第8章-多级电能变换电路

第八章多级电能变换电路主讲教师：XXX电力电子技术问题思考：生产生活中，某些电源和负载间的电压差值大，例如微型光伏逆变器的输入直流电压只有十几到几十伏，而输出交流电压为额定电网电压。此外，有些应用需要通过变换器接入多种电源和负载，例如光储发电系统。在此类应用中，可否仅使用一种电能变换电路来满足要求？针对具体的应用场景，如何通过控制的灵活度提高运行效率等都是在本章的学习过程中需要思考的问题本章PPT部分图片源于网络和其他文献电力电子技术学习目标：(1)熟悉4类变换电路的运行局限(2)掌握多级变换电路的工作原理(3)熟悉几种主要的多级变换电路的应用需求及基本工作原理电力电子技术目录：1.单级变换器的运行局限2.DC-DC+DC-AC变换器(1)光伏逆变器(2)储能逆变器3.AC-DC+DC-AC变换器(1)高压直流输电系统(2)交流变频调速系统4.AC-DC+DC-DC变换器(1)直流充电桩(2)适配器电力电子技术目录：1.单级变换器的运行局限2.DC-DC+DC-AC变换器(1)光伏逆变器(2)储能逆变器3.AC-DC+DC-AC变换器(1)高压直流输电系统(2)交流变频调速系统4.AC-DC+DC-DC变换器(1)直流充电桩(2)适配器电力电子技术单级变换器的运行局限单级变换器效率低、器件应力大：以Boost为例说明6×实际的开关器件有导通电阻×假设输入电压为10V，输出电压为100V，负载电阻为10Ω，导通电阻为0.01Ω，则S1需承受100A以上电流，导通损耗大于输出功率的10%实际模型：电阻通态损耗pcon=

vsis电力电子技术单级变换器的运行局限单级变换器运行状态受限：以单相H桥逆变器为例7×直流输入电压必须高于电网电压峰值×输入电压低的场合（如光伏并网）无法应用电力电子技术目录：1.单级变换器的运行局限2.DC-DC+DC-AC变换器(1)光伏逆变器(2)储能逆变器3.AC-DC+DC-AC变换器(1)高压直流输电系统(2)交流变频调速系统4.AC-DC+DC-DC变换器(1)直流充电桩(2)适配器电力电子技术DC-DC+DC-AC变换器光伏并网发电系统单个光伏板电压低，多个组合有约束并网储能系统单个电池电压低，多个组合有约束典型应用系统由前级DC-DC和后级DC-AC两部分电路级联组合而成9前级DC-DC完成升压，后级DC-AC实现并网电力电子技术光伏逆变器10光伏发电的发展潜力巨大，大概率将成为未来的主导发电类型光伏全球装机量电力电子技术光伏电源11光伏电池单元实际上是光电二极管，其典型开路电压为0.4−0.7V光伏电源结构示意图电力电子技术光伏发电系统12功率等级从大到小依次为集中式、组串式、微型光伏逆变器光伏发电系统结构示意图集中式微逆式组串式电力电子技术光伏逆变器控制目标13光伏逆变器控制目标可概括如下：（1）光伏最大功率点跟踪（前级实现）（2）稳定直流母线电压（后级实现）（3）并网电流波形THD满足电网要求（4）并网功率因数满足电网标准要求（5）电网出现故障时提供一定电网支撑服务并保证自身不脱网电力电子技术光伏逆变器14单相和三相非隔离型光伏逆变器两级式非隔离型单相光伏逆变器两级式非隔离型三相光伏逆变器电力电子技术光伏逆变器15隔离型光伏逆变器：提高安全性两级式DC隔离型光伏逆变器两级式AC隔离型光伏逆变器电力电子技术并网储能16储能功能：平滑新能源出力、削峰填谷、调压/调频、提高供电质量常见储能类型：电池、超级电容、飞轮、燃料电池、超导磁、压缩空气储能和抽水蓄能中国新型储能装机量全球新型储能装机量电力电子技术电池储能逆变器17单相和三相电池储能逆变器（锂电池单体->电池包->电池堆）两级式单相电池储能逆变器两级式三相电池储能逆变器电力电子技术电池储能逆变器18电池储能逆变器的控制更加灵活前级DC-DC控制母线电压或功率后级DC-AC控制功率或母线电压电力电子技术电池储能逆变器19并网和孤岛运行并网运行孤岛运行电力电子技术电池储能逆变器20大功率储能逆变器前级两相两重Boost变换器并联：均分功率、减小电流纹波后级T型三电平逆变器：减小输出电流谐波，提升电能质量实际产品中应用广泛电力电子技术超级电容储能逆变器21单相和三相超级电容储能逆变器两级式单相超级电容储能逆变器两级式三相超级电容储能逆变器电力电子技术超级电容储能逆变器22单相和三相超级电容储能逆变器前级DC-DC控制超级电容电压后级DC-AC控制直流母线电压电力电子技术混合储能逆变器23电池超级电容混合储能逆变器并联式混合储能逆变器级联式混合储能逆变器电池储能处理低频、缓慢变化的能量，超级电容处理高频、快速变化的功率电力电子技术目录：1.