第五章 新能源发电中的逆变电源技术讲述

1逆变电源技术235.1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煤炭59%石油3%水能37%天然气1%煤炭石油水能天然气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1.1.1国内常规能源的现状52003年，一次能源消费总量为16.8亿吨标准煤CompositionofEnergyConsumption(2003)能源消费构成（2003年）22.70%2.80%7.40%67.10%coal（煤炭）oil（石油）naturalgas（天然气）hydropowerandother（水电及其他）6太阳能理论资源储量每年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战争的最大诱因。9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。102.逆变电源技术在光伏发电系统中的应用11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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、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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。16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。17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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负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2Ud滞环控制的电流瞬时值比较方式把指令电流i*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；O图6-23tiii*+Ii*-Ii*滞环控制的电流瞬时值比较方式21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ii*，V1通，V2断，使i增大如ii*，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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定时控制的电流瞬时值比较控制方式的特点：24跟踪实时电流的三角波比较方式图6-27负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波发生电路AAA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Δic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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（SolarGenerator）”。28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：LIdIjCshRsRIVI：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(1.6×10-19C)；K：是玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T是绝对温度(K)。shssLRIRVAKTIRVqIII1)(exp0太阳电池的原理与构造29mImVocVscImP电流功率)(WP)(VU)(AI00.511.522.533.5051015202540102030405060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；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=Im×Vm。太阳电池的原理与构造31MPPT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(MPPT——MaxPowerPointTracking)。光伏并网逆变系统中通常会加入一MPPT跟踪器。32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&O、爬山法)；电导增量法；间歇扫描法；模糊控制算法。34定电压跟踪法(CVT)不同照度下的PV特性曲线在日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明当温度一定时，阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得Vmax数据并使阵列的输出电压钳位于Vmax值即可。CVT式的MPPT控制实际上就是把MPPT控制简化为稳压控制35CVT控制的优点：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。CVT控制的缺点：控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难于预料风、沙等影响。采用CVT以实现MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。定电压跟踪法(CVT)的特点36扰动观察法基本原理扰动观察法是目前实现MPPT的常用方法之一。其原理是先扰动输出电压值(UPV+ΔU)，再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一（+ΔU）方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往相反（-ΔU）方向扰动。37扰动观察法38扰动观察法的优点：模块化控制回路；跟踪法则简明，容易实现；扰动观察法的缺点：只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失；初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。有时会发生程序在运行中的失序（“误判”）现象。扰动观察法的特点39扰动观察法的误判假设日照下降，则对应Vb的输出功率可能为PcPa，系统会误判电压扰动方向错误，从而控制工作电压往左移动回到Va点。如果日照持续下降，则有可能出现控制系统不断误判，使工作电压不断往左移动。对于并网系统来说，一方面会使得并网功率下降，另一方面会由于直流侧电压的下降而使得并网电流波形变差，直至停止工作。对于这种由于日照影响造成的系统误判可以通过加大扰动的频率和减小扰动的步长来尽可能地消除。40电导增量法IVPmax0dVdIVIdVdPVIdVdI电导增量法(IncrementalConductanceAlgorithm)也是MPPT控制常用的算法之一。通过太阳电池阵列P-V曲线可知最大值点Pmax处的斜率为零，所以有：