电力电子与新能源技术

电力电子与新能源技术上海大学阮毅上海大学绿色电源与低碳经济大功率中、高压变频技术及应用风力发电及并网技术新型微电网上海大学绿色电源与低碳经济上海大学面临的问题能源短缺——化学燃料属于不可再生性能源，能源问题成为阻碍发展的重要障碍环境污染——传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了大量的污染；气候变化——煤炭等化石燃料排放的温室气体对气候变化造成巨大影响。上海大学出路与对策发展低碳经济，走可持续发展道路。上海大学节能:努力推进节能和科学用能提高能源利用效率，减少化石能源消耗，保护生态环境。采用变频调速减少风机、泵类负载的电能损耗。提高用电装置的功率因数，或采用功率因数补偿装置。采用新材料、新技术提高电源与电器设备的效率。上海大学节能:努力推进节能和科学用能上海大学可再生能源的开发利用大力开发可再生能源和新能源随着全球石油煤炭等资源的耗尽，人们必须在矿物能源没有用完的有限时间内找到可以替代的新能源和动力装置。因此，人们多年来一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。上海大学绿色能源太阳能电池风力发电潮汐、地热发电燃料电池各种高效无污染电源上海大学海上风电场上海大学光伏太阳能电池上海大学新型电网上海大学绿色电源技术实现节能减排上海大学新能源驱动交通工具上海大学大功率中、高压变频技术及应用上海大学低压交流变频调速低压交流变频调速日益成熟：主回路：交-直-交方案逆变：IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）或Power-MOSFET器件，两电平结构，SPWM或SVPWM整流：不可控整流或PWM整流上海大学低压交流变频调速低压交流变频调速日益成熟：控制方案：电压频率协调控制、矢量控制、直接转矩控制应用：所有低压电机驱动而需要调速的对象上海大学中、高压交流变频调速低压变频调速提供了技术的积累器件的发展：HV-IGBT、IGCT、IECT电压等级：中压3000V，高压6000V以上主回路结构：交-交变频、交-直-交两电平或三电平、交-直-交级联型单元串联多电平应用：高压水泵、风机，轨道交通电力牵引，船舶主传动，大型轧机主传动等上海大学电力电子器件SCR（晶闸管）：2500A/8000V，4500A/6000VHV-IGBT（高压IGBT）：4000A/4500VIGCT（集成门极晶闸管）：6000A/6000VIECT（注入增强型IGBT）：4000A/4500V上海大学新型电力电子器件新型电力电子器件：开关频率高，容量大，性能更优碳化硅（SiC）：肖特基二极管已商业化，可开关器件尚处于实验室阶段氮化镓（GaN）高频性能更佳，尚未见成熟的产品面世上海大学高压变频器拓扑结构交-交变频交-直-交两电平或三电平交-直-交级联型单元串联多电平上海大学交-交变频交-交变频主回路拓扑结构上海大学交-交变频主要特征能量双向流动，可四象限运行选用SCR作为功率器件，一般为36个输出功率：5000KW—20000KW输出频率：1/3~1/2电源频率输出电压：3000V上海大学交-交变频不足之处电网则谐波电流较大，功率因数低输出电压、电流谐波分量大调速范围小需要滤波与无功补偿上海大学交-交变频的应用轧机主传动、船舶电力推进、球磨机和水泥回转窑，一般采用矢量控制典型产品：Siemens公司此方案比较成熟，为早期产品，面临被取代的处境上海大学不可控整流交-直-交两电平变频单管结构，不可控整流，SVPWM，与普通的低压变频期无本质区别，只是器件电压等级较高。~ACB上海大学多管直接串联的两电平变频器UVW上海大学多管直接串联的两电平变频器优点：利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑和控制策略。难点：串联开关管需要动、静态均压，因此对驱动、控制电路的要求也大大提高，还需要解决dv/dt、抗共模电压技术、正弦波滤波技术等问题。应用：高压风机、泵类负载上海大学不可控整流交-直-交两电平变频能量单向流动，不能四象限运行选用IGBT等功率器件输出频率：范围较大单管结构输出电压：1200V多管结构输出电压：3000~6000V上海大学不可控整流交-直-交两电平变频不足之处电网则谐波电流较大，功率因数低输出电压、电流谐波分量大dv/dt较大上海大学可控整流交-直-交两电平变频可控整流，SVPWM~ACBdUUWV上海大学可控整流交-直-交两电平变频能量双向流动，四象限运行电网则谐波小，功率因数可控选用IGBT、IGCT或IECT等功率器件输出频率：范围较大输出电压：1200V应用：高性能调速系统，轨道交通牵引上海大学交-直-交三电平变频避免了器件直接串联的动态均压问题。输出电压的电平数增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可改善输出波形质量，dv/dt下降。整流部分可以是可控整流，也可以是不可控整流上海大学可控整流三电平变频器UVWBCA上海大学可控整流三电平变频器能量双向流动，四象限运行电网则谐波小，功率因数可控选用IGBT、IGCT或IECT等功率器件输出频率：范围较大输出电压：3000V应用：轧机主传动，电力牵引，船舶推进等高性能四象限运行调速系统上海大学可控整流三电平变频器零点漂移问题采用双直流电源可以抑制上海大学多相电机兰州电机厂五相电机器件的并联改为桥臂的并联上海大学三电平变频器并联宝钢某轧机主传动，3000V，9000kW，双绕组同步电动机，采用两个三电平变频器供电矢量控制双绕组同步电动机三电平变频器三电平变频器上海大学三电平变频器串联定子绕组打开，两套3kV三相三电平逆变器串联上海大学飞跨电容钳位型多电平变频器用飞跨电容取代钳位二极管，虽省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。