2MW风机均采用这两种技术路线。风力发电电气控制系统一风力发电7电力电子知识入门4典型的双馈机型结构典型的直驱风机结构无齿轮箱直驱式风机：风机叶轮直接驱动多级同步发电机的转子发电，免去齿轮箱这一传统部件，发电机采用高磁能积的永磁材料作为磁极，省去了励磁绕组产生的损耗。双馈风力发电机：是通过叶轮将风能转变为机风轮转动惯量，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。风力发电电气控制系统一风力发电8电力电子知识入门4风电变流器一风力发电风电变流器与传动链的电气连接示意图9电力电子知识入门4双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。双馈异步发电机的系统结构双馈电机及变流器风电变流器一风力发电10电力电子知识入门411电力电子知识入门4双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：

式中

f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；p——发电机的极对数；n——转子的转速（r/min）；f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。一风力发电12电力电子知识入门4根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。一风力发电13电力电子知识入门42）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流。

定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。一风力发电14电力电子知识入门4当来流风速降低时，风力机转速降低，双馈风力发电机的转子转速n也降低，转子绕组电流产生的旋转磁场转速n2将低于双馈风力发电机的同步转速n1，定子绕组感应电动势的频率f低于额定频率f1（50Hz），此时转速测量装置立即将转速降低这一信息反馈到变流器，使转子电流的频率增高，则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速n1，于是定子绕组感应电动势的频率又恢复到额定频率f1。同理，当来流风速增大时，系统也会自动调整转子电流的频率，从而实现定子电流频率的恒定不变。总之当双馈风力发电机转子转速高于或低于同步转速时，应控制变频器能量流入或流出电网；二者相同时，变频器提供直流励磁。这样就控制了定子向电网供应电能频率的稳定。双馈风机控制控制过程：一风力发电15电力电子知识入门4双馈机组特点：双馈机组采用了多级齿轮箱驱动异步发电机，它的电机转速高，转矩小，重量轻，体积小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械损耗。双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3~1/4。双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在出现电网电压跌落的情况下，如果网侧电压下降40％，将会造成电机侧的电流上升4倍，考虑这种情况则变流器需要选用容量更大的IGBT，或者采用“crowbar”。另一方面电机侧的电流突增会对传动系统中的齿轮箱和发电机产生冲击，这些因素在双馈型变流装置的设计时都要予以充分的考虑。一风力发电16电力电子知识入门4

