《電力電子技術(shù)》課件項目五 任務(wù)三 電力電子裝置在新能源技術(shù)中的應(yīng)用

項目五電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子裝置在新能源技術(shù)中的應(yīng)用5.3.1全球新能源發(fā)展概況

世界范圍內(nèi)新能源的發(fā)展勢不可擋，前景廣闊。為促進全球尤其是發(fā)展中國家新能源的推進并拉動全球新能源需求,2009年成立了國際新能源機構(gòu)，目前其成員國數(shù)量已經(jīng)上升到75個，新能源已成為各國綜合實力較量的主戰(zhàn)場。隨著各國的共同努力,全球新能源技術(shù)等綜合實力不斷提高，發(fā)電機組總?cè)萘?、產(chǎn)品產(chǎn)量等都保持逐年上升的態(tài)勢。風能、太陽能、生物質(zhì)能近十年來發(fā)展成為新能源領(lǐng)域中最有競爭力的能源形式。太陽能消費近年呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，風能、生物質(zhì)能的消費則呈快速增長態(tài)勢，尤其是風能。在這些新興的能源技術(shù)中，都離不開電力電子裝置，本環(huán)節(jié)將主要介紹電力電子裝置在新能源中的應(yīng)用。5.3.2開關(guān)穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓電源效率低、過載能力差、體積大等缺點，已無法適應(yīng)需要。1、開關(guān)電源的工作原理基本原理：當開關(guān)電源由于負載減小或交流輸入電壓升高而引起輸出直流電壓升高時，由PWM環(huán)節(jié)控制，使逆變器中開關(guān)器件的導(dǎo)通時間縮短，逆變器輸出脈寬變窄，從而使輸出電壓下降；反之，使逆變器輸出脈寬變寬，使輸出電壓上升。5.3.3有源功率因數(shù)校正電路（APFC）

若輸入電壓為正弦波，則輸入功率因數(shù)定義為：式中：I1為輸入電流基波有效值；

I為輸入電流有效值；

U1為網(wǎng)側(cè)基波電壓有效值；γ為電流畸變因數(shù)；

cosφ1為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。可見，功率因數(shù)是由電流畸變因數(shù)和位移因數(shù)決定。工作原理有兩個反饋控制環(huán)節(jié)：一是輸入電流環(huán)，使DC/DC變換器輸入電流的波形與橋式整流電壓的波形相同，相位相同；

二是輸出電壓環(huán)，使DC/DC變換器輸出端為一個直流穩(wěn)壓源。5.3.4不間斷電源（1）、

后備式UPS熱后備：處于空載運行，不向負載供電；冷后備：處于停機狀態(tài)，只有市電故障后在控制電路的指令下才投入工作。有一定的停電轉(zhuǎn)換時間，但整體裝置的損耗小，效率高。特點：電路簡單、成本低、可靠性高、整機效率高；但輸出電壓穩(wěn)定精度差，輸出有轉(zhuǎn)換開關(guān)。1、UPS的分類（2）、在線雙變換式UPS（也稱串聯(lián)調(diào)整式UPS）

當市電供電正常時，經(jīng)過整流器和逆變器把市電變換為恒壓恒頻的交流電給負載由供電。當市電供電異常時，停止對蓄電池組的充電，由蓄電池組供電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為負載所需的交流電能。

當內(nèi)部故障或者蓄電池組端電壓低于允許值以及進行維護時，由轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到旁路交流電網(wǎng)給負載供電。（3）、在線互動式UPS（又稱并聯(lián)補償式UPS）

當市電供電正常時，控制電路將S0置于閉合，轉(zhuǎn)換開關(guān)S也閉合為負載供電，在此同時，雙向變流器運行于整流狀態(tài)，從電網(wǎng)中吸取能量儲存在蓄電池中。

當市電供電異常，當電壓偏低或偏高，利用升壓繞組或降壓繞組對市電經(jīng)過處理后給負載供電，同時也為蓄電池充電。當電壓太高或太低以及供電中斷時，控制電路將轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開，切斷交流旁路電源與負載的連接，同時雙向變流器由原來的整流狀態(tài)轉(zhuǎn)化為逆變狀態(tài)。性能特點：效率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低、可靠性高；但輸出電能質(zhì)量差，市電中斷供電時，負載有一定時間的供電中斷。

