电力电子与新能源技术

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

及运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，能源问题成为妨碍开展的重要妨碍环境污染——传统的能源利用方式给今天人类的生活环境呵斥了大量的污染；气候变化——煤炭等化石燃料排放的温室气体对气候变化呵斥宏大影响。出路与对策开展低碳经济，走可继续开展道路。节能:努力推进节能和科学用能提高能源利用效率，减少化石能源耗费，维护生态环境。采用变频调速减少风机、泵类负载的电能损耗。提高用电安装的功率因数，或采用功率因数补偿安装。采用新资料、新技术提高电源与电器设备的效率。节能:努力推进节能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，人们必需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安装。因此，人们多年来不断在努力寻觅能源利用效率高、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

及运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，两电平构造，SPWM或SVPWM整流：不可控整流或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、直接转矩控制运用：一切低压电机驱动而需求调速的对象中、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开展：HV-IGBT、IGCT、IECT电压等级：中压3000V，高压6000V以上主回路构造：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运用：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/6000VIECT〔注入加强型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构造交-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-交变频主回路拓扑构造交-交变频主要特征能量双向流动，可四象限运转选用SCR作为功率器件，普通为36个输出功率：5000KW—20000KW输出频率：1/3~1/2电源频率输出电压：3000V交-交变频缺乏之处电网那么谐波电流较大，功率因数低输出电压、电流谐波分量大调速范围小需求滤波与无功补偿交-交变频的运用轧机主传动、船舶电力推进、球磨机和水泥回转窑，普通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-交两电平变频单管构造，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战略。难点：串联开关管需求动、静态均压，因此对驱动、控制电路的要求也大大提高，还需求处理dv/dt、抗共模电压技术、正弦波滤波技术等问题。运用：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流动，不能四象限运转选用IGBT等功率器件输出频率：范围较大单管构造输出电压：1200V多管构造输出电压：3000~6000V不可控整流交-直-交两电平变频缺乏之处电网那么谐波电流较大，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，四象限运转电网那么谐波小，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运用：高性能调速系统，轨道交通牵引交-直-交三电平变频防止了器件直接串联的动态均压问题。输出电压的电平数添加，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，四象限运转电网那么谐波小，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运用：轧机主传动，电力牵引，船舶推进等高性能四象限运转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翻开，两套3kV三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、本钱高、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POWERCELLB1POWERCELLA1POWERCELLC1POWERCELLA2POWERCELLB2POWERCELLC2POWERCELLC3POWERCELLB3POWERCELLA3高压电机CENTRALCONTROLSYSTEMTYPICALPOWERCELLLOCALCONTROLS三相高压输入三相变压变频高压输出FIBEROPTICS集成一体式变压器级联型多电平电路构造的优点直流侧采用相互分别的直流母线供电，不存在电压平衡问题；构造简单明晰，控制方法相对简单，可分别对每级进展PWM控制；无需钳位二极管或钳位电容，易于模块化封装。单元模块化为实践安装、运用、维护方便。当H桥出现缺点，可将其旁路，余下的单元可以继续任务。级联型多电平电路构造的优点输出电压、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构造存在的缺陷电路的每个根本单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。运用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼此隔离，从而处理单元级联时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数添加，直流电源数也将大量添加。级联型多电平电路构造存在的缺陷普通采用不可控整流，无法实现能量回馈及四象限运转，只适用于风机、水泵等普通不要求四象限运转的设备。需求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开展与成熟，为大功率高压变频调速积累了阅历高压、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能够大功率高压变频调速具有宽广的运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转的现状风力发电并网方式存在问题及应对战略新型微电网风力发电并网运转的现状新疆达坂城风力发电厂全球风电装机容量继续增长截至2021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越1500万千瓦，合计占全球风电总装机的比重到达74%。我国占据首位。数据来源：GWECGlobalWindReport2021我国风电行业2006年，我国风力发电开展的预测目的我国风电行业数据来源：水规院<2021年度中国风电建立统计评价报告>“十一五〞期间，风电装机容量快速增长，年均增速接近100%，风电开场进入规模化开展阶段。截至2021年底，中国风电并网容量到达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运营区内风电并网容量年均增速到达97.65%。2021年到达4394万千瓦，同比添加1568万千瓦，增长55%，比2006年增长25倍。我国风电行业2021年分区风电并网容量东北、华北、西北地域分别为1518、1678、830万千瓦。占全国风电并网容量的比例到达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2021年，我国风电发电量715亿千瓦时，同比添加225亿千万时。数据来源：水规院<2021年度中国风电建立统计评价报告>风电并网容量快速增长风电并网容量快速增长2021年，全国风电设备平均利用小时数约1928小时，比2021年减少169小时。2021年主要省区风电发电利用小时数大中型风电场2021年底，10万千瓦及以上风电场219座，比年初添加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转交流励磁双馈变速恒频发电风力发电并网运转无刷双馈发电机变速恒频发电风力发电并网运转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750千伏的并网风电工程个数和容量分别占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%。存在问题及应对战略海上风电场风电脱网事故风电脱网事故事故主要缘由：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才干所致。电网平安稳定运转的问题日益突出。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。需求电力系统配置与风电接入规模相顺应的快速灵敏调理电源〔包括抽水蓄能、多年调理性能水电站、燃油燃气机组等〕，充分发扬灵敏调理电源的快速启停优势，参与系统调峰、调频和调压，保证电网平安，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。风电并网与电源构造不合理存在问题及应对措施2由于电网送出工程与风电工程核准不同步、建立工期不匹配，受当地电力系统消纳才干和外送才干的限制，已出现不同程度的弃风情况，迫切要求风电工程和配套电网送出工程同步核准、同步建立和同步投产。风电开发与电网送出工程的统筹建立存在问题及应对措施3风电出力具有随机性、动摇性、反调峰性、顶峰时段保证容量低等特点，大规模间歇性电源接入电网，不仅将对电力系统平安稳定运转带来影响，并且显著影响电力系统运转经济性，表达在远间隔、大容量送出风电的输电本钱、为保证顶峰电力可靠供应而添加的容量富余性本钱，以及保证电网实时平衡而发生的额外平衡本钱的大幅添加。风电接入添加电力系统的并网本钱，引起新的利益矛盾存在问题及应对措施4需求侧呼应相对滞后，负荷需求刚性，尚没有真正建立起电力需求与电价的呼应和联动机制，用电构造短时期内难以改观。迫切需求调整电价机制，建立峰谷分时电价等灵敏电价机制，提高需求侧呼应鼓励，改善需求构造，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规范体系和检测认证任务相对滞后，风电场整体技术程度不够高。随着近几年风电并网容量的快速增长，在高速开展过程中留下的平安隐患曾经逐渐暴露，且呈现集中迸发态势。风电并网的电网平安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呼应，电源的可控、在控是保证电力系统平安稳定运转的根本技术要求。因此，风电实现规模化并网发电，融入电力系统运转，严厉的并网技术规范和管理规范是根本前提。需求加快并网检测才干建立，更需求进一步提高风电配备程度，满足技术规范和检测要求。同时加强风电场设计、建立及施工管理，提高风电场建立质量。风电并网的电网平安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域，其可再生能源丰富，可以充分利用当地的风能、太阳能进展发电。微电网：概念与构成微电网，也称为微网〔Microgrid〕，是相对传统公共电网的一个概念。指由分布式电源、