直驱电机及变流器发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变流器可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，具有较强的低电压穿越能力。当发电机采用低速多极同步发电机时,可以不使用齿轮箱,即“直接驱动”风力机系统，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/电流转换为和接入电网相匹配的电压和频率。风电变流器一风力发电17电力电子知识入门418电力电子知识入门41、由于电机在不同转速下输出电压不同，因此逆变器输入侧的直流电压一直在变化。当风速较低时，PWM逆变器输入电压很低，为了并网，必须提高逆变器的调制深度。这会导致逆变器运行效率低，开关利用率低，峰值电流高，传导损耗大。2、由于不控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。由于不控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。可在整流之后采用多级Boost电路交错并联的方式以增加功率传送能力并降低开关频率。主要缺点是，前端的PWM整流器的会大大提高系统的成本。一风力发电直驱型变流器拓扑19电力电子知识入门4直驱方案的优点：采用永磁同步发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。直驱型机组虽然采用了全功率变频装置导致成本上升，但是全功率变频装置所具有的技术优势却是非常明显的，它省去了故障率高、维护量大的滑环装置，使整机的可靠性进一步提高。特别是当电网出现电压跌落的情况时，由于全功率变流器的输出电流可以由直流电压做闭环控制，基本上能够很容易地控制输出电流的波动，这对电网的安全运行和保障机组设备本身的安全是非常重要的。一风力发电20电力电子知识入门4双馈异步式风力发电机和永磁直驱式同步风力发电机比较一风力发电21电力电子知识入门4可以安装在塔基处或者发电机舱内一风力发电ABB公司ACS800-67（用于异步滑环发电机）国外风电变流器产品介绍22电力电子知识入门4变流器模块一风力发电ABB公司ACS800-67（用于异步滑环发电机）国外风电变流器产品介绍23电力电子知识入门4ACS800-67双馈电机变流器原理图一风力发电国外风电变流器产品介绍24电力电子知识入门4电路板之间的接线图一风力发电国外风电变流器产品介绍25电力电子知识入门4网侧和转子侧变流器网侧变流器是一个基于IGBT模块的变流器(ISU)，它带有AC或DC熔断器及可选设备。它带有一个装有IGBT供电控制程序的RDCU-02控制单元。网侧变流器由转子侧变流器控制单元通过光纤进行控制。网侧变流器将输入的三相交流电整流为传动单元中间直流电路所需要的直流电。中间直流电流向转子侧变流器供电。网侧滤波器用来抑制交流电压和电流谐波。缺省情况下，网侧变流器将直流环节的电压控制在输入线电压的峰值。也可以通过一个参数将直流电压给定值设得更高。IGBT半导体模块的控制基于电机传动控制领域常用的直接转矩控制方法(DTC)。每个变流器模块都装有一个转速可控的内部风扇。该风扇的转速可以根据IGBT模块的温度进行调节。转子侧变流器包含一个或两个基于IGBT的逆变器模块(INU)。该变流器装有绕线电机控制应用程序，该程序还通过光纤对网侧变流器模块进行控制。LCL滤波器模块用来减少传动单元向电网产生的干扰。Du/dt滤波器用于抑制转子绝缘上出现的电压尖峰和快速瞬变电压。Crowbar用来在电网出现异常情况时防止出现过电压，例如在电网失压或电网短路时。一风力发电ACS800-67双馈变流器特点国外风电变流器产品介绍26电力电子知识入门4冷启动在传动单元通电之前，必须保证传动单元柜体内的温度和湿度在允许的范围之内。传动单元柜体内有一个加热逻辑电路，它控制着柜体内部的加热系统，该电路保证了只有在工作条件满足要求时才能启动传动单元。只有在网侧变流器接触器断开并且传动单元从电网断开时才能进行加热。当传动单元接入电网时，变流器的正常损耗可以保证传动的温度满足运行要求。加热逻辑原理图一风力发电国外风电变流器产品介绍27电力电子知识入门4Converteam双馈变流器ProWind(风冷)风冷2MW内置LVRT硬件机侧参数额定电压690V额定容量950KVA额定电流760A一风力发电国外风电变流器产品介绍28电力电子知识入门4Converteam双馈变流器ProWind(水冷)2.5MW一风力发电国外风电变流器产品介绍29电力电子知识入门4ProWind双馈变流系统的主要技术参数Converteam一风力发电国外风电变流器产品介绍30电力电子知识入门4ConverteamLVRT方案一风力发电国外风电变流器产品介绍31电力电子知识入门4一风力发电风电变流器发展展望高功率密度、通用模块化设计风力发电机组容量的增长要求变流器的功率密度不断得到提高，同时未来的海上风场环境也要求系统有很高的可靠性和方便的维护性。因此需要采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计方式。