新能源中的若干電力電子問題 speed2010-4-24

新能源發(fā)電中的若干電力電子問題徐德鴻，徐君，蘇娜，朱選才，李霄，劉昌金浙江大學(xué)2010年4月24日第四屆高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)重慶大學(xué),2010年4月23-25日1目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)2新能源計(jì)劃歐盟20-20-20計(jì)劃:到2020年可再生能源占?xì)W盟總能源消耗的20%2007年12月美國布什總統(tǒng)簽署了“能源獨(dú)立和安全法案”(EISA)。計(jì)劃太陽光伏發(fā)電2020年將占美國屆時(shí)發(fā)電裝機(jī)增量的15%左右。美國能源部規(guī)劃到2030年風(fēng)電占總發(fā)電量的30%我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，風(fēng)能、太陽能與生物質(zhì)能發(fā)電，2020年將達(dá)到6.7%，2050年將達(dá)到29%。2006年我國發(fā)電裝機(jī)容量6億kW。預(yù)計(jì)2020年12-16億kW。發(fā)展新能源發(fā)電是勢(shì)在必行。新能源電力電子技術(shù)，包括電力電子變換、控制、并網(wǎng)，是新能源發(fā)電裝備產(chǎn)業(yè)的支撐技術(shù)。32009年新增風(fēng)電裝機(jī)容量1300萬kW,累計(jì)裝機(jī)容量NO.2到2010年預(yù)期總裝機(jī)3000萬kW

國家中長期規(guī)劃2015年達(dá)1500萬kW,2020年達(dá)3000萬kW樂觀估計(jì)2020年上億kW規(guī)模風(fēng)力發(fā)電我國聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場總裝機(jī)2005200620072008201012002500300020094國外光伏發(fā)電情況光伏發(fā)電的電價(jià)的下降西班牙德國2001-2006，世界PV產(chǎn)業(yè)年均增長率為41%在西班牙，光伏發(fā)電的電價(jià)0.2歐元/度，與峰時(shí)電價(jià)相等全球PV發(fā)電裝機(jī)累計(jì)容量

市場預(yù)測5我國光伏發(fā)電情況2009年中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)750萬千瓦,擠入世界十強(qiáng)我國光伏發(fā)電成本為1.3元-2.0元/度，高于普通火電平均0.30元/度，“太陽能屋頂”政策實(shí)施20元/W的補(bǔ)貼后，發(fā)電成本降為0.6元/度-0.9元/度。樂觀估計(jì),2020年中國光伏市場目標(biāo):2000萬kW（原為180萬kW

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年200420102020累計(jì)裝機(jī)容量（kW)6.5萬30萬180萬我國光伏規(guī)劃6目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)7并網(wǎng)光伏逆變器的結(jié)構(gòu)工頻隔離光伏逆變器結(jié)構(gòu)高頻隔離光伏逆變器結(jié)構(gòu)非隔離光伏逆變器結(jié)構(gòu)8高頻隔離光伏變換器結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)高頻隔離變壓器體積小、重量輕的特點(diǎn)安全性高對(duì)各國標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)強(qiáng)缺點(diǎn)效率低9效率小于95%,如何提升高頻隔離型光伏變換器的效率?高頻隔離光伏變換器效率高頻隔離DC/DCInverterPVconverterPWMFB2-levelinv.PWMFB+2-levelinv.PWMFB+3-levelinv.PSFBZVS3-levelinv.PSFBZVS+2-levelinv.PSFBZVS+3-levelinv.Converterpowerrating:30kWGirdAClinevoltage:400VrmsPVratedoutputvoltage:400VDC10非隔離光伏變換器結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)體積小、重量輕變換效率高缺點(diǎn)EMC和地電流抑制問題可能不符合個(gè)別國家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)變換兩級(jí)變換11非隔離光伏變換器效率:單級(jí)變換3HB-SC3xNPCFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:122Lboostcon.+3HB-SC2Lboostcon.+3xNPC3Lboostcon.+3HB-SC3Lboostcon.+3xNPCFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=400VDC-linkvoltage

Udc=750V±20V

Switchingfrequencyfs=10kHzCurrentrippleratiooffilterinductorrL=20%.GirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:非隔離光伏變換器效率:兩級(jí)變換13PV逆變器的高效率化Nonisolatedinverter(red),inverterwith50/60Hztrans-former(blue)inverterwithHFtransformer(green).

