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1、可再生能源发电技术,程明、张建忠、王念春 编著,2,第7章 功率变换技术,7.1 功率变换基本概念 7.2 功率变换电路 7.3 大功率变流和并网技术,3,不可控型器件：功率二极管 半控型器件：晶闸管(SCR/Thyristor)及其多数派生器件 全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT、MCT等,功率器件,7.1 功率变换基本概念,4,5,（a）国标符号 （b）螺栓型 （c）平板型 晶闸管,（a）国标符号 （b）螺栓型 （c）平板型 功率二极管,（a）结构（b）图形符号 （c）等效电路 GTO,功率MOSFET的 图形符号,（a）内部结构（b）等效电路（c）图形符号 IGBT,6,
2、功率器件的驱动电路,晶闸管的触发电流要求： 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通； 触发脉冲应有足够的幅度，户外寒冷环境需要的脉冲电流幅度和脉冲前沿陡度更大； 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极可靠触发区域之内； 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电气隔离。,7,功率器件的驱动电路,电流驱动型器件的驱动电路: GTO和GTR是电流驱动型器件； 驱动波形的上升沿陡度、波形的宽度和幅度及下降沿的陡度等对GTO的特性有很大的影响。,8,功率器件的驱动电路,电压驱动型器件的驱动电路: 功率MOSFET和IGBT是电压驱动型器件； 栅源（射）极驱动电压：功率MOSF
3、ET一般取1015V，IGBT一般取1520V； 关断时施加一定幅值的负驱动电压有利于减小关断时间和关断损耗。,9,功率器件的保护,过电压的产生和保护: 有外因过电压和内因过电压两种； 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部因素； 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括 换流过电压 关断过电压,过电流的产生和保护: 分过流和过载两种情况，一般均同时采用几种过电流保护措施； 过电流检测方法 电流传感器检测法； 饱和电压检测法。,10,缓冲电路: 作用：抑制电力电子器件的过电压和du/dt，或者抑制过电流和di/dt，减小器件的开关损耗； 分关断缓冲电路和开通缓冲电路，两者
4、结合在一起为复合缓冲电路。,11,7.2 功率变换电路,Convert AC into DC 交流直流整流电路 Convert DC into DC (Battery Charge /Discharge) 直流直流变换电路 Convert DC into AC 直流交流逆变电路,12,ACDC Converter,分为不控整流、相控整流和PWM整流3类 二极管整流器不控整流 晶闸管整流器相控整流 PWM整流器 PWM， Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制 改善电网质量，提高电能利用效率，减小谐波、低功率因数对电网的危害。 一般采用全控型电力电子器件IGBT、MOSFET
5、,13,电压型PWM整流器（升压型或Boost型）,分半桥和全桥PWM整流电路,14,三相电压型PWM整流器,输出直流电压高于交流峰值电压，可把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实现交流直流侧的双向能量流动。,15,电流型PWM整流器（降压型或Buck型）,优点：不怕桥臂直通和输出短路；电流输入波形好，电流响应快 缺点：需要大电感，电源的体积和重量显著增大；需要反向隔离二极管，造成主电路结构复杂且存在通态损耗,16,将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，也称直流斩波器（DC Chopper） 常用单开关器件直流变换器主要有6种：降压Buck型，升压Boost型，降升压Buck-Bo
6、ost型，3种升降/降升压（Cuk、Sepic和Zeta )型,Buck电路,Buck-Boost电路,Boost电路,Sepic电路,DCDC Converter,17,输出端为LC低通滤波电路，电流连续时相当于一个“直流”变换器； 电流断续时BUCK电路的输入输出关系与电流连续时不同； 优点：结构简单，控制方便，效率高，输入输出之间共地，成本低,Boost电路工作模式及电流连续时各点波形,Buck电路,18,升压斩波原因；一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。 输入输出关系式：,Boost变换电路,Boost电路,19,DCAC Converter,逆变，AC-
7、DC的逆过程，分有源逆变和无源逆变两种 PWM逆变器具有输出谐波小的优点，被广泛应用于新能源发电并网逆变器中,20,三相双极性调制SPWM波形,21,Wind turbine systems without power converter but with aerodynamic power control,Pitch controlled,Stall controlled,Active stall controlled,7.3 大功率变流和并网技术,22,Wind turbine systems with partially rated power electronics,Rotor res
8、istance converter,Doubly fed induction generator,23,Wind turbine systems with full-scale power converters with active and reactive power control,Induction generator with gear,Multipole synchronous generator,24,Wind turbine systems with full-scale power converters with active and reactive power contr
9、ol,Synchronous generator with gear,Multipole permanent magnet synchronous generator,25,Photovoltaic power generation system,单相工频隔离并网逆变器,无变压器的单相并网逆变器,26,Demands to power converter topologies Reliable Minimum maintenance Solution competitive economically Low power losses Physical size limited Weight l
10、imited (if in nacelle),27,一、双馈发电机变流器 四象限运行，控制复杂； 变流器功率为机组功率的20%40%；,28,Back-to-back two-level voltage source converter,Proven technology Standard power devices (integrated) Decoupling between grid and generator (compensation for non-symmetry and other power quality issues) Need for major energy-stor
11、age in DC-link (reduced life-time and increased expenses) Power losses (switching and conduction losses),29,Back-to-back three-level voltage source converter,30,Back-to-back three-level voltage source converter,Known technology Lower rating for the semiconductor devices Decoupling between grid and g
12、enerator (compensation for non-symmetry and other power quality issues) Lower harmonic distortion to the grid (or lower switching losses /smaller grid-filter) Power losses (conduction losses) More complex control Number of devices higher Need for energy storage in DC-link,31,Matrix converter,32,Matr
13、ix converter,One-stage power conversion No intermediate energy-storage Thermal load of the power devices better compared to other Less switching losses than two-level back-to-back VSI Better harmonic performance on the generator-side than two-level back-to-back VSI (maybe lower switching frequency)
14、More complex control part Higher number of components More conduction losses Not proven technology No decoupling between grid and generator (Limited possibilities for compensation) Filter-design complex,33,二、全功率变流器,二极管整流 + IGBT逆变； 晶闸管整流 + 晶闸管有源逆变； 晶闸管整流 + IGBT逆变； 二极管整流 + BOOST升压 + IGBT逆变 多相整流 + 多相逆变
15、 IGBT（PWM）整流 + IGBT逆变； 三电平变流器 并联型变流器 矩阵变换器,34,不可控整流+IGBT逆变,优点：简单可靠 缺点：a) 发电机功率因数低，1MW以下适合； b) 在发电机输出电压低于电网电压（低风速）时无法将能量馈入电网。,35,晶闸管整流+晶闸管有源逆变,36,可控整流+IGBT逆变,优点：可控整流，有效保护直流侧过载 缺点：a) 发电机功率因数低，1MW以下适合； b) 在发电机输出电压低于电网电压（低风速）时无法将能量馈入电网。,37,含直流升压电路,不可控整流+BOOST升压电路 优点：能将低风速时的电能馈入电网。 缺点：电感、电容尺寸较大，升压管承受高压。,
16、38,Two-level inverter and boost-rectifier,Complete control of active and reactive power Proven technology Less number of power semiconductor devices Decoupling between grid and generator (compensation for non-symmetry and other power quality issues) Switching frequency limited because the converter is full-scale. Need for major energy-storage in DC-link (reduced life-time and increased expenses),39,多相发电机+多相整流,40,（PWM）整流IGBT逆变,可提高网侧功率