目前风电变流器应用最广泛的开关器件为IGBT，而随着变流器容量的增加，功率等级更高的IGCT将逐步得到推广应用。IGCT器件采用平板结构，损耗可以通过上下两个散热面向外传导，这就为充分发挥器件的功率处理能力、减小设备体积创造了有利条件。ABBPCS6000(5MW)全功率变流器中采用积木式模块，该模块集成了8个IGCT单元、吸收电路及水冷回路，取出任何一个IGCT单元都不需要拆卸母排和水管，并且智能保护系统能够在没有保险管的前提下保证IGCT损坏不会导致其余部件的损毁，其可靠性和可维护性达到了相当高的水平。三电平IGCT集成单元32电力电子知识入门4电压电流等级不断提高，拓扑结构更加灵活多样海上风力发电将风机从陆地移向海面成为一种新的趋势。随着风电机组单机容量的不断增大，风电变流器的电压与电流等级也在不断提高，多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后，可以在常规功率器件耐压基础上，实现高电压等级，获得更多级的输出电压，且波形更接近正弦，谐波含量少，电压变化率小。目前，世界范围内从事大功率风力发电用变流器和高压变频器研制的一些公司，均采用多电平的产品方案:ABB用于风力发电的变流器PCS6000采用四象限二极管钳位三电平结构，器件采用IGCT；Siemens也有相似的应用，功率器件采用高压IGBT；法国ALSTOM公司采用飞跨电容型四电平拓扑，功率器件采用IGBT，另外还基于IGCT开发出了飞跨电容型五电平变频器。一风力发电ABB四象限二极管钳位三电平电路拓扑33电力电子知识入门4一风力发电低压穿越问题研究逐步深入风力发电装机容量越大，其低电压穿越能力对电网的影响越大，而变流器是实现这一功能的主要承担者。因此，使风电机组能够满足和火力发电类似的传轴可靠性标准是变流器设计的一个重要目标。通过提高发电机组和变流器控制设计，低电压穿越技术能使风电机组在出现严重电网扰动时可以不间断运行并快速向电网提供无功，减少电压崩溃的危险。从国外直驱风电产品及其应用看，为适应新的电网规则对低电压穿越和无功支持的要求，都已将这些功能集成到其产品中，可见低电压穿越与无功支持已成为大型风电机组必须具备的重要功能之一。目前国内相关研究还存在两个急需解决的前提条件，一是相关的正式标准需要尽快推广实施，二是需要根据标准建立相应的试验平台。国外一些变流器厂商都相继建立了专门的低电压穿越测试设备和实验室，如ABB针对最新出台的IEC61400-21标准建立电网故障模拟装置。此外，在无功支持实现的研究中，如何协调多台风力发电机的无功功率控制，获得更好的风电场电压控制效果，也引起了相关研究人员的关注:变流器无功调节通常以风电场接入点电压水平为控制目标，通过接入变流系统，单台风力发电机组可以通过变流器的快速电压控制，实现调节自身输出无功功率的功能;但多台发电机组均自行调节输出无功功率，反而可能加剧风场公共接入点电压的波动，与稳定风场公共接入点电压的初衷背道而驰。34电力电子知识入门4电磁兼容问题随着直驱风电机组的大型、超大型化，以及风力发电所占电网发电份额的逐年扩大，作为主要电网接入设备，变流器系统的电磁兼容性能无疑成为影响风电机组甚至风场发电性能的重要因素。目前，在电磁兼容性和电磁干扰治理方面，关于小容量变流装置的研究成果已有较多文献发表，且多数研究关注于低频段的谐波分析和电磁干扰抑制，而对高频段的辐射干扰方面研究较少。由于大容量变流器在功率信号等级、结构尺寸和电路拓扑上的差异，以往的电磁干扰抑制技术很难直接应用，必须研究适合于高强度电场、磁场工作场合的干扰抑制技术。另外，从风电机组系统的电磁兼容角度，也需要开展高频辐射干扰的研究工作，确保系统工作在一个良好的电磁环境中。一风力发电35电力电子知识入门4太阳能光伏发电原理光伏逆变器的应用类型光伏发电系统的主要技术要点光伏逆变器的基本要求和发展趋势光伏逆变器的拓扑结构光伏逆变器设计要求及相关技术光伏逆变器关键技术（MPPT、过/欠电压、防孤岛、系统谐波抑制、PLL）重点光伏逆变器厂商及其产品介绍二光伏发电36电力电子知识入门4二光伏发电37电力电子知识入门4太阳能电池板工作原理：基本材料为Si及其化合物；基本结构为PN结；光照在PN结上，导致电子和空穴移动，接通PN端，即形成电子从N区流向P区的电流；单一Cell只能产生约0.5V的电压降，通常的太阳能组件是由许多Cell串并联组成，用特用化学材料封装，并加以铝框后制成。二光伏发电太阳能光伏发电原理38电力电子知识入门4太阳能电池组件输出特性二光伏发电太阳能光伏发电原理39电力电子知识入门440●光伏独立供电系统－PV组件－蓄电池－充放电控制器●光伏并网系统－PV组件－并网逆变器－双向计量装置－公用电网光伏发电系统二光伏发电太阳能光伏发电原理40电力电子知识入门441逆变器是光伏电站系统的核心技术，要求无故障工作时间长达10年，并网、防孤岛、谐波抑制等多项关键技术难度大，也是中国急待突破的瓶颈技术难点41二光伏发电太阳能光伏发电原理41电力电子知识入门4户用单相并网逆变控制系统，功率等级以2-8kW为主；单相或3相中功率并网逆变控制系统，功率等级大多为10-300kW，多应用于建筑一体化项目；大功率并网逆变电站用逆变器，主要用于大规模光伏电站建设总功率逾MW级，甚至数百MW，一般由100kW-500kW以上的并网逆变控制系统组成。

