第五章 新能源发电中的逆变电源技术



逆变电源技术
1
2

  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
3

  1. 新能源发电兴起的背景

  1.
  1.1国内常规能源的现状
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

  80%煤炭在山西、陕西、
  80%煤炭在山西、陕西、内蒙古 和新疆 60\\\\%水能在西部 60\\\\%水能在西部 大部分天然气在西部 缺乏石油、 缺乏石油、天然气资源
水能 37\\\\% 天然气 1\\\\% 煤炭 石油 水能 天然气
石油 3\\\\%
煤炭 59\\\\%
4
2003年 一次能源消费总量为
  16.8亿吨标准煤 2003年,一次能源消费总量为
  16.8亿吨标准煤
  16.8
Composi t i on of Ener gy Consumpt i on ( 20
  03)
能源消费构成(2003年) 能源消费构成( 2003年) 2003 coal (煤炭) oil(石油) natural gas(天然 气)
  67.10\\\\% hydropower and other (水电及其他)
  2.80\\\\%
  7.40\\\\%
  22.70\\\\%
5
太阳能 理论资源储量每年17000亿吨标准煤 理论资源储量每年17000亿吨标准煤 17000 2/3的陆地年日照小时超过22
  00,每平方米年接受太阳辐射能5000兆焦 2/3的陆地年日照小时超过22
  00,每平方米年接受太阳辐射能5000兆焦 的陆地年日照小时超过2200 5000
6
小水电:
  1.25亿千瓦 亿千瓦, 小水电:
  1.25亿千瓦,65\\\\% 在西部 风能 Wind 陆地: 亿千瓦 陆地:
  2.5亿千瓦 海面: 亿千瓦 海面:
  7.5亿千瓦
7
新兴工业国家的经济发展: 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 中国、印度、东南亚人口大国经济发展迅猛, 口国变为进口国; 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; )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 )石油、天然气和煤炭等化石燃料消耗加速, 下,成为制约国家经济与安全的关键因素; 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。 )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战争的最大诱因。 争夺能源已成为国际争端和战争的最大诱因。
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环保意识的抬头: 环保意识的抬头:
京都议定书: 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” 主要经济体承诺未来十年间CO2及有害气体的减排量” CO2及有害气体的减排量 欧洲国家:8\\\\%,已签署。 欧洲国家:8\\\\%,已签署。 日本:7\\\\%,已签署。 日本:7\\\\%,已签署。 美国:6\\\\%,拒绝签署。(排放第一大国) 美国:6\\\\%,拒绝签署。(排放第一大国) 。(排放第一大国 中国:未限制,已签署。(排放第二大国) 中国:未限制,已签署。(排放第二大国) 。(排放第二大国 国际压力: 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。 美国人的拒签理由是要求以中国承诺减排为前提。
9

  2. 逆变电源技术 在光伏发电系统中的应用
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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
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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: 两类:
  1、不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”; 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”。 含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”
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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。
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核心逆变器一般由并网逆变器和 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 两部分组成。 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。 和重要负载开关。对重要交流负 载而言,系统兼具不间断电源的 载而言,系统兼具不间断电源的 作用。 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, 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 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, 量以稳定电网电压,同时亦可抵 消有害的高次谐波分量。 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 电网调峰。 网电流的大小,有益于电网调峰。 提高电网的运行质量。 提高电网的运行质量。
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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
  25~30年左右
  2.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。
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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。
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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
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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
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滞环控制的电流瞬时值比较方式
VD1 i VD2 V2 V1 + i* - i
Ud 2 Ud 2
负载
L
把指令电流i* i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较 i*i* i* 器的输入. 通过比较器的输出控制器件V1和V2的通断. V
  1(或VD
  1)通时,i增大; i ; V
  2(或VD
  2)通时,i减小; i ;
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滞环控制的电流瞬时值比较方式
i i i* i* +? I
O i* -? I
t
环宽过宽时,开关频率低,跟踪误差大; 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; 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 的变化率小 跟踪慢; 大时, 的变化率小, 输出侧电抗 大时,i的变化率小,跟踪慢; 输出侧电抗L小时 的变化率大 开关频率过高; 小时, 的变化率大, 输出侧电抗 小时,i的变化率大,开关频率过高;
20
滞环控制的电流瞬时值比较方式的特点: 滞环控制的电流瞬时值比较方式的特点:
硬件电路简单易控; 硬件电路简单易控; 实时控制,电流响应快; 实时控制,电流响应快; 毋需斩波, 毋需斩波,输出电压中不含特 定频率的谐波分量; 定频率的谐波分量; 若滞环的宽度固定, 若滞环的宽度固定,电流跟随 的误差范围是固定的, 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,这将导致电流频谱较宽, 化的,这将导致电流频谱较宽, 增加了滤波器设计的难度, 增加了滤波器设计的难度,可 能会引起间接的谐波干扰。 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
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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通,V2断,使i增大 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
22
定时控制的电流瞬时值比较控制方式的特点: 定时控制的电流瞬时值比较控制方式的特点: 瞬时值比较控制方式的特点
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。
定时控制的电流瞬时值比较方式
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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
负 载
Ud
C+ C+ C+ -
A A A
- iU + - iV +
i*U i*V
- iW * iW +
三相三角波 发生电路
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跟踪实时电流的三角波比较方式的特点
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
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瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点, 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, 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 系统要求按需选择。 上各占一半,基本相当。 上各占一半,基本相当。
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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)”。
27
太阳电池的原理与构造
Id
IL
C
j
Rs
I
R sh
V
理想PN结单元太阳能电池的电流-电压(I-V)的关系如式所示:
? ? q (V + IR s ) ? ? V + IR s I = I L ? I 0 ?exp ? ? ? 1? ? R AKT ? ? ? ? sh
I:PN结的电流 ; : 结的电流 结的电流(A); I0 :反向饱和电流 ; 反向饱和电流(A); V :外加电压 ; 外加电压(V); q :电子电荷 电子电荷(
  1.
  6×10-19C); × ; K :是玻耳兹曼常数 是玻耳兹曼常数(
  1.
  38×10-23J/K);T是绝对温度 。 是绝对温度(K)。 × ; 是绝对温度
28
太阳电池的原理与构造
太阳能电池阵列的I-V特性是并网逆变系统进行分析的 太阳能电池阵列的 特性是并网逆变系统进行分析的 之一,如图所示, 最重要的技术数据 之一,如图所示,它具有非线性特 质。 I ( A ) P (W )
4
  3.5 3
  2.5 40 60
I sc
电流
Pm
50
Im
2
  1.5 1 功率 20 30
Vm

  0.5 0
V oc
10
0
5
10
15
20
25
0
U (V )
29
太阳电池的原理与构造
太阳能电池阵列的几个重要技术参数
  1、短路电流(Isc): 短路电流(Isc): (Isc) 在给定的日照强度和温度下的最大输出电流; 在给定的日照强度和温度下的最大输出电流; 开路电压(Voc) (Voc):
  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; 在给定的日照强度和温度下的最大输出电压; 最大功率点电流(Im) (Im):
  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; 在给定的日照强度和温度下相对应的最大功率点的电流; 最大功率点电压(Vm) (Vm):
  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; 在给定的日照强度和温度下相对应的
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