新能源中的若干电力电子问题-speed2010-4-24

1新能源发电中的若干电力电子问题徐德鸿，徐君，苏娜，朱选才，李霄，刘昌金浙江大学2010年4月24日第四届高校电力电子与电力传动学术年会重庆大学,2010年4月23-25日2目录•背景•光伏发电•风力发电•燃料电池发电•电力储能技术•并网技术•总结3新能源计划欧盟20-20-20计划:到2020年可再生能源占欧盟总能源消耗的20%2007年12月美国布什总统签署了“能源独立和安全法案”(EISA)。计划太阳光伏发电2020年将占美国届时发电装机增量的15%左右。美国能源部规划到2030年风电占总发电量的30%我国《可再生能源中长期发展规划》，风能、太阳能与生物质能发电，2020年将达到6.7%，2050年将达到29%。2006年我国发电装机容量6亿kW。预计2020年12-16亿kW。发展新能源发电是势在必行。新能源电力电子技术，包括电力电子变换、控制、并网，是新能源发电装备产业的支撑技术。42009年新增风电装机容量1300万kW,累计装机容量NO.2到2010年预期总装机3000万kW国家中长期规划2015年达1500万kW,2020年达3000万kW乐观估计2020年上亿kW规模风力发电我国联网风电场总装机2005200620072008201012002500300020095国外光伏发电情况光伏发电的电价的下降西班牙德国2001-2006，世界PV产业年均增长率为41%在西班牙，光伏发电的电价0.2欧元/度，与峰时电价相等全球PV发电装机累计容量市场预测6我国光伏发电情况•2009年中国光伏发电装机容量已达750万千瓦,挤入世界十强•我国光伏发电成本为1.3元-2.0元/度，高于普通火电平均0.30元/度，“太阳能屋顶”政策实施20元/W的补贴后，发电成本降为0.6元/度-0.9元/度。•乐观估计,2020年中国光伏市场目标:2000万kW（原为180万kW）年200420102020累计装机容量（kW)6.5万30万180万我国光伏规划7目录•背景•光伏发电•风力发电•燃料电池发电•电力储能技术•并网技术•总结8并网光伏逆变器的结构GridPVDCACPVDCACGridACDCDCACGridPVDCAC工频隔离光伏逆变器结构高频隔离光伏逆变器结构非隔离光伏逆变器结构9高频隔离光伏变换器结构优点高频隔离变压器体积小、重量轻的特点安全性高对各国标准的适应强缺点效率低PVDCACGridACDCDCAC10效率小于95%,如何提升高频隔离型光伏变换器的效率?高频隔离光伏变换器效率高频隔离DC/DCInverterPVconverterPWMFB2-levelinv.PWMFB+2-levelinv.PWMFB+3-levelinv.PSFBZVS3-levelinv.PSFBZVS+2-levelinv.PSFBZVS+3-levelinv.Efficiencycomparisonoftwo-stagePVconverterswithdifferentlightintensity91.0%91.5%92.0%92.5%93.0%93.5%94.0%94.5%95.0%95.5%96.0%020040060080010001200PWMFBcon.+2-levelinv.PSCFBcon.+2-levelinv.PWMFBcon.+3-levelinv.PSCFBcon.+3-levelinv.LightIntensity(W/m2)EfficiencyConverterpowerrating:30kWGirdAClinevoltage:400VrmsPVratedoutputvoltage:400VDC11非隔离光伏变换器结构优点体积小、重量轻变换效率高缺点EMC和地电流抑制问题可能不符合个别国家或地区标准GridPVDCACuPV+udc+BoostDC/DCcon.(uPVudc)DCDCGridPVInverterDCAC单级变换两级变换12非隔离光伏变换器效率:单级变换S'3D'p1D'p2LA'S'1D'p3D'p4S'5D'p5D'p6LB'LC'S'2S'4S'6C'1C'2u1+3HB-SCC'1LA'LB'LC'S'3D'p1D'p2S'1D'p3D'p4S'2S'4S'7D'p5D'p6S'5D'p7D'p8S'6S'8S'11D'p9D'p10S'9D'p11D'p12S'10S'12D'3D'4D'1D'2D'5D'6C'2u1+3xNPCFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:Efficiencycomparisonof2-level&3-levelinverter96.0%96.5%97.0%97.5%98.0%98.5%99.0%0200400600800100012002-level3-levelLightIntensity(W/m2)Efficiency132Lboostcon.+3HB-SC2Lboostcon.+3xNPCupv+LD1S1C1S'3D'p1D'p2LA'S'1D'p3D'p4S'5D'p5D'p6LB'LC'S'2S'4S'6C'1C'2LD1S1C1upv+C'1LA'LB'LC'S'3D'p1D'p2S'1D'p3D'p4S'2S'4S'7D'p5D'p6S'5D'p7D'p8S'6S'8S'11D'p9D'p10S'9D'p11D'p12S'10S'12D'3D'4D'1D'2D'5D'6C'23Lboostcon.+3HB-SC3Lboostcon.