42光伏逆变器的应用类型二光伏发电42电力电子知识入门4光伏发电系统的主要技术要点43二光伏发电43电力电子知识入门4是实现将太阳能转变成符合电网接入要求的关键设备；具有最大功率点跟踪；孤岛保护等功能；转化效率>95%和谐波指标要求高<3%；可控性、可靠性等都有极高的要求。*44光伏逆变器的基本要求和发展趋势二光伏发电44电力电子知识入门4二光伏发电光伏逆变器的拓扑结构45电力电子知识入门4*不同形式的优缺点二光伏发电46电力电子知识入门4成本性能性能成本TradeAreaImpossibleCostLine在普通电气设备的选型中，成本是决定性指标,但是并网逆变器的关键指标是性能和发电量二光伏发电性能与成本的协调47电力电子知识入门4二光伏发电新型光伏并网逆变器的结构框图48电力电子知识入门4光伏系统对逆变器的要求：高效，高可靠性，长寿命，低价格；除此之外，选择具体架构时还要考虑漏电流，绝缘以及体积和总量等因素。二光伏发电光伏逆变器设计要求及相关技术49电力电子知识入门4效率目前市场上销售的光伏逆变器最高效率98％，欧洲效率达97.5%实验室（ISE）最高效率约为98.5％典型效率：Transformer：91～93％Notransformer：94～96％寿命太阳能电池板寿命约为20年，而逆变器寿命大约为5年左右ISE（FraunhoferInstitueforsolarEnergysystems）98.5％usingSiCtransistor，Singlephase,5kWgridtiedInverter；HERIC技术欧洲效率定义：效率与寿命二光伏发电50电力电子知识入门4ZSource电压型逆变器（包括多电平和级联等架构）优点：控制简单=〉PWM控制缺点：硬开关=〉开关损耗大，EMC严重电流型逆变器优点：控制简单（PWM）+开关器件电压应力低缺点：硬开关=〉开关损耗大，EMC严重Z-Souce优点：可实现Buck、Boost功能+PWM控制缺点：硬开关+大电容并网逆变器架构二光伏发电51电力电子知识入门4逆变器软开关技术优点：减少开关损耗+EMC轻缺点：控制复杂+辅助电路+牺牲轻载效率二光伏发电并网逆变器架构52电力电子知识入门4带隔离变压器？无隔离变压器型逆变器占据70％市场份额。但美国市场依然是带变压器的逆变器为主。UL1741以及NEC2008标准只是对600VDC以下系统没有接地要求，但以三相系统为主的600VDC以上系统，依然有接地要求；无隔离变压器逆变器，需要RCMU（ResidulaCurrentMonitorUnit）隔离变压器缺点：效率低，体积和重量二光伏发电设计要求及相关技术53电力电子知识入门4当负载RL从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm，将此M点定义为最大功率输出点（MPP）。光伏电池的伏安特性光伏电池的输出特性图二光伏发电光伏逆变器关键技术——MPPT54电力电子知识入门4MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。图4-22不同光照强度下的光伏电池最大功率点