2、不間斷電源用整流器

容量較大的通常采用多橋并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，鎖相同步控制。3、不間斷電源用逆變器

常采用PWM控制的開關(guān)型直交變換器。大型的UPS可采用多個逆變器并聯(lián)輸出的電路結(jié)構(gòu)，如圖所示。能更好的諧波抑制。UPS供電的多數(shù)為非線性負載，它們會向UPS中注入諧波電流，致使其輸出電壓波形產(chǎn)生畸變。因此對輸出交流電壓波形實現(xiàn)瞬時值反饋控制，減小諧波畸變。5.3.5靜止無功補償裝置

在電力系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標。一般要求電壓允許變化范圍為5%～10%。保證電壓穩(wěn)定的主要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進行控制。電力電子器件和儲能元件構(gòu)成的靜止無功功率補償裝置，得到了廣泛的應(yīng)用。其顯著的特點是能快速平滑無級地調(diào)節(jié)容性或感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

根據(jù)工作特點分兩大類：用晶閘管控制的靜止無功功率補償器，即晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器；采用自換相變流器運用PWM控制技術(shù)構(gòu)成無功發(fā)生器也稱為高級靜止無功補償裝置。

控制角在的范圍內(nèi)，處于失控狀態(tài)，不能通過α的變化來改變L的大小。此時電感電流有效值

當，1、

晶閘管控制電抗器(TCR)

主要起可變電感的作用，實現(xiàn)感性無功功率的快速、平滑調(diào)節(jié)，基本原理如圖。為確保晶閘管可靠、對稱導(dǎo)通，避免偶次諧波和直流分量，應(yīng)采用寬脈沖或序列脈沖觸發(fā)。晶閘管的導(dǎo)通角小于180°，電感中的電流將受到控制。等效電感為電感電流的基波分量基波無功功率

通過改變控制角，可控制電感中的電流。在外加電壓不變的情況下，起到控制電感量的作用，使其吸收的無功功率在零到最大值間連續(xù)變化。為了防止三次及整倍數(shù)次諧波對交流電網(wǎng)的影響，通常將TCR作三角形聯(lián)接。若需要容性無功功率，在TCR兩端并聯(lián)電容器組。2、晶閘管投切電抗器(TSC)

TSC是一種分級可調(diào)的動態(tài)無功功率補償裝置。晶閘管構(gòu)成無觸點開關(guān)，可將電容器分組投切到交流電網(wǎng)上。小電感用于抑制電容投入電網(wǎng)時可能出現(xiàn)的電流沖擊。

TSC運行時，應(yīng)選擇電源電壓和電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻觸發(fā)晶閘管投入電容。在實際應(yīng)用中，通常將TSC、TCR和無源L0C0串聯(lián)諧振電路共同組成無功功率和諧波電流綜合補償器。L0C0用以消除電網(wǎng)中的主要諧波電流分量，但對基波呈容性，以補償負載中的部分感性無功電流。使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1，同時保證電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。3、靜止無功發(fā)生器(SVG)

利用電力電子技術(shù)中的PWM開關(guān)型變流器，以及瞬時無功功率的概念和補償原理，在儲能元件容量很小的條件下（約為計算補償容量的10%），適當控制變流器交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，就能產(chǎn)生滿足要求的無功電流，實現(xiàn)瞬時無功補償。也稱為靜止同步補償器（STATCOM）。（1）.SVG補償原理

假設(shè)電網(wǎng)電壓三相平衡、正弦無諧波，三個連接電感為純電感，電容器可看作已充電的直流電壓源，SVG沒有功率損耗。使逆變器輸出基波電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相，由圖（b）可得到靜止無功發(fā)生器和電網(wǎng)之間傳輸?shù)臒o功功率。

可見，在電網(wǎng)電壓保持恒定不變時，控制逆變器輸出電壓的大小，既可控制SVG是發(fā)出無功功率，還是吸收無功功率，也可控制無功功率的大小，如圖（c）。實際工作時適當調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓US

的相位，比90°略小。這時SVG向電網(wǎng)輸出無功功率的同時，又從交流電網(wǎng)輸入較小的有功功率，用于補償SVG的損耗，使直流電壓恒定不變。（2）.SVG的控制目前用的較多的是瞬時無功功率理論和矢量變換控制技術(shù)。5.3.6電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用