单级变换器的运行局限2.DC-DC+DC-AC变换器(1)光伏逆变器(2)储能逆变器3.AC-DC+DC-AC变换器(1)高压直流输电系统(2)交流变频调速系统4.DC-DC+DC-DC变换器(1)直流充电桩(2)适配器电力电子技术高压直流输电系统25高压直流输电（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）高压直流输电高压交流输电✓大容量远距离输电造价低、损耗小，无频率、功角稳定性问题✓技术成熟、应用广、无换流站电力电子技术高压直流输电系统26高压直流输电系统：柔性直流输电系统或传统的高压直流输电系统柔性直流输电系统传统的高压直流输电系统✓基于IGBT，可控性强、谐波少✓基于晶闸管，技术成熟电力电子技术高压直流输电系统27传统高压直流输电系统LCC-HVDC系统结构图主要由送端换流站、受端换流站、直流输电线、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、无功补偿装置及控制保护设备等组成。由于晶闸管必须依赖电网提供换相电压来完成晶闸管的关断，故称为电网换相换流器（LineCommutatedConverter，LCC），采用晶闸管的HVDC也被称为LCC-HVDC电力电子技术高压直流输电系统28传统高压直流输电系统LCC-HVDC系统结构图为减少对交流电网的谐波污染，大多采用多脉波整流（多重化）技术，其典型拓扑为12脉波整流器在实际工程中，换流器中的换流阀通常由几十只乃至上百只晶闸管串联或串并联组合而成。若干个晶闸管单元串联后与电感、电容构成阀组件，再由若干个阀组件串联组成一个完整的换流阀电力电子技术高压直流输电系统29传统高压直流输电系统LCC-HVDC系统结构图常见的接线方式有两种：单极线路接线方式和双极线路接线方式单极线路接线方式：用一根传输导线，以大地或者海水作为返回线路构成直流输电回路双极线路接线方式：有两根不同极性（即正、负极）的导线以大地或中性线构成回路，可靠性高电力电子技术高压直流输电系统30柔性直流输电系统：全控型器件+高频调制技术VSC-HVDC系统结构图基于电压源型换流器的柔性直流输电（VoltageSourceConverterbasedHVDC,VSC-HVDC）技术已得到广泛应用。其中，换流阀通常由多个IGBT串联而成。电力电子技术高压直流输电系统31柔性直流输电系统VSC-HVDC系统结构图优点：不存在换相失败问题，可以为无源系统供电，可同时独立调节有功功率和无功功率，谐波含量低，适合构成多端直流系统。缺点：成本较高、容量较小电力电子技术交流变频调速系统32交流传动的优势：交流电机的制造难度低于直流电机、无需换向装置采用二极管整流前端的变频器结构：成本较低且无须主动控制，但谐波含量大，需要制动电阻采用有源前端的变频器结构：谐波小、四象限运行，但成本较高，且控制相对复杂电力电子技术交流变频调速系统33变频器：低压变频器（电压低于690V）和中压变频器（1kV−13.6kV）变频器拓扑类型具体拓扑电压范围功率范围典型实例两电平拓扑两电平电压源400-690VUpto1.4MWAlstom(VDM5000)RockwellPowerFlex755T多电平拓扑3L-NPC2.3-4.16kVUpto5MWEatonSC9000ABBACS10003L-FC3.3/4.16kV0.3-8MWAlstom(VDM6000Symphony)5L-ANPC4.16-6.9kV0.25-2.5MWABBACS2000CHB2.4-13.8kV0.15-60MWSiemensGH180RockwellPowerFlex6000SchneiderAltivar1200MMC3.3-7.2kV6-13.7MWSiemensSM120电力电子技术目录：1.单级变换器的运行局限2.DC-DC+DC-AC变换器(1)光伏逆变器(2)储能逆变器3.AC-DC+DC-AC变换器(1)高压直流输电系统(2)交流变频调速系统