MPPT工作原理：二光伏发电光伏逆变器关键技术——MPPT55电力电子知识入门41.定电压跟踪法2.扰动观察法3.功率回授法4.增量电导法5.模糊逻辑控制6.滞环比较法7.神经元网络控制法8.最优梯度法常用最大功率点跟踪算法：

在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。二光伏发电光伏逆变器关键技术——MPPT56电力电子知识入门4多DC/DC模块的MPPT跟踪，减少光伏板的串并联数量，提高组件利用率系统级监控，调节各个逆变器的工作点，防止工作点的偏离导致多余的停机二光伏发电光伏逆变器关键技术——MPPT逆变器的发电量最大是决定性因素57电力电子知识入门4LocalMPP不同逆变器发电量比较全局MPPT/分布式MPPT二光伏发电光伏逆变器关键技术——MPPT58电力电子知识入门4系统协调，通过监控主机设定最优工作点二光伏发电光伏逆变器关键技术——过/欠电压问题59电力电子知识入门460光伏发电带来的新安全隐患二光伏发电光伏逆变器关键技术——防孤岛问题60电力电子知识入门4孤岛现象定义所谓孤岛现象，是指当电网因当电网因故障、事故、自然因素或停电维修等原因而跳脱中断供电时，光伏并网逆变器未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，仍继续向电网输送一定比例的电能，由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛孤岛现象危害孤岛上的电压和频率漂移可能会损坏用电设备；会威胁输电线路维修人员的人身安全；单相并网发电系统继续对某一相线路供电，会造成三相负载的欠相供电；电网恢复供电时，孤岛电压的频率、幅值和相位都可能与电网电压不同步，这样就可能损坏并网逆变器。常用反孤岛算法被动方式（Passivemethods）：欠压/过压；欠频/过频；电压相位跳变侦测；电压谐波侦测主动方式（Activemethods）：输出功率偏移，主动频率漂移；滑膜频率漂移，电压或频率正反馈，利用外部设备或谐波注入进行阻抗检测。二光伏发电光伏逆变器关键技术——防孤岛问题61电力电子知识入门4孤岛导致的安全问题灵敏度与覆盖率的折中二光伏发电光伏逆变器关键技术——孤岛检测技术62电力电子知识入门4实用的孤岛检测技术被动检测技术存在盲区，当本地负载与逆变器功率较为匹配时，被动检测一般是检测不出来的；实际中应用的Anti-islanding技术一般是被动检测和主动检测相结合的方式。二光伏发电光伏逆变器关键技术——孤岛检测技术63电力电子知识入门4频率和电压正反馈法正反馈的概念就是在孤岛发生后加强电压和频率的变化，在标准RLC负载条件下，其有功和无功与电压和频率关系为下面两式，据此可建立正反馈。在DQ坐标系中，假定有功分量被定在d轴上，而无功分量被定在q轴上。改变任一个分量（即有功或无功）除了会改变该对应轴上分量的数值外，还会改变合成空间矢量与d轴（或q轴）的夹角，因而会改变频率（因频率是相角的积分）。若逆变器工作在功率因数为1时，那么改变d轴分量将不会对频率产生任何影响。二光伏发电光伏逆变器关键技术——孤岛检测技术64电力电子知识入门4二光伏发电光伏逆变器关键技术——系统的谐波抑制问题65电力电子知识入门4光伏并网发电系统中同步的意义：满足相关标准中对功率因数的要求；满足相关标准中对谐波的要求；减少电网暂态现象对PVInverter的影响；两种基本的同步方法过零点侦测在单相系统中被广泛应用；锁相环（PLL）普遍应用于三相系统；可以推广到单相系统中；PLL优点无需引入延迟同时可以得到电网电压频率以及有效值（RMS）信息；二光伏发电光伏逆变器关键技术——PLL66电力电子知识入门4二光伏发电重点光伏逆变器厂商及其产品——SMASMA艾思玛技术股份公司，成立于1981年，总部位于德国的Niestetal（属于卡塞尔市）。是光伏逆变器的全球市场领导者，在光伏系统技术、风能和互补供电系统方面有着28年的丰富经验，是全世界光伏领域最早涉猎者之一。其光伏逆变器的市场份额占有率达到50%以上。SMA公司于2003年在北京设立了代表机构，开始了中国市场的开拓。随着2005年《中华人民共和国可再生能源法》的正式颁布，SMA光伏技术在中国市场的应用越来越广泛。其中典型项目如亚洲最大的深圳国际园林博览园1MWp光伏并网系统、与华能公司合作的南澳风场100kWp风光互补发电系统、在新疆、青海、云南、甘肃建设独立村落供电系统的德援KFW项目、与无锡尚德合作的云南电网200kWp光伏并网系统等项目。SMA于2007年初，投资成立了艾思玛（北京）商贸有限公司。67电力电子知识入门4SMA公司的主要核心技术为光伏逆变器产品的研发，其产品型号多达几十种，包括光伏电站的监控系统和配套软件，SMA公司在光伏逆变器的丰富经验基础上还致力于小型风电变流器的研制工作。无变压器型并网逆变器变压器型并网逆变器并网备用发电系统集中型并网逆变器离网供电系统通讯与监测系统风能技术二光伏发电重点光伏逆变器厂商及其产品——SMA68电力电子知识入门4SMA无变压器型并网逆变器——SB系列二光伏发电SB系列是SMA无变压器系列的第一款产品，运行稳定可靠，效率高。产品型号主要有SB2100TL、SB3300TLHC、SB4000TL、SB5000TL、SB4200TLHC、SB5000TLHC。

