第8章-多級電能變換電路

第八章多級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載，例如光儲發(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？針對具體的應(yīng)用場景，如何通過控制的靈活度提高運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)和其他文獻電力電子技術(shù)學(xué)習(xí)目標：(1)熟悉4類變換電路的運行局限(2)掌握多級變換電路的工作原理(3)熟悉幾種主要的多級變換電路的應(yīng)用需求及基本工作原理電力電子技術(shù)目錄：1.單級變換器的運行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲能逆變器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.單級變換器的運行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲能逆變器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)單級變換器的運行局限單級變換器效率低、器件應(yīng)力大：以Boost為例說明6×實際的開關(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%實際模型：電阻通態(tài)損耗pcon=

vsis電力電子技術(shù)單級變換器的運行局限單級變換器運行狀態(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×輸入電壓低的場合（如光伏并網(wǎng)）無法應(yīng)用電力電子技術(shù)目錄：1.單級變換器的運行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲能逆變器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)單個光伏板電壓低，多個組合有約束并網(wǎng)儲能系統(tǒng)單個電池電壓低，多個組合有約束典型應(yīng)用系統(tǒng)由前級DC-DC和后級DC-AC兩部分電路級聯(lián)組合而成9前級DC-DC完成升壓，后級DC-AC實現(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薮螅蟾怕蕦⒊蔀槲磥淼闹鲗?dǎo)發(fā)電類型光伏全球裝機量電力電子技術(shù)光伏電源11光伏電池單元實際上是光電二極管，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13光伏逆變器控制目標可概括如下：（1）光伏最大功率點跟蹤（前級實現(xiàn)）（2）穩(wěn)定直流母線電壓（后級實現(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)標準要求（5）電網(wǎng)出現(xiàn)故障時提供一定電網(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式非隔離型單相光伏逆變器兩級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：提高安全性兩級式DC隔離型光伏逆變器兩級式AC隔離型光伏逆變器電力電子技術(shù)并網(wǎng)儲能16儲能功能：平滑新能源出力、削峰填谷、調(diào)壓/調(diào)頻、提高供電質(zhì)量常見儲能類型：電池、超級電容、飛輪、燃料電池、超導(dǎo)磁、壓縮空氣儲能和抽水蓄能中國新型儲能裝機量全球新型儲能裝機量電力電子技術(shù)電池儲能逆變器17單相和三相電池儲能逆變器（鋰電池單體->電池包->電池堆）兩級式單相電池儲能逆變器兩級式三相電池儲能逆變器電力電子技術(shù)電池儲能逆變器18電池儲能逆變器的控制更加靈活前級DC-DC控制母線電壓或功率后級DC-AC控制功率或母線電壓電力電子技術(shù)電池儲能逆變器19并網(wǎng)和孤島運行并網(wǎng)運行孤島運行電力電子技術(shù)電池儲能逆變器20大功率儲能逆變器前級兩相兩重Boost變換器并聯(lián)：均分功率、減小電流紋波后級T型三電平逆變器：減小輸出電流諧波，提升電能質(zhì)量實際產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛電力電子技術(shù)超級電容儲能逆變器21單相和三相超級電容儲能逆變器兩級式單相超級電容儲能逆變器兩級式三相超級電容儲能逆變器電力電子技術(shù)超級電容儲能逆變器22單相和三相超級電容儲能逆變器前級DC-DC控制超級電容電壓后級DC-AC控制直流母線電壓電力電子技術(shù)混合儲能逆變器23電池超級電容混合儲能逆變器并聯(lián)式混合儲能逆變器級聯(lián)式混合儲能逆變器電池儲能處理低頻、緩慢變化的能量，超級電容處理高頻、快速變化的功率電力電子技術(shù)目錄：1.單級變換器的運行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲能逆變器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?大容量遠距離輸電造價低、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、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、無功補償裝置及控制保護設(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LCC-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)，其典型拓撲為12脈波整流器在實際工程中，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，再由若干個閥組件串聯(lián)組成一個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：單極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：不存在換相失敗問題，可以為無源系統(tǒng)供電，可同時獨立調(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：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交流傳動的優(yōu)勢：交流電機的制造難度低于直流電機、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控制，但諧波含量大，需要制動電阻采用有源前端的變頻器結(jié)構(gòu)：諧波小、四象限運行，但成本較高，且控制相對復(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）變頻器拓撲類型具體拓撲電壓范圍功率范圍典型實例兩電平拓撲兩電平電壓源400-690VUpto1.4MWAlstom(VDM5000)RockwellPowerFlex755T多電平拓撲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電力電子技術(shù)目錄：1.單級變換器的運行局限2.DC-DC+DC-AC變換器(1)光伏逆變器(2)儲能逆變器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)