新能源并网中的电力电子技术

新能源并网中的电力电子技术杨耕,耿华,肖帅,奚鑫泽清华大学自动化系电源学会2011新能源暨暨绿色电源技术全国巡回研讨会2主要内容1.前言1.1新能源发电发展概况1.2基于电力电子的并网技术2.新能源并网技术2.1并网导则2.2光伏发电并网技术2.3风力发电并网技术2.4EV技术2.5其他：功率调节等3.结论1.1.1新能源发电的主要类型主要类型包括光伏发电（PV）、风力发电、氢能发电、核发电生物质能发电、化学能发电、海洋能和地热能发电等。其中，光伏发电和风力发电是目前研究的热点。3前言资源条件要求：都对资源条件有一定要求，其中生物质能、风能、地热能对资源条件要求最苛刻，太阳能、海洋能等要求一般。土地要求：生物质能要求最高，其次是风能、太阳能、地热能和海洋能，若按太阳能占地面积为1个单位计算，风能为7，生物质能为100。一个观点：1.发电前景最好的是太阳能、其次是风能，再次为生物质能；2.太阳能发电又以光伏发电技术为优，不需水资源，系统安装后基本上免维护。引自《可再生能源技术与市场发展展望》李俊峰国家发改委能源研究所另一个观点：1.目前以及近期，性价比最好的是风力发电技术。1.1.2全球发展现状光伏发电（PV）数据来源：《世界能源统计回顾2011》4前言2010年全球风机装机总容量为194.4GW,年增长率为22.5%，风力发电（WG）51.1.3我国发展现状前言太阳能发电[1][1]数据来源：太阳能光伏网截止到2010年底，全国光伏发电累计装机容量达到86万千瓦，其中大型并网光伏电站装机约36万千瓦，只占全国9.6亿千瓦发电装机的0.08%。“十二五”新能源专项规划确定的“十二五”末中国光伏发电装机容量将达到1000万千瓦。2009年，光伏发电上网电价基准价1.5元/千瓦时。如果中国光伏发电其电价将以每年8%的速度下降，到2015年，光伏电价可以降到1元/千瓦时。2010年，中国的并网光伏系统初投资为2万元/千瓦，并以每年8%的速度下降（并网逆变器：0.15～0.3万元/kw）。据此速度，2015年，中国的并网光伏系统造价将下降至1.2万元/kw。61.1.3我国发展现状风力发电[1]前言[1]数据来源（1）（2）国家重大技术装备网2009年底，全国共建设423个风电场，总容量达2268万千瓦，约占全国发电装机的2.6%。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，跃居世界第一。计划到2015年，累计并网运行风电装机容量达到100GW左右，年发电量超过190TWh，其中海上风电装机容量达到5GW。我国已经颁布的风电区域上网电价在0.51~0.61元/kWh，比常规电力价格高出30%左右。风电装备价格进一步下降，从2010年初的4000元/kW，下降到年底的3500元/kW左右，降幅高达12.5%。7主要内容1.前言1.1新能源发电发展概况1.2基于电力电子的并网技术2.新能源并网技术3.结论81.2.1光伏发电并网技术高效逆变器技术控制MPPT功率控制反孤岛功能前言并网技术：1）控制能量转换（光伏、风电、EV）最优；2）满足电力系统对发电装备的各种要求。效率？电压等级？故障处理？输出特性？1.2.2风力发电并网技术逆变器相关技术MPPT控制/功率控制LVRT/HVRT控制9前言10主要内容1.前言2.新能源并网技术2.1并网导则2.2光伏发电并网技术2.3风力发电并网技术2.4EV并网技术2.5其他：功率调节等3.结论2.1并网导则2.1.1光伏并网导则[1]11技术工作特性电压、频率范围有功、无功调节并网谐波直流分量电压闪变故障特性过压过流过载防孤岛运行[1]参考文献：•GB/T18479-2001《地面用光伏（PV）发电系统概述和导则》（对应IEC61277:1995）•GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》•GB/T20046-2006《光伏（PV）系统电网接口特性》（对应IEC61727：2004）•国网技术标准，《光伏电站接入电网技术规定》，等12技术2.1并网导则2.1.2风电场并网导则静态输出特性功率因数范围和功率因数调节电压范围和远程电压控制频率范围和频率调节谐波和电压闪变动态输出特性低电压穿越(LVRT)能力故障特性13LVRT规则要求了什么？LVRT的电压曲线国网公司：风电场接入电网技术规定-2009技术（1）故障期间风电场可/不可切出区域；（2）故障期间没有切出电网的风电场，在故障期间、故障恢复期间，对其的有功/无功功率特性的规定。14目前，LVRT规则的要求故障期间有功电流：未规定；无功电流：未规定。–风电场的无功功率能实现动态连续调节，保证风电场具有在系统事故情况下能够调节并网点电压恢复至正常水平的足够无功容量。故障恢复有功功率：故障清除后快速恢复，以至少每秒10%额定功率的变化率恢复至故障前值；无功功率：未规定技术2001年之前：并网风电机组在电网故障时都会切除；2001年：简单的FRT要求，实现故障后的有功支持；2003年：E.on提出了更高LVRT要求，并给出了详细的电压穿越区间；2006年：E.on提出了高压与超高压并网导则，其区域划分和功率控制要求更加详细；2008年：E.on提出了海上风电场并网导则，针对海上风电场提出了新要求；2009年：E.On专门就超高压并网提出导则。15技术德国并网导则的发展低电压穿越：图中line1的下方和line2的上方的斜线阴影区内风电厂应该不离网地穿越故障。无功补偿：1)电压有效值跌落大于10%时，就必须通过变压器低压侧向电网注入无功电流；2)识别到电压跌落时起20ms内采取电压控制策略；3)低电压侧提供的无功电流(%)与电压跌落度(%)的比值至少为2。16技术2006年规则的两个例子（type2：异步发电机、变频器并网）17主要内容1.前言2.新能源并网技术2.1并网导则2.2光伏发电并网技术2.3风力发电并网技术2.4EV并网技术2.5其他：功率调节等3.