SB2100TL、SB3300TLHCSB4000TL、SB5000TLSB4200TLHC、SB5000TLHCSunnyBoy多组串型逆变器可以同时与2组光伏组件连接运行，它与传统的组串技术不同的是，多组串逆变器可以连接不同朝向的光伏组件，也可以弥补不同连接串中由于不同光电组件数量、不同电池板型号、阴影或部分阴影带来的影响。因为每串都具有独立的最大功率跟踪器，最后通过一个共同的逆变器转换两个直流单元输入。69电力电子知识入门4

SMA无变压器型并网逆变器SunnyTower

二光伏发电SunnyTower是采用小型逆变器组建成大功率的并网发电系统，组合后功率可达到50kW，且经济效益与小型逆变器一样可观，SunnyTower的转换效率可达到98%。系统框图

技术参数外形图70电力电子知识入门4SMA无变压器型并网逆变器SMC系列

二光伏发电SunnyMiniCentral系列开创了逆变器技术的新标准，逆变器的转换效率首次达到98%，功率从6kW到11kW分为六款产品。技术上采用了H5技术以及直流电子开关ESS，采用MPPT优化跟踪技术OptiTrac，具有功率平衡功能，能够在不同相上控制并平衡并网输出功率。71电力电子知识入门4SMA变压器型并网逆变器二光伏发电

