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2010年4月24日第四屆高校電力電子與電力傳動學術年會重慶大學,2010年4月23-25日1目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結2新能源計劃歐盟20-20-20計劃:到2020年可再生能源占歐盟總能源消耗的20%2007年12月美國布什總統(tǒng)簽署了“能源獨立和安全法案”(EISA)。計劃太陽光伏發(fā)電2020年將占美國屆時發(fā)電裝機增量的15%左右。美國能源部規(guī)劃到2030年風電占總發(fā)電量的30%我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，風能、太陽能與生物質能發(fā)電，2020年將達到6.7%，2050年將達到29%。2006年我國發(fā)電裝機容量6億kW。預計2020年12-16億kW。發(fā)展新能源發(fā)電是勢在必行。新能源電力電子技術，包括電力電子變換、控制、并網，是新能源發(fā)電裝備產業(yè)的支撐技術。32009年新增風電裝機容量1300萬kW,累計裝機容量NO.2到2010年預期總裝機3000萬kW

國家中長期規(guī)劃2015年達1500萬kW,2020年達3000萬kW樂觀估計2020年上億kW規(guī)模風力發(fā)電我國聯(lián)網風電場總裝機2005200620072008201012002500300020094國外光伏發(fā)電情況光伏發(fā)電的電價的下降西班牙德國2001-2006，世界PV產業(yè)年均增長率為41%在西班牙，光伏發(fā)電的電價0.2歐元/度，與峰時電價相等全球PV發(fā)電裝機累計容量

市場預測5我國光伏發(fā)電情況2009年中國光伏發(fā)電裝機容量已達750萬千瓦,擠入世界十強我國光伏發(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”政策實施20元/W的補貼后，發(fā)電成本降為0.6元/度-0.9元/度。樂觀估計,2020年中國光伏市場目標:2000萬kW（原為180萬kW

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年200420102020累計裝機容量（kW)6.5萬30萬180萬我國光伏規(guī)劃6目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結7并網光伏逆變器的結構工頻隔離光伏逆變器結構高頻隔離光伏逆變器結構非隔離光伏逆變器結構8高頻隔離光伏變換器結構優(yōu)點高頻隔離變壓器體積小、重量輕的特點安全性高對各國標準的適應強缺點效率低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構優(yōu)點體積小、重量輕變換效率高缺點EMC和地電流抑制問題可能不符合個別國家或地區(qū)標準單級變換兩級變換11非隔離光伏變換器效率:單級變換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受到關注MPPT方法恒電壓控制法測量開路電壓，設擾動觀察法電導增量法17目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結18風力發(fā)電大容量化和發(fā)電效率提升690VAC690VAC通過優(yōu)化控制，減小電機的損耗，進而實現整體效率的提高采用較高電壓等級,提升發(fā)電效率和降低輸電電纜成本通過對變流器結構的優(yōu)化選擇，使用高效率的變流器拓撲結構來提高整機的效率多電平技術軟開關技術19目前風力發(fā)電變流器容量提升手段20風力發(fā)電變流器容量提升MultibridM5000(5MWPMSG)Converter:Three-levelNPC電壓等級提升多重化并聯(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常態(tài)下變流器的損耗25目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結26燃料電池發(fā)電排放低高轉換效率(40%-60%)熱電連產將進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能直接轉化成電能的裝置優(yōu)點質子交換膜燃料電池(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質子交換膜燃料電池靜態(tài)輸出特性燃料電池由132個單體串聯(lián)而成隨著輸出電流的變化，輸出電壓將會在一個較寬的范圍內變化@10kWFuelCellstack,Vrate=100V28質子交換膜燃料電池動態(tài)輸出特性功率突增：電壓調整時間：2s功率突減：電壓調整時間：2s

燃料電池時間常數:τFC=Δt2/3=0.67s（05kW0）29燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構負載的要求:由于內部電化學工程、機械裝置的延遲，燃料電池動態(tài)響應慢,不能滿足負載的要求燃料電池安全運行的要求:負載的擾動易使燃料電池內部參數（溫度，濕度）超出正常范圍,影響燃料電池的運行安全、運行壽命需要引入具有快速動態(tài)響應的儲能環(huán)節(jié)彌補燃料電池動態(tài)特性的不足所謂“能量管理”30能量管理實驗結果（1）(負載突增)無能量管理時候的情況(b)帶能量管理時候的情況

負載突加時候燃料電池輸出和負載電壓電流波形

能量管理環(huán)節(jié)工作時候，然電池的輸出在負載突加的時候是緩慢上升的31能量管理實驗結果（2）(負載突減)

無能量管理時候的情況(b)帶能量管理時候的情況

負載突減時候燃料電池輸出和負載電壓電流波形

能量管理環(huán)節(jié)工作時候，然電池的輸出在負載突減的時候是緩慢下降的32目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結33電力儲能技術可再生能源輸出存在很大的波動性,電力儲能裝置可以在可再生能源發(fā)電裝置與電網之間起到能量緩沖的作用。電力儲能技術有蓄水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電池儲能、超導儲能（SMES）、超級電容儲能蓄水儲能與壓縮空氣儲能主要用于電力調峰，但對地理條件有特殊要求。電池儲能具有能量密度高、技術較成熟的特點，但電池循環(huán)次數是實用化的主要瓶頸飛輪儲能的儲能量有限，系統(tǒng)較復雜超導儲能(SMES)具有能量密度較大、轉換效率高、壽命長等優(yōu)點，但建設成本和超導材料的成熟度限制了目前的應用。超級電容儲能(SCES)具有功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但目前儲能量較小。34風電與電能質量120s風速數據風電輸出功率波動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倍風電容量超級電容儲能裝置WithSCESWithSCESWithoutSCES36目錄背景光伏發(fā)電風力發(fā)電燃料電池發(fā)電電力儲能技術并網技術總結37分布式電源PVFuelCellDDSGDFIG38并網要求:電能質量諧波次數（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、能量存儲設備這類分布式電源系統(tǒng)并網的標準。（諧波兼容IEEE-519)39通過LCL濾波器接入電網MeettherequirementofIEEESTD1547-2003:Lowercurrentdistortion,THD<5.0%

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

電流加權平均值反饋控制電流加權平均值反饋控制技術通過獨特的反饋信號，使零極點對消（偶極子），系統(tǒng)由三階降為一階系統(tǒng)并網控制比較帶寬提升低頻增益提高動態(tài)性能提高電流跟蹤能力提升，電能質量提高BWextension41孤島檢測孤島形成的原因1.電網出現故障導致分布式發(fā)電系統(tǒng)脫離電網；2.電網檢修；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，可能損壞用戶側的用電器和相關設備；2.對電網檢修人員可能造成傷害；3.導致繼電器重合閘失敗，并且可能毀壞整個裝置。分布式發(fā)電系統(tǒng)組成孤島形成示意圖并網發(fā)電模式孤島運行模式發(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)無功擾動法1)阻抗插入2)電網與逆變器之間通信孤島檢測方法孤島：電網中包含電源和負載的一個部分脫離主電網，并且繼續(xù)運行的一種狀態(tài)42并網要求:電網異常響應并網系統(tǒng)電壓異常響應時間電壓范圍（額定電壓百分比）響應時間（周期）