+3xNPCupv+S'3D'p1D'p2LA'S'1D'p3D'p4S'5D'p5D'p6LB'LC'S'2S'4S'6C'1C'2S1D1LC1S2D2C'1LA'LB'LC'S'3D'p1D'p2S'1D'p3D'p4S'2S'4S'7D'p5D'p6S'5D'p7D'p8S'6S'8S'11D'p9D'p10S'9D'p11D'p12S'10S'12D'3D'4D'1D'2D'5D'6C'2upv+S1D1LC1S2D2Efficiencycomparisonoftwo-stagePVinverter94.0%94.5%95.0%95.5%96.0%96.5%97.0%97.5%98.0%0200400600800100012002Lcon.+2Linv.3Lcon.+2Linv.2Lcon.+3Linv.3Lcon.+3Linv.LightIntensity(W/m2)EfficiencyFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=400VDC-linkvoltageUdc=750V±20VSwitchingfrequencyfs=10kHzCurrentrippleratiooffilterinductorrL=20%.GirdAClinevoltageUo=400VrmsConditions:非隔离光伏变换器效率:两级变换14PV逆变器的高效率化Nonisolatedinverter(red),inverterwith50/60Hztrans-former(blue)inverterwithHFtransformer(green).@PCIMchina0815非隔离光伏变换器地电流问题ILIdRshRsILIdRshRsILIdRshRsILIdRshRs+-ConductingsurfaceConductingsurfaceILIdRshRsILIdRshRsILIdRshRsILIdRshRs-+GroundPVarrayHumidenvironmentDryenvironment单晶体硅光伏电池，寄生电容约为50~150nF/kWp,对于薄膜光伏电池，约为1μF/kWpu1+S3Dp1Dp2LAS1Dp3Dp4S5Dp5Dp6LBLCS2S4S6C1CpvPNABC0uaubuc16三相光伏逆变器的地电流模型u1+S3Dp1Dp2LAS1Dp3Dp4S5Dp5Dp6LBLCS2S4S6C1CpvPNABC0uaubucLALBLCCpvABCNuANuBNuCN0地电流与以下因素有关寄生电容CpvuAN,uBN&uCN之和PWM滤波电感L2,,13pvNpvNiNiABCpvsCisCuusCLHarmonicspectrumofiN246810hmf2mf3mf4mf05mfINhm/AFullratedinputpowerP=30kVAInputvoltageatratedpowerU1=917VSwitchingfrequencyfs=10kHzGirdAClinevoltageUac=400VrmsL=2.4mHCpv=4.5µFAmplitudemodulationratioma=0.78如何抑制地电流?17最大功率跟踪如何减少功率的损失?随着电站容量的增加,MPPT受到关注MPPT方法恒电压控制法::OCmppUU开路电压最大功率点电压测量开路电压，设0.76mppOCUU扰动观察法()(1)()(1)UnUnsUPPnPn010-1PsPs电导增量法01()(1)0100IIsUUIIUnUnsUsUUIIsUU18目录•背景•光伏发电•风力发电•燃料电池发电•电力储能技术•并网技术•总结19风力发电大容量化和发电效率提升GridMGrid690VAC690VAC通过优化控制，减小电机的损耗，进而实现整体效率的提高采用较高电压等级,提升发电效率和降低输电电缆成本通过对变流器结构的优化选择，使用高效率的变流器拓扑结构来提高整机的效率多电平技术软开关技术20目前风力发电变流器容量提升手段21风力发电变流器容量提升MultibridM5000(5MWPMSG)Converter:Three-levelNPC电压等级提升多重化并联22两电平vs.三电平inverterlossfor2MWPMSGDC/ACAC/DCVline=661VIline=1900AVline=690VIline=1631AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.15mH@两电平:1MBI3600U4D-170(1700V/3600A)IGBT三电平:1MBI3600U4D-120(1200V/3600A)IGBT010203040506070two-level(1kHz)three-level(1kHz)two-level(2kHz)three-level(2kHz)two-level(3kHz)three-level(3kHz)Loss(kW)PLPrrPoffPonPcondPcons23DFIGDC/ACAC/DCVline=561VIline=596AVline=690VIline=265AVDC=1200VL=0.2Lbase=0.75mH@两电平:2MBI1200U4G-170(1700V/1200A)IGBT三电平:2MBI1200U4G-120(1200V/1200A)IGBT0200040006000800010000120001400016000two-level(1kHz)three-level(1kHz)two-level(2kHz)three-level(2kHz)two-level(3kHz)three-level(3kHz)Loss(W)PLPrrPoffPonPcondPcons两电平vs.三电平inverterlossfor2MWDFIG24PMSGandDFIG变流器损耗分析@Losscomparison