结论技术2.2.1光伏发电系统拓扑18光伏并网逆变器隔离型非隔离性工频高频单级多级2.2.2控制1）MPPT基本原理：通过改变光伏电池的输出电压，使其工作在最大功率点输出算法开环方法闭环方法扰动观测法电导增量法19光伏电池P-V特性曲线技术2.2.2控制2）并网控制20并网逆变器控制策略基于电压定向的控制策略基于虚拟磁链定向的控制策略基于电压定向的矢量控制策略基于电压定向的直接功率控制策略基于虚拟磁链定向的矢量控制策略基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略BCAdiqidq*di*dcudqabcac...iiac...eeαiβiee*αu*βu*q0iasbscs*qu*du空间矢量调制dcu相角检测20技术u1+S3Dp1Dp2LAS1Dp3Dp4S5Dp5Dp6LBLCS2S4S6C1CpvPNABC0uaubuc2,,13pvNpvNiNiABCpvsCisCuusCL地电流与以下因素有关寄生电容CpvuAN,uBN&uCN总PWM滤波电感L2.2.2控制3）地电流问题4）并网LCL的设计与控制2121技术22主要内容1.前言2.新能源并网技术2.1并网导则2.2光伏发电并网技术2.3风力发电并网技术（变速型）2.4EV并网技术2.5其他：功率调节等3.结论232.3.1风力发电系统拓扑1）双馈风力发电机（DFIG）优点变流器容量小缺点增加齿轮箱对电网故障敏感242）永磁同步风力发电机（PMSG）优点：不需要齿轮箱，LVRT能力强缺点：变流器容量大，永磁材料价格高252.3.2正常运行的控制正常运行：根据风速的不同，分为三个工作区第一工作区：启动阶段第二工作区：MPPT：控制风机的转速，使风机捕获的风能最大；第三工作区：恒功率控制：变桨距控制，使得风机输出功率恒定。不同工作区功率-风速曲线261）MPPT控制基本原理：通过改变风机转速，使其工作在最大功率点。常用方法：叶尖速比控制法；最优转矩法功率信号反馈法爬山搜索法风能利用系数-桨距角-叶尖速比关系272）变桨距控制变桨距控制方法集中变桨距控制独立变桨距控制变桨距控制的目标对于小功率的风电系统，风机机械结构的刚性较好，主要的控制目标是保持第三工作区输出功率稳定对于大功率的风电系统，风机的桨叶、传动轴、塔架柔性较大，变桨距控制的目标除了保持输出功率平衡，还要降低柔性机械结构的载荷。电网发生故障时，可以通过变桨距进行LVRT协调控制2.3.3故障：LVRT1）DFIG的LVRT能量本质：电网电压跌落，能量不能正常输出，剩余能量导致定转子过流；难点：转子侧变流器容量为总容量的1/3~1/2，能量处理能力有限！28齿轮箱DFIG背靠背PWM变流器变压器风力机电网故障控制算法撬棒(能耗单元)(1)改进DFIG转子励磁控制策略思路：通过控制RSC输出的转子电压，抑制转子电流增大优点：不增加硬件，成本低缺点：由于直流母线电压的限制，使得RSC输出转子电压有限，因此LVRT能力存在极限29转子侧变流器输出电压PWMdckU转子感应电动势改进DFIG转子励磁控制策略的极限分析思路：基于最优控制理论，最小化故障期间的转子电流30frlim2rr0[]=dmintUJtuui-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=50%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=60%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=70%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=80%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=90%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=100%Qs(p.u.)PWT(p.u.)-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=50%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=60%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=70%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=80%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=90%-0.4-0.200.20.40.20.40.60.81Depth=100%Qs(p.u.)PWT(p.u.)穿越范围转子侧变流器容量增加1.5倍穿越范围•增大RSC容量可以提高LVRT能力；•改进DFIG转子励磁控制策略的LVRT能力有限的，对于故障严重的情况，需要借助于硬件保护电路（撬棒）。(2)撬棒（Crowbar）保护电路思路：故障期间在转子侧接入crowbar电路旁路RSC31优点：简单有效，可以实现严重故障的LVRT缺点:(1)从电网吸收大量的无功功率；(2)投切过程中电磁转矩出现振荡，系统受冲击大。(3)定子侧串连无源阻抗思路：故障期间通过在定子侧串入无源阻抗，提高DFIG定子端电压32优点：可以实现故障期间不脱网运行，且提供有功无功支撑缺点:(1)需使用大功率开关器件，成本高(2)正常运行时，开关一直接入，损耗大(4)定子侧串连动态电压恢复器（DVR）思路：故障期间DVR向线路注入串联补偿电压，保持定子端电压恒定33优点：具有优良的LVRT性能缺点:(1)成本高;(2)控制复杂(5)采用动态无功补偿设备的LVRT技术思路：故障期间通过控制动态无功补偿设备向电网注入无功电流，提高风电场并网点电压。34SVC/STATCOM：静止同步补偿器优点：(1)可以满足并网准则要求(2)可以改造旧风场缺点:(1)成本高(2)效果取决于线路阻抗2)PMSG的LVRT本质：电网电压跌落，能量不能正常输出，