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1、1,逆变电源技术,2,第五章 新能源发电中 的逆变电源技术,3,主要内容,5.1 新能源发电兴起的背景 5.2 逆变电源技术在光伏发电系统中的应用 5.3 逆变电源技术在风光互补发电系统中的应用,4,80煤炭在山西、陕西、内蒙古和新疆 60%水能在西部 大部分天然气在西部 缺乏石油、天然气资源,探明总资源量8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤,1. 新能源发电兴起的背景,1.1日益严重的能源危机,1.1.1国内常规能源的现状,5,能源消费 Energy Consumption,2003年，一次能源消费总量为16.8亿吨标准煤,6,1.1.2国内可再生能源的现状,太阳能 理论
2、资源储量每年17000亿吨标准煤 2/3的陆地年日照小时超过2200，每平方米年接受太阳辐射能5000兆焦,7,1.1.2 可再生能源资源,小水电： 1.25亿千瓦，65% 在西部 风能 Wind 陆地：2.5亿千瓦 海面：7.5亿千瓦,8,1.2 世界能源供求关系紧张,新兴工业国家的经济发展： 1）中国、印度、东南亚人口大国经济发展迅猛，纷纷从能源出口国变为进口国； 2）我国经济的能源弹性系数快速攀升，重工业化趋势明显； 3）石油、天然气和煤炭等化石燃料消耗加速，市场价格居高不下，成为制约国家经济与安全的关键因素； 4）现有的能源供给模式已不能保证经济的可持续发展。 争夺能源已成为国际争端和
3、战争的最大诱因。,9,1.3 世界能源供求关系紧张,环保意识的抬头： 京都议定书： “主要经济体承诺未来十年间CO2及有害气体的减排量” 欧洲国家：8%，已签署。 日本：7%，已签署。 美国：6%，拒绝签署。（排放第一大国） 中国：未限制，已签署。（排放第二大国） 国际压力： 美国人的拒签理由是要求以中国承诺减排为前提。,10,2. 逆变电源技术 在光伏发电系统中的应用,11,光伏发电系统组成,独立供电系统 PV组件 蓄电池 充放电控制器 DC负载（或AC负载） 并网系统 PV组件 逆变器 电网 AC负载,12,光伏并网发电系统的分类,目前常用的光伏并网发电系统可以按照系统功能分为 两类： 1
4、、不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”； 2、含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”。,13,不可调度式光伏并网发电系统,不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能。 当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。 白天，当光伏系统产生的交 流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给电网。 其它时间，特别是夜间，当本地负载大于光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载提供补充电能。,14,可调度式光伏并网发电系统,核心逆变器一般由并网逆变器和蓄电池充电器两部分组成。 系统中核心逆变器配备有主开关和重要负载开关。对重要交流负载而言，系
5、统兼具不间断电源的作用。 可调度系统不仅能向电网馈送同频同相的正弦波电能，而且还可作为电网终端的有源功率调节器用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压，同时亦可抵消有害的高次谐波分量。 大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的大小，有益于电网调峰。提高电网的运行质量。,15,可调度式光伏并网发电系统的现状,可调度式光伏并网系统的储能环节目前主要为蓄电池，将来可能逐步为制氢、燃料电池等新技术所替代。其应用规模当前还很难与不可调度式相比较，因为： 1.蓄电池组的寿命较短：目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为5年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2530年左右 2
6、.蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵； 3.蓄电池组较为笨重，需占用较大空间，如有漏液，则会泄漏出腐蚀性液体；此外报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会 造成“铅污染”； 4.不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，其安装和调试相对方便，可靠性也高。,16,光伏并网逆变器的分类,光伏并网系统逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。 以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此一大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。 逆变器与市电并联运行的输出控制可
7、分为电压控制和电流控制。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。 综合以上所述原因，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。,17,并网逆变器的分类,工频变压器隔离并网逆变器 高频变压器隔离并网逆变器 无变压器绝缘并网逆变器,18,光伏并网逆变电源关键技术,并网电流控制方式 光伏阵列的最大功率跟踪 多机并联群控优化 孤岛效应 电磁噪声 EMC和EMI 系统的各种保护措施 高效率的电路结构和控制方式 远程数据通讯和管理,19,并网电流控制,滞环控制的电流瞬时值比较方式,把指令电流i
8、*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较 器的输入. 通过比较器的输出控制器件V1和V2的通断. V1（或VD1）通时，i增大； V2（或VD2）通时，i减小；,20,并网电流控制,环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大； 环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大； 输出侧电抗L大时，i的变化率小，跟踪慢； 输出侧电抗L小时，i的变化率大，开关频率过高；,滞环控制的电流瞬时值比较方式,21,并网电流控制,硬件电路简单易控； 实时控制，电流响应快； 毋需斩波，输出电压中不含特定频率的谐波分量； 若滞环的宽度固定，电流跟随的误差范围是固定的，但电力半导体器件的开关频率却是变化的，这将导
