第8章-多級(jí)電能變換電路

第八章多級(jí)電能變換電路主講教師：XXX電力電子技術(shù)問題思考：生產(chǎn)生活中，某些電源和負(fù)載間的電壓差值大，例如微型光伏逆變器的輸入直流電壓只有十幾到幾十伏，而輸出交流電壓為額定電網(wǎng)電壓。此外，有些應(yīng)用需要通過變換器接入多種電源和負(fù)載，例如光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)。在此類應(yīng)用中，可否僅使用一種電能變換電路來滿足要求？針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，如何通過控制的靈活度提高運(yùn)行效率等都是在本章的學(xué)習(xí)過程中需要思考的問題本章PPT部分圖片源于網(wǎng)絡(luò)和其他文獻(xiàn)電力電子技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：(1)熟悉4類變換電路的運(yùn)行局限(2)掌握多級(jí)變換電路的工作原理(3)熟悉幾種主要的多級(jí)變換電路的應(yīng)用需求及基本工作原理電力電子技術(shù)目錄：1.單級(jí)變換器的運(yùn)行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲(chǔ)能逆變器3.AC-DC+DC-AC變換器(1)高壓直流輸電系統(tǒng)(2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)4.AC-DC+DC-DC變換器(1)直流充電樁(2)適配器電力電子技術(shù)目錄：1.單級(jí)變換器的運(yùn)行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲(chǔ)能逆變器3.AC-DC+DC-AC變換器(1)高壓直流輸電系統(tǒng)(2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)4.AC-DC+DC-DC變換器(1)直流充電樁(2)適配器電力電子技術(shù)單級(jí)變換器的運(yùn)行局限單級(jí)變換器效率低、器件應(yīng)力大：以Boost為例說明6×實(shí)際的開關(guān)器件有導(dǎo)通電阻×假設(shè)輸入電壓為10V，輸出電壓為100V，負(fù)載電阻為10Ω，導(dǎo)通電阻為0.01Ω，則S1需承受100A以上電流，導(dǎo)通損耗大于輸出功率的10%實(shí)際模型：電阻通態(tài)損耗pcon=

vsis電力電子技術(shù)單級(jí)變換器的運(yùn)行局限單級(jí)變換器運(yùn)行狀態(tài)受限：以單相H橋逆變器為例7×直流輸入電壓必須高于電網(wǎng)電壓峰值×輸入電壓低的場(chǎng)合（如光伏并網(wǎng)）無法應(yīng)用電力電子技術(shù)目錄：1.單級(jí)變換器的運(yùn)行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲(chǔ)能逆變器3.AC-DC+DC-AC變換器(1)高壓直流輸電系統(tǒng)(2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)4.AC-DC+DC-DC變換器(1)直流充電樁(2)適配器電力電子技術(shù)DC-DC+DC-AC變換器光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單個(gè)光伏板電壓低，多個(gè)組合有約束并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)單個(gè)電池電壓低，多個(gè)組合有約束典型應(yīng)用系統(tǒng)由前級(jí)DC-DC和后級(jí)DC-AC兩部分電路級(jí)聯(lián)組合而成9前級(jí)DC-DC完成升壓，后級(jí)DC-AC實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電力電子技術(shù)光伏逆變器10光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿薮?，大概率將成為未來的主?dǎo)發(fā)電類型光伏全球裝機(jī)量電力電子技術(shù)光伏電源11光伏電池單元實(shí)際上是光電二極管，其典型開路電壓為0.4?0.7V光伏電源結(jié)構(gòu)示意圖電力電子技術(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)12功率等級(jí)從大到小依次為集中式、組串式、微型光伏逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖集中式微逆式組串式電力電子技術(shù)光伏逆變器控制目標(biāo)13光伏逆變器控制目標(biāo)可概括如下：（1）光伏最大功率點(diǎn)跟蹤（前級(jí)實(shí)現(xiàn)）（2）穩(wěn)定直流母線電壓（后級(jí)實(shí)現(xiàn)）（3）并網(wǎng)電流波形THD滿足電網(wǎng)要求（4）并網(wǎng)功率因數(shù)滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求（5）電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)提供一定電網(wǎng)支撐服務(wù)并保證自身不脫網(wǎng)電力電子技術(shù)光伏逆變器14單相和三相非隔離型光伏逆變器兩級(jí)式非隔離型單相光伏逆變器兩級(jí)式非隔離型三相光伏逆變器電力電子技術(shù)光伏逆變器15隔離型光伏逆變器：提高安全性兩級(jí)式DC隔離型光伏逆變器兩級(jí)式AC隔離型光伏逆變器電力電子技術(shù)并網(wǎng)儲(chǔ)能16儲(chǔ)能功能：平滑新能源出力、削峰填谷、調(diào)壓/調(diào)頻、提高供電質(zhì)量常見儲(chǔ)能類型：電池、超級(jí)電容、飛輪、燃料電池、超導(dǎo)磁、壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能中國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)量全球新型儲(chǔ)能裝機(jī)量電力電子技術(shù)電池儲(chǔ)能逆變器17單相和三相電池儲(chǔ)能逆變器（鋰電池單體->電池包->電池堆）兩級(jí)式單相電池儲(chǔ)能逆變器兩級(jí)式三相電池儲(chǔ)能逆變器電力電子技術(shù)電池儲(chǔ)能逆變器18電池儲(chǔ)能逆變器的控制更加靈活前級(jí)DC-DC控制母線電壓或功率后級(jí)DC-AC控制功率或母線電壓電力電子技術(shù)電池儲(chǔ)能逆變器19并網(wǎng)和孤島運(yùn)行并網(wǎng)運(yùn)行孤島運(yùn)行電力電子技術(shù)電池儲(chǔ)能逆變器20大功率儲(chǔ)能逆變器前級(jí)兩相兩重Boost變換器并聯(lián)：均分功率、減小電流紋波后級(jí)T型三電平逆變器：減小輸出電流諧波，提升電能質(zhì)量實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛電力電子技術(shù)超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器21單相和三相超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器兩級(jí)式單相超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器兩級(jí)式三相超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器電力電子技術(shù)超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器22單相和三相超級(jí)電容儲(chǔ)能逆變器前級(jí)DC-DC控制超級(jí)電容電壓后級(jí)DC-AC控制直流母線電壓電力電子技術(shù)混合儲(chǔ)能逆變器23電池超級(jí)電容混合儲(chǔ)能逆變器并聯(lián)式混合儲(chǔ)能逆變器級(jí)聯(lián)式混合儲(chǔ)能逆變器電池儲(chǔ)能處理低頻、緩慢變化的能量，超級(jí)電容處理高頻、快速變化的功率電力電子技術(shù)目錄：1.