SB700：具有三种不同的电压输入范围。SB1100LV：是为21-60V的低直流输入电压设计的逆变器SB1100、SB1700系列逆变器

SB2500、SB3000：是目前SunnyBoy系列逆变器中销量最多的。SB3300、SB3800：是SMA公司的一款测试产品。SMC5000A、SMC6000A：最小的集中型逆变器。SMC7000HV变压器型并网逆变器在无变压器型并网逆变器的基础上，增加了输出侧的隔离变压器，实现电气隔离。其产品型号比无变压器型逆变器要丰富的多，是SMA公司最早推出的系列逆变器产品。主要分为SB系列和SMC系列。72电力电子知识入门4SMA变压器型并网逆变器二光伏发电以SMC7000HV为例，介绍变压器型逆变器的技术特点，SMC7000HV型逆变器具有宽的电压输入范围，上限达到800V，适合于系统电压高的组件配合使用，系统框图和技术参数如下图所示，系统框图中可见其输出侧设置了隔离变压器。73电力电子知识入门4SMA集中型并网逆变器二光伏发电随着市场对光伏并网系统的需求不断增长，光伏并网系统的容量也越来越大。SMA公司的集中型并网逆变器的功率单台从100kW到1250kW，整个集中型逆变器采用机柜安装，具有组串监测、联组运行等功能，内置数据采集监控系统进行系统监测和数据分析，并可以通过网络进行远程登陆，实现远程监控。SMA集中型逆变器的产品型号比较多，总体上分为SC型、SCLV型、SCHE型、SCMV型和保护监控器件。集中并网逆变器SC系列

SC系列产品型号主要有SC100(户内/户外)、SC150、SC200、SC250、SC350。采用紧凑型机柜设计，直流侧装有断路器，具有直流侧和交流侧过压保护功能，通过远程接入实现远距离数据通讯，可以通过邮件或短信发送故障和状态信息。74电力电子知识入门4SMA集中并网逆变器SC系列

二光伏发电75电力电子知识入门4SMA集中并网逆变器SCLV系列

二光伏发电SCLV系列的集中并网逆变器是应用于300-600DC低电压输入范围，用于与低系统电压的组件连接，产品型号主要有：SC100LV、SC125LV，08年推出了SC400LV型。76电力电子知识入门4SMA集中并网逆变器SCHE系列

二光伏发电SCHE系列并网逆变器取消了低压变压器，可以配置中压升压变压器，与中压电网连接。主要产品型号有：SC200HE、SC250HE、SC350HE、SC500HE，08年推出了SC630HE。77电力电子知识入门4SMA集中并网逆变器SCMV系列

二光伏发电SCMV型系列并网逆变器为大容量电站级集中并网逆变器，内置中压变压器，提供交钥匙解决方案，采用混凝土户外箱房结构，内部取消低压变压器，可提高发电效率1.5-2.0%，直流输入电压可扩展至1000V，每个MV电站都由两台SCHE型设备组成，与一个共同的中压变压器相连接。电站内置数据采集器，能对整个光伏电站的运行进行监控，并对逆变器数据进行分析。具有远程登陆功能。产品的具体型号有：SC400MV、SC500MV、SC700MV、SC1000MV，08年推出了SC1250MV，是目前SMA公司单台逆变器的最大容量。

78电力电子知识入门4二光伏发电SMA主要核心技术

直流电子开关ESS电气设备的运行过程中，必须有能与电源断开的开关。逆变器同样如此。逆变器是一端连接交流电网，一端连接直流电源的装置。为了避免出现电弧情况下可能有的危险，在断开设备时必须遵守一定的顺序：即先将逆变器从交流电网断开，然后将逆变器与光伏组件断开。虽然大家都了解这种断开程序，但偶尔还会有不正确的操作发生。因此，在光伏组件和逆变器之间需要有额外的断开设备，即直流断路器。这在德国已经成为光伏发电系统的安装标准，并在DINVDE0100-712标准中有所规定。如果使用外部断路器，会增加投资和安装成本；如果在逆变器内部安装负载继电器，需要不间断的进行功率控制，电量损耗很大，由此会降低整个发电系统的效率。针对以上问题，SMA公司发出一款容易操作，能够进行可靠的自动断电且对光伏系统的效率不会产生影响的直流断路设备ESS。ESS采用一个手动操作装置，能够遮盖光伏组件正负极的所有连接，因此对运行负载的安全形成更大的保护。如果要断开逆变器与光伏组件的连接，必须首先将ESS得持柄全部断开拉出来。与此同时，因为持柄的移除，内部安装的跳线会中断电流，从而激活电子开关，安全保护元件免受电弧的影响。负载运行时，电子开关也会发生作用，即使出现故障，或者与光伏电站系统断开时使用了错误的操作流程，也能够对故障设备提供最大的保护。只有在这时，才能操作直流连接插头，才能安全断开所有设备。ESS的运行不会对电量造成任何损失，同时成本很低。79电力电子知识入门4H5技术光伏电站系统运行的一个重要因素是最低的能源损耗同时获得最高的转换效率。目前逆变器的能量损耗一般约为将从光伏组件输出的直流电转换成的交流电总量的4-8%。这与逆变器的转换效率通常为92-96%相符，提升整个转换值是一项高难度的技术挑战，仅仅优化设备性能是无法实现这一点的。H桥承担了逆变器的基本功能。一台逆变器通常有四个电气开关，用以调节输入和输出之间的电流。起初，在逆变器的输入端，光伏组件产生的直流电都暂时储存在电容器中。这样电流就可以不受电气开关的影响，一直以峰值运行。由于电气开关长期打开或关闭，电容器不断地放电，甚至可以说直流电达到了“抽空”状态。所以逆变器就只能在并网和非并网两种状态下变换。在逆变器的输出端口有电感器，将脉冲式直流电转化成正弦波式交流电，就可以持续不断地向地方电网进行并网供电。H5技术的出现打破了这种模式。因为即使H桥不运行的时候，仍然有电流存在，但却是向相反的方向流动：从逆变器输出端流向电容器，为了防止并网时的电流波动，减少电流转换过程中的电量损耗，SMA公司开发了H5技术：电气开关采用一种全新的脉冲率，在原来的四个电气开关的基础上加入了第五个开关，能够在电流自由流动时防止电流向电容器的流回。这样也大大减少了原先电流波动造成的电量损耗。H5技术将转换过程的效率损耗降低了一半，达到2%，逆变器的转换效率可以超过98%。二光伏发电SMA主要核心技术