9、致电流频谱较宽，增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。,采用滞环比较器的瞬时值比较方式,滞环控制的电流瞬时值比较方式的特点：,22,并网电流控制,定时控制的电流瞬时值比较控制方式,不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟,以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断在时钟信号到来的时刻， 如i i*，V1断，V2通，使i减小 每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小,23,并网电流控制,该方式可以避免器件开关频率过高的情况发生。器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。 不足之处在于：补偿电流的跟随误差是不固定的。精度相对较低。,定时控制的
10、电流瞬时值比较方式,定时控制的电流瞬时值比较控制方式的特点：,24,并网电流控制,跟踪实时电流的三角波比较方式,该控制方式原理如图所示，它将指令电流ic*和并网电流ic的实时值进行比较，两者的偏差ic经放大器A后与三角波进行比较，以输出PWM信号。 放大器A多采用比例或比例积分放大器，其系数直接影响电流跟踪特性,25,并网电流控制,跟随误差较大； 软硬件相对复杂； 输出电压中含有主要与三角载波相同频率的谐波； 放大器的增益有限； 功率器件的开关频率固定地等于三角载波的频率； 电流响应相对于瞬时值比较方式为慢。,跟踪实时电流的三角波比较方式,跟踪实时电流的三角波比较方式的特点,26,并网电流控制
11、,瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点， 不能孤立地评价孰优孰劣，实际应用中必须根据 系统要求按需选择。两种方法在实际应用中大体 上各占一半，基本相当。,27,MPPT最大功率跟踪控制,太阳电池的原理与构造,太阳能电池的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明。电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。将太阳能电池单元进行串、并联并封装后就成为太阳能电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多太阳能电池组件按需要再进行串、并联后形成太阳能电池阵列，就构成了“太阳能发电机（Solar Generator）”。,28,MPPT最大功率跟踪控制,理想PN结单元太阳能电池的电流
12、电压(IV)的关系如式所示：,I：PN结的电流(A)； I0 ：反向饱和电流(A)； V ：外加电压(V)； q ：电子电荷(1.610-19C)； K ：是玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K)；T是绝对温度(K)。,太阳电池的原理与构造,29,MPPT最大功率跟踪控制,太阳能电池阵列的I-V特性是并网逆变系统进行分析的最重要的技术数据 之一，如图所示，它具有非线性特质。,太阳电池的原理与构造,30,MPPT最大功率跟踪控制,太阳能电池阵列的几个重要技术参数,1、短路电流(Isc)： 在给定的日照强度和温度下的最大输出电流； 2、开路电压(Voc)： 在给定的日照强度和温度下的最大输出电压
13、； 3、最大功率点电流(Im)： 在给定的日照强度和温度下相对应的最大功率点的电流； 4、最大功率点电压(Vm)： 在给定的日照强度和温度下相对应的最大功率点的电压； 5、最大功率点功率(Pm)： 在给定的日照强度和温度下可能输出的最大功率Pm=ImVm。,太阳电池的原理与构造,31,MPPT最大功率跟踪控制,MPPT的基本概念,由于光伏电池的光电转换效率比较低，光伏电池的输出功率受日照强度以及温度影响的特点，为了在限定的条件下有效利用光伏电池，就要进行最大功率跟踪(MPPTMax Power Point Tracking)。光伏并网逆变系统中通常会加入一MPPT跟踪器。,32,MPPT最大功
14、率跟踪控制,几种常用的MPPT算法,由P-V特性曲线可以看出： 在最大功率点电压的左侧，光伏阵列电池率随其工作点电压的增加而增加； 在最大功率点电压的右侧，光伏阵列电池输出功率随其工作点电压的增加而减小。 最大功率跟踪(MPPT)的目的通过控制阵列端电压VPV ，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。,33,MPPT最大功率跟踪控制,常见的最大功率跟踪控制方法主要有 定电压跟踪法(CVT)； 扰动观察法( P 当风速达到起动风速后，风轮开始转动，带动发电机开始发电，输出电能给负载或者给蓄电池充电。 当风速超过截止风速时，风力发电机通过机械限速机构使风机在一定转速下极限运行的
15、同时接入泄荷电阻，或停运行，以保证风力发电机不至于损坏。,73,光伏阵列,在独立运行系统中，白天有阳光时，光伏阵列经控制器对蓄电池充电。值得注意的是，在独立运行系统中，当光伏阵列输出功率较小或者基本没有输出时(比如阳光较弱，或者夜晚的时候)，为防止蓄电池对光伏阵列反向供电，在阵列输出端应串联防反二极管。,耗能负载,由于小型风力发电系统主要是解决当地居民生活用电问题，负载的用电时间主要在夜晚。在蓄电池充满电的时候，为了防止风力发电机组继续对蓄电池充电，此时需接入耗能负载，用它来消耗风力发电机发出的电能;耗能负载另外一个用途就是当风速过高，风力发电机的输出电压高于设定的保护电压时，也立即接入耗能负
16、载，让耗能负载消耗掉风力发电机所获得的机械能。,74,蓄电池,风/光互补逆变电源的储能装置是蓄电池。常用的蓄电池主要是免维护铅酸蓄电池。电路设计时应考虑蓄电池的反接、过压、欠压等保护。,逆变器,逆变器是将直流电能转换成用户所需的交流电能的装置。它的转换效率和稳定性直接影响到整机的转换效率和稳定性。另外，由于蓄电池电压随充放电状态改变而变动较大，这就要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且保证输出电压的稳定。,75,控制器,控制器在系统中是一个非常重要的部件，它不但控制、协调整个系统的正常运行，而且实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。总的说来，控制器的主要作用有如下几个方面: 保证风机和光伏阵列向蓄电池充电，向负载供电的同时保证各种必要参 数的检测与显示: 当蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池; 按需要提供高精度的电压或电流; 当负载发生短路时，可以自动断开负载