@PCIMchina0814非隔離光伏變換器地電流問題單晶體硅光伏電池，寄生電容約為50~150nF/kWp,對(duì)于薄膜光伏電池，約為1μF/kWp

15三相光伏逆變器的地電流模型地電流與以下因素有關(guān)寄生電容CpvuAN,uBN&uCN

之和PWM濾波電感LHarmonic

spectrumofiNFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUac=400VrmsL=2.4mHCpv=4.5μFAmplitudemodulationratioma=0.78如何抑制地電流?16最大功率跟蹤如何減少功率的損失?隨著電站容量的增加,MPPT受到關(guān)注MPPT方法恒電壓控制法測量開路電壓，設(shè)擾動(dòng)觀察法電導(dǎo)增量法17目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)18風(fēng)力發(fā)電大容量化和發(fā)電效率提升690VAC690VAC通過優(yōu)化控制，減小電機(jī)的損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體效率的提高采用較高電壓等級(jí),提升發(fā)電效率和降低輸電電纜成本通過對(duì)變流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇，使用高效率的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高整機(jī)的效率多電平技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)19目前風(fēng)力發(fā)電變流器容量提升手段20風(fēng)力發(fā)電變流器容量提升MultibridM5000(5MWPMSG)Converter:Three-levelNPC電壓等級(jí)提升多重化并聯(lián)21兩電平vs.三電平inverterlossfor2MWPMSGVline=661VIline=1900AVline=690VIline=1631AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.15mH@兩電平:1MBI3600U4D-170(1700V/3600A)IGBT

三電平:1MBI3600U4D-120(1200V/3600A)IGBT22Vline=561VIline=596AVline=690VIline=265AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.75mH@兩電平:2MBI1200U4G-170(1700V/1200A)

IGBT

三電平:2MBI1200U4G-120(1200V/1200A)

IGBT兩電平vs.三電平inverterlossfor2MW

DFIG23PMSGandDFIG變流器損耗分析@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電壓柔性控制DCBUSvoltageVS.電網(wǎng)電壓Us0200040006000800010000120001400016000Vdc=1200Vfs=2kHzVdc=1050Vfs=2kHzVdc=1200Vfs=3kHzVdc=1050Vfs=3kHzLoss(W)PLPrrPoffPonPdconPscon直流BUS電壓柔性控制可以降低在電網(wǎng)常態(tài)下變流器的損耗25目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)26燃料電池發(fā)電排放低高轉(zhuǎn)換效率(40%-60%)熱電連產(chǎn)將進(jìn)一步提升能源利用率低噪音高功率密度未來將具有可靠性高,長壽命燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置優(yōu)點(diǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

固體氧化燃料電池(SOFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)磷酸型燃料電池(PAFC)27質(zhì)子交換膜燃料電池靜態(tài)輸出特性燃料電池由132個(gè)單體串聯(lián)而成隨著輸出電流的變化，輸出電壓將會(huì)在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化@10kWFuelCellstack,Vrate=100V28質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)輸出特性功率突增：電壓調(diào)整時(shí)間：2s功率突減：電壓調(diào)整時(shí)間：2s

燃料電池時(shí)間常數(shù):τFC=Δt2/3=0.67s（05kW0）29燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)負(fù)載的要求:由于內(nèi)部電化學(xué)工程、機(jī)械裝置的延遲，燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,不能滿足負(fù)載的要求燃料電池安全運(yùn)行的要求:負(fù)載的擾動(dòng)易使燃料電池內(nèi)部參數(shù)（溫度，濕度）超出正常范圍,影響燃料電池的運(yùn)行安全、運(yùn)行壽命需要引入具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)特性的不足所謂“能量管理”30能量管理實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）(負(fù)載突增)無能量管理時(shí)候的情況(b)帶能量管理時(shí)候的情況

負(fù)載突加時(shí)候燃料電池輸出和負(fù)載電壓電流波形

能量管理環(huán)節(jié)工作時(shí)候，然電池的輸出在負(fù)載突加的時(shí)候是緩慢上升的31能量管理實(shí)驗(yàn)結(jié)果（2）(負(fù)載突減)