隨著太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)不再只是作為偏遠無電地區(qū)的能源供應(yīng)，而是向逐漸取代常規(guī)能源的方向發(fā)展。在國外，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成，并持續(xù)高速發(fā)展。1.光伏發(fā)電的現(xiàn)狀目前國外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速。目前的研究主要集中在SPWM技術(shù)、數(shù)字鎖相控制技術(shù)、數(shù)字DSP控制技術(shù)、最大功率點跟蹤和孤島檢出技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計等。國外的有些并網(wǎng)逆變器還設(shè)計同時具有獨立運行和并網(wǎng)運行功能。其光伏市場占有率快速增長。最近幾年，全球的光伏總裝機容量更是以指數(shù)的形式攀升。2.光伏發(fā)電基本原理光伏發(fā)電主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），從而實現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的目的。太陽能電池的基本工作原理是光電效應(yīng)。光伏發(fā)電的主要材料是半導(dǎo)體硅。在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而使半導(dǎo)體中有電流流過，這就是所謂的“光發(fā)電效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”。摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子，稱為N型半導(dǎo)體；摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷，稱為P型半導(dǎo)體。若將兩者結(jié)合，稱為PN結(jié)，這就是半導(dǎo)體器件的最基本結(jié)構(gòu)。在PN結(jié)中，P型半導(dǎo)體的電子受到拉力，N型半導(dǎo)體的正電荷受到拉力，在結(jié)合處形成正負抵消的區(qū)域，形成阻擋層。此時，若有光照射，則激發(fā)電子自由運動流向N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢。3.太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用太陽能光伏電池所發(fā)出的電能是隨太陽光輻照度、環(huán)境溫度、負載等變化而變化的不穩(wěn)定直流電,是難以滿足用電負載對電源品質(zhì)要求的“粗電”,為此需要應(yīng)用電力電子變流技術(shù)對其進行直流-直流(DC-DC)或直流-交流(DC-AC)變換,以獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)直流電或交流電供給負載或電網(wǎng)。獨立供電的太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖一般如圖5-3-18（a）所示。整個光伏系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、負載和控制器組成。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。在與負載容量配合時，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。

與獨立供電的光伏系統(tǒng)相比，并網(wǎng)系統(tǒng)一般都沒有儲能環(huán)節(jié)，直接由并網(wǎng)逆變器接太陽能電池和電網(wǎng)，如圖（b）所示。并網(wǎng)逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太陽能電池輸出較大范圍內(nèi)變化時，能始終以盡可能高的效率將太陽能電池輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。

4.光伏直流變換電路5.離網(wǎng)型光伏逆變電路離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器多采用電壓源型逆變器。隨著全控型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)的進步,采用橋式主電路、以標準正弦波作為PWM調(diào)制波的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的電壓源逆變器控制技術(shù),為了使逆變器輸出電壓濾波后盡量正弦化,出現(xiàn)了選擇性消諧波等優(yōu)化的PWM技術(shù)。6.光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展（1）光伏發(fā)電中的多電平逆變器傳統(tǒng)的逆變器亦稱為二電平逆變器,其在一個開關(guān)周期內(nèi)逆變橋臂的相電壓輸出電平僅為二電平。多電平技術(shù)源于日本學者1981年提出的中點箝位型多電平逆變電路。目前,多電平逆變電路主要有二極管箝位型、電容箝位型和獨立直流源級聯(lián)型3種拓撲類型。光伏陣列可靈活組合,故光伏并網(wǎng)系統(tǒng)易實現(xiàn)3電平和級聯(lián)方式并網(wǎng)以改善并網(wǎng)電流波形。為了解決陰影問題和光伏模塊之間不匹配問題,一些學者提出采用二極管箝位型多電平逆變器、級聯(lián)H橋型變換器實現(xiàn)獨立控制每一個光伏模塊,使其各自工作在最大功率點,從而提高系統(tǒng)效率,減少輸出電壓諧波。

小結(jié)

在電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用由電力電子器件構(gòu)成的變換電路，綜合了電力電子的四種基本變換，運用了基本的控制方法，即相位控制和PWM控制等。1.在晶閘管—直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流連續(xù)和電流斷續(xù)的機械特性截然不同，為保證在最小電流下電流仍能連續(xù)，在電動機回路內(nèi)串聯(lián)平波電抗器。2.晶閘管無換向器電機是晶閘管采用負載自然換流的典型范例，必須要滿足相應(yīng)的條件。3.