單級(jí)變換器的運(yùn)行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲(chǔ)能逆變器3.AC-DC+DC-AC變換器(1)高壓直流輸電系統(tǒng)(2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)4.DC-DC+DC-DC變換器(1)直流充電樁(2)適配器電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)25高壓直流輸電（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）高壓直流輸電高壓交流輸電?大容量遠(yuǎn)距離輸電造價(jià)低、損耗小，無頻率、功角穩(wěn)定性問題?技術(shù)成熟、應(yīng)用廣、無換流站電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)26高壓直流輸電系統(tǒng)：柔性直流輸電系統(tǒng)或傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)柔性直流輸電系統(tǒng)傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)?基于IGBT，可控性強(qiáng)、諧波少?基于晶閘管，技術(shù)成熟電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)27傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)LCC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖主要由送端換流站、受端換流站、直流輸電線、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、無功補(bǔ)償裝置及控制保護(hù)設(shè)備等組成。由于晶閘管必須依賴電網(wǎng)提供換相電壓來完成晶閘管的關(guān)斷，故稱為電網(wǎng)換相換流器（LineCommutatedConverter，LCC），采用晶閘管的HVDC也被稱為L(zhǎng)CC-HVDC電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)28傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)LCC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，大多采用多脈波整流（多重化）技術(shù)，其典型拓?fù)錇?2脈波整流器在實(shí)際工程中，換流器中的換流閥通常由幾十只乃至上百只晶閘管串聯(lián)或串并聯(lián)組合而成。若干個(gè)晶閘管單元串聯(lián)后與電感、電容構(gòu)成閥組件，再由若干個(gè)閥組件串聯(lián)組成一個(gè)完整的換流閥電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)29傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)LCC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖常見的接線方式有兩種：?jiǎn)螛O線路接線方式和雙極線路接線方式單極線路接線方式：用一根傳輸導(dǎo)線，以大地或者海水作為返回線路構(gòu)成直流輸電回路雙極線路接線方式：有兩根不同極性（即正、負(fù)極）的導(dǎo)線以大地或中性線構(gòu)成回路，可靠性高電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)30柔性直流輸電系統(tǒng)：全控型器件+高頻調(diào)制技術(shù)VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于電壓源型換流器的柔性直流輸電（VoltageSourceConverterbasedHVDC,VSC-HVDC）技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。其中，換流閥通常由多個(gè)IGBT串聯(lián)而成。電力電子技術(shù)高壓直流輸電系統(tǒng)31柔性直流輸電系統(tǒng)VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖優(yōu)點(diǎn)：不存在換相失敗問題，可以為無源系統(tǒng)供電，可同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，諧波含量低，適合構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。缺點(diǎn)：成本較高、容量較小電力電子技術(shù)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)32交流傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)：交流電機(jī)的制造難度低于直流電機(jī)、無需換向裝置采用二極管整流前端的變頻器結(jié)構(gòu)：成本較低且無須主動(dòng)控制，但諧波含量大，需要制動(dòng)電阻采用有源前端的變頻器結(jié)構(gòu)：諧波小、四象限運(yùn)行，但成本較高，且控制相對(duì)復(fù)雜電力電子技術(shù)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)33變頻器：低壓變頻器（電壓低于690V）和中壓變頻器（1kV?13.6kV）變頻器拓?fù)漕愋途唧w拓?fù)潆妷悍秶β史秶湫蛯?shí)例兩電平拓?fù)鋬呻娖诫妷涸?00-690VUpto1.4MWAlstom(VDM5000)RockwellPowerFlex755T多電平拓?fù)?L-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電力電子技術(shù)目錄：1.單級(jí)變換器的運(yùn)行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲(chǔ)能逆變器3.AC-DC+DC-AC變換器(1)高壓直流輸電系統(tǒng)(2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)