無能量管理時(shí)候的情況(b)帶能量管理時(shí)候的情況

負(fù)載突減時(shí)候燃料電池輸出和負(fù)載電壓電流波形

能量管理環(huán)節(jié)工作時(shí)候，然電池的輸出在負(fù)載突減的時(shí)候是緩慢下降的32目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)33電力儲(chǔ)能技術(shù)可再生能源輸出存在很大的波動(dòng)性,電力儲(chǔ)能裝置可以在可再生能源發(fā)電裝置與電網(wǎng)之間起到能量緩沖的作用。電力儲(chǔ)能技術(shù)有蓄水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）、超級(jí)電容儲(chǔ)能蓄水儲(chǔ)能與壓縮空氣儲(chǔ)能主要用于電力調(diào)峰，但對(duì)地理?xiàng)l件有特殊要求。電池儲(chǔ)能具有能量密度高、技術(shù)較成熟的特點(diǎn)，但電池循環(huán)次數(shù)是實(shí)用化的主要瓶頸飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能量有限，系統(tǒng)較復(fù)雜超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)具有能量密度較大、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但建設(shè)成本和超導(dǎo)材料的成熟度限制了目前的應(yīng)用。超級(jí)電容儲(chǔ)能(SCES)具有功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但目前儲(chǔ)能量較小。34風(fēng)電與電能質(zhì)量120s風(fēng)速數(shù)據(jù)風(fēng)電輸出功率波動(dòng)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倍風(fēng)電容量超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置WithSCESWithSCESWithoutSCES36目錄背景光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲(chǔ)能技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)總結(jié)37分布式電源PVFuelCellDDSGDFIG38并網(wǎng)要求:電能質(zhì)量諧波次數(shù)（h）h<1111≤h<1717≤h<2323≤h<3535≤h總諧波％4.02.01.50.60.35.0IEEEStd1547-2003：規(guī)范燃料電池、光伏系統(tǒng)、分布式發(fā)電裝置、能量存儲(chǔ)設(shè)備這類分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。（諧波兼容IEEE-519)39通過LCL濾波器接入電網(wǎng)MeettherequirementofIEEESTD1547-2003:Lowercurrentdistortion,THD<5.0%

AdvantagesHigherattenuationwithharmonicsLowervolumeforfilterinductorDegenerateasLCfilterunderstandalonemodeDisadvantagesThe3rdordersystemDifficulttoDampingcontrolLCLfilterisselectedVSPCCCSTSLgVgL1PCUDC+DC-VOi1本地負(fù)載L2igVL40兼顧穩(wěn)定性指標(biāo)，制約了系統(tǒng)帶寬和增益，交流電流跟蹤能力下降，電能質(zhì)量下降a)傳統(tǒng)逆變輸出電流反饋(i1)b)傳統(tǒng)電網(wǎng)電流反饋(i2)

電流加權(quán)平均值反饋控制電流加權(quán)平均值反饋控制技術(shù)通過獨(dú)特的反饋信號(hào)，使零極點(diǎn)對(duì)消（偶極子），系統(tǒng)由三階降為一階系統(tǒng)并網(wǎng)控制比較帶寬提升低頻增益提高動(dòng)態(tài)性能提高電流跟蹤能力提升，電能質(zhì)量提高BWextension41孤島檢測孤島形成的原因1.電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致分布式發(fā)電系統(tǒng)脫離電網(wǎng)；2.電網(wǎng)檢修；3.人為的或者是自然的原因。孤島的危害1.輸出電壓和電流不受控制，可能損壞用戶側(cè)的用電器和相關(guān)設(shè)備；2.對(duì)電網(wǎng)檢修人員可能造成傷害；3.導(dǎo)致繼電器重合閘失敗，并且可能毀壞整個(gè)裝置。分布式發(fā)電系統(tǒng)組成孤島形成示意圖并網(wǎng)發(fā)電模式孤島運(yùn)行模式發(fā)生孤島無源孤島檢測方法有源孤島檢測方法逆變器外部孤島檢測方法1)高低壓孤島檢測方法2)高低頻孤島檢測方法3)電壓相位跳變法4)電壓諧波測量1)阻抗測量法2)諧波阻抗測量法3)滑模頻率漂移法4)頻率偏移法5)Sandia頻率偏移法6)Sandia電壓偏移法7)相位突變法8)無功擾動(dòng)法1)阻抗插入2)電網(wǎng)與逆變器之間通信孤島檢測方法孤島：電網(wǎng)中包含電源和負(fù)載的一個(gè)部分脫離主電網(wǎng)，并且繼續(xù)運(yùn)行的一種狀態(tài)42并網(wǎng)要求:電網(wǎng)異常響應(yīng)并網(wǎng)系統(tǒng)電壓異常響應(yīng)時(shí)間電壓范圍（額定電壓百分比）響應(yīng)時(shí)間（周期）