80电力电子知识入门4二光伏发电SMA主要核心技术

SunnyTeamSunnyTeam是SMA研发的不同于主从结构的一种电站并接方案，并已获得专利。对使用多台逆变器的系统，在提高发电量的同时，也增强了发电的可靠性。SunnyTeam的优势在于：只有处于激活状态的逆变器承担逆变工作，而其他逆变器可以停止运行。这大大提高了在日照较弱的低功率输入状态下的系统效率。如果其中一台逆变器出现故障，其他逆变器仍然正常工作。下图为SunnyTeam模式与普通模式下的系统效率对比图和SunnyTeam的系统框图。

SunnyTeam模式与普通模式下的系统效率对比图SunnyTeam的系统框图81电力电子知识入门482DELTA公司SolarInverterSI1900机械工业出版社第4章太阳能、光伏发电与控制技术二光伏发电其它光伏厂商及产品简单列举82电力电子知识入门483SolarInverterSI3300机械工业出版社第4章太阳能、光伏发电与控制技术二光伏发电83电力电子知识入门484CentralInverterCI100机械工业出版社二光伏发电84电力电子知识入门485XANTREX公司GTSeriesGridTieSolarInverter机械工业出版社二光伏发电85电力电子知识入门486GTSeriesGridTieSolarInverter参数机械工业出版社二光伏发电86电力电子知识入门487GT30EInverter机械工业出版社二光伏发电87电力电子知识入门488BPSOLAR公司GCINVERTER机械工业出版社二光伏发电88电力电子知识入门489机械工业出版社二光伏发电89电力电子知识入门490sunways公司SunwaysNT6000,NT5000,NT4000andNT2600SolarInverters机械工业出版社二光伏发电90电力电子知识入门491机械工业出版社二光伏发电91电力电子知识入门492FroniusIG15/20/30Fronius公司机械工业出版社二光伏发电92电力电子知识入门493FroniusIG40/60HV机械工业出版社二光伏发电93电力电子知识入门494FroniusIGCentralInverters机械工业出版社二光伏发电94电力电子知识入门495FroniusIGPlus35机械工业出版社二光伏发电95电力电子知识入门496机械工业出版社二光伏发电96电力电子知识入门497TheMSSeriesPureSineWaveInverter/Charger机械工业出版社二光伏发电97电力电子知识入门498机械工业出版社三电力储能电力系统对储能的需求大容量储能方式电池储能技术的特点及现状国内外铁锂电池储能电站应用现状电池储能系统组成电池充放电特性储能变流器（PCS）国内外储能变流器产品98电力电子知识入门4三电力储能1)负荷调平(或削峰)–近年来空调负荷增加很快，往往达一些大城市（如北京、上海）负荷的30%~40%，而且对气温变化非常敏感（冬季和夏季均有需求）–负荷峰谷差越来越大–电力系统运行人员难以调度，通常他们利用水力发电、集中式抽水蓄能或安装更多的调峰机组（如快速启动的燃气轮机）来与此适应–也可增加常规煤电的调峰能力（如华北电网系统），但煤电低出力时热效率低下，不停的调峰会导致增加故障、厂用电率增加、发电煤耗上升、检修期缩短、成本增加等问题电力系统对储能的需求99电力电子知识入门4–电力短缺有时往往只发生在夏季的白天，峰荷有时还可能是很尖和短暂的，如采用电能储存技术，则新的发电厂、输电线和相应的设备建设就可能推迟–在日本，有些电力公司，如东京电力公司TEPCO,用钠硫电池[NASbattery—(Natrium拉丁文)SodiumSulfurBattery]作为电力系统的储能手段，安装在变电站侧或负荷侧。至2008年，安装总量已达215个系统（302MW),其中约2/3用于负荷（工厂和大楼）调平，仅2009年一年新装90MW，因此，至2009年底的总安装容量达392MW。目前的年生产能力已达到150MW，预计2010年可安装150MW。三电力储能电力系统对储能的需求100电力电子知识入门4三电力储能电力系统对储能的需求101电力电子知识入门42)提高电能质量–越来越多的电子型负荷，它们对电压很敏感的，特别是对电压暂降（骤降）【voltagedip(sag)】或对供电短时的中断–如果采用一些储能设备(如蓄电池、飞轮等），并与无功补偿设备相结合，供电质量就可得到改善。三电力储能电力系统对储能的需求102电力电子知识入门43)辅助可再生能源发电以获得稳定的电力输出–越来越多的可再生能源，如风电、太阳能光伏发电接入电力系统–通常电力系统的运行人员调节发电机的输出功率以适应负荷的变化，但如果发电侧本身是间歇式的、不可调的，那么运行人员该怎么办呢？---储能是最好的办法–在中国，风电往往通过110kV以上等级的高压输电线将大容量的风电（10MWto100MW)接入电力系统，此时往往需要大容量的储能手段–当一个电力系统中的风电比例较小时，通常利用其他常规的发电技术（如煤电）与风电变化的输出相配合。常规的发电技术（如煤电）的热备用和冷备用也应有所增加，但当风电比例较大时，仅用常规手段难以满足调节需求。三电力储能电力系统对储能的需求103电力电子知识入门4•在德国应用风力发电预测技术来协助运行人员的调度（目前中国也已部分实现），但预测的误差总归会有，预测的精度与时间有关，通常预报时间越短越精确。在风电变化大的情况下，即使预测很精确，归根结底还是需要具备一定的调节和储能手段三电力储能电力系统对储能的需求104电力电子知识入门4•预测的风电往往被处理成负的负荷，电力系统的运行人员就根据新的负荷曲线来进行调度，风力发电的信用度（credit）较低，只有20%~30%，或低于10%,由此常规发电的装机容量几乎与以往相同，只是节省了一些矿物燃料。•如果应用储能技术，则风力发电的信用度就会大大增加。三电力储能电力系统对储能的需求105电力电子知识入门44)改善电力系统的稳定性能，增加可靠性，作为供电事故备用(蓄电池、飞轮、超导储能SMES、超级电容器等联合应用)分布式电能DistributedEnergy(DE)=分布式发电DistributedGeneration(DG)+储能EnergyStorage(ES)。在分布式电能系统中，如果微网与相连之配电网解列而成孤立网的运行方式，则微网中储能是必须的。三电力储能电力系统对储能的需求106电力电子知识入门4电能存储方式主要可分为：电化学储能、物理储能和电磁储能电化学储能主要有铅酸电池、液流电池、钠硫电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等储能形式；物理储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能方式包括超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能。储能技术分类：储能系统装置技术和储能系统的应用技术。三电力储能大容量储能方式107电力电子知识入门4目前，抽水蓄能电站、压缩空气储能、铅酸电池和低速飞轮技术较为成熟，已经实现商业化应用，其余各种原理和方式的储能装置还都处在研究或示范阶段。三电力储能大容量储能方式108电力电子知识入门4三电力储能电池储能技术的特点及现状109电力电子知识入门4三电力储能国内外铁锂电池储能电站应用现状110电力电子知识入门4三电力储能电池储能系统组成111电力电子知识入门4三电力储能电池储能系统组成——电池成组112电力电子知识入门4三电力储能电池储能系统组成——BMS113电力电子知识入门4储能变流器（PCS）作为电网与储能装置之间的接口，是储能系统的重要组成部分。它能够应用于储能系统并网、储能系统孤岛运行并在两者之间进行状态切换。技术要求：不同模式充电功能不同模式放电功能孤岛检测功能低电压穿越功能有功和无功的控制功能并网和离网的模式切换功能保护功能人机界面和通讯功能三电力储能电池储能系统组成——PCS114电力电子知识入门4DC/DC直直变流器的拓扑结构图不同类型电源接入功能直流微网电网支撑功能对分布式能源接入电网隔离保护功能人机接口和远程通讯操作功能技术要求：多种充电功能不同模式放电功能电压变换功能保护功能三电力储能电池储能系统组成——PCS115电力电子知识入门4三电力储能电池储能系统组成——监控116电力电子知识入门4充电过程中电气特性：整个过程中电压变化不大开始阶段为恒流充电充电电流变小，电压保持不变电池容量逐渐上升蓄电池充电特性三电力储能电池充放电特性117电力电子知识入门4蓄电池充电三阶段三电力储能电池充放电特性118电力电子知识入门4放电过程中电气特性：在放电过程中电压变化不大，可视为电压源放电电流由外部电路控制电