UVW上海大学交-直-交级联型单元串联多电平变频器11V11D12V12D13V13D14V14DdcV21V21D22V22D23V23D24V24DdcV1NV1ND2NV2ND3NV3ND4NV4NDdcVWWgV2,WV1,WVNWV,11V11D12V12D13V13D14V14DdcV21V21D22V22D23V23D24V24DdcV1NV1ND2NV2ND3NV3ND4NV4NDdcVVVgV2,VV1,VVNVV,11V11D12V12D13V13D14V14DdcV21V21D22V22D23V23D24V24DdcV1NV1ND2NV2ND3NV3ND4NV4NDdcVUUgV2,UV1,UVNUV,g上海大学交-直-交级联型单元串联多电平变频器POWERCELLB1POWERCELLA1POWERCELLC1POWERCELLA2POWERCELLB2POWERCELLC2POWERCELLC3POWERCELLB3POWERCELLA3高压电机CENTRALCONTROLSYSTEMTYPICALPOWERCELLLOCALCONTROLS三相高压输入三相变压变频高压输出FIBEROPTICS集成一体式变压器上海大学级联型多电平电路结构的优点直流侧采用相互分离的直流母线供电，不存在电压均衡问题；结构简单清晰，控制方法相对简单，可分别对每级进行PWM控制；无需钳位二极管或钳位电容，易于模块化封装。单元模块化为实际安装、使用、维护方便。当H桥出现故障，可将其旁路，余下的单元可以继续工作。上海大学级联型多电平电路结构的优点输出电压、电流谐波分量小dv/dt较小不存在中间直流电压中性点偏移问题。电源侧选用特制的变压器，可减小电流谐波，改善功率因数上海大学级联型多电平电路结构存在的缺点电路的每个基本单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼此隔离，从而解决单元级联时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数增加，直流电源数也将大量增加。上海大学级联型多电平电路结构存在的缺点一般采用不可控整流，无法实现能量回馈及四象限运行，只适用于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备。需要特制的变压器上海大学大功率高压变频调速系统转速开环型电压频率协调控制，适用于动态性能要求不高的风机、水泵类负载转速闭环矢量控制或直接转矩控制，适用与轧机主传动、轨道交通电力牵引、船舶电力推进等动态性能要求高的调速系统采用转速计算方法的无速度传感器控制系统，性能介于上述两种之间上海大学结论低压变频技术的发展与成熟，为大功率高压变频调速积累了经验高压、大电流电力电子器件的产生，为大功率高压变频调速提供了可能大功率高压变频调速具有广阔的应用前景和市场上海大学风力发电及并网技术上海大学主要内容风力发电并网运行的现状风力发电并网方式存在问题及应对策略新型微电网上海大学风力发电并网运行的现状新疆达坂城风力发电厂上海大学全球风电装机容量持续增长截至2011年底，全球风电装机容量2.38亿千瓦，同比增长20%。排名前五位中国、美国、德国、西班牙、印度风电装机容量均超过1500万千瓦，合计占全球风电总装机的比重达到74%。我国占据首位。数据来源：GWECGlobalWindReport2011上海大学我国风电行业2006年，我国风力发电发展的预测目标上海大学我国风电行业数据来源：水规院《2011年度中国风电建设统计评价报告》“十一五”期间，风电装机容量快速增长，年均增速接近100%，风电开始进入规模化发展阶段。截至2011年底，中国风电并网容量达到4784万千瓦，比2005年增长36倍。风电并网容量（万千瓦）上海大学我国风电行业国家电网公司经营区内风电并网容量年均增速达到97.65%。2011年达到4394万千瓦，同比增加1568万千瓦，增长55%，比2006年增长25倍。上海大学我国风电行业2011年分区风电并网容量东北、华北、西北地区分别为1518、1678、830万千瓦。占全国风电并网容量的比例达到85%。上海大学风电并网容量快速增长排名前十位的省区风电并网容量合计3889万千瓦，约占风电并网总容量的86%。上海大学风电并网容量快速增长2011年，我国风电发电量715亿千瓦时，同比增加225亿千万时。数据来源：水规院《2011年度中国风电建设统计评价报告》上海大学风电并网容量快速增长上海大学风电并网容量快速增长2011年，全国风电设备平均利用小时数约1928小时，比2010年减少169小时。2011年主要省区风电发电利用小时数上海大学大中型风电场2011年底，10万千瓦及以上风电场219座，比年初增加77座，总容量2087万千瓦增长到3464万千瓦，容量占比从68%提高到82%。上海大学风力发电并网方式内蒙古风力发电厂上海大学风力发电并网运行交流励磁双馈变速恒频发电增速箱风机双馈电机电网部分额定值变频器上海大学风力发电并网运行无刷双馈发电机变速恒频发电增速箱风机无刷双馈发电机部分额定值变频器功率绕组控制绕组电网上海大学风力发电并网运行直驱式永磁同步发电机变速恒频发电风机电网永磁同步发电机全额定值变频器上海大学风力发电并网高压发电机、全功率变换器、变压器并网上海大学风力发电并网发电单元并联，变压器并网上海大学风力发电并网串联单元上海大学风电接入电网等级接入750千伏的并网风电项目个数和容量分别占1%和1%；接入330千伏分别占2%和7%；接入220千伏电压等级分别占30%和42%；接入110千伏分别占46%和38%；接入66千伏电压等级分别占21%和11%。上海大学存在问题及应对策略海上风电场上海大学风电脱网事故上海大学风电脱网事故事故主要原因：并网风电场设备质量不良以及风机不具备低电压和高电压穿越能力所致。电网安全稳定运行的问题日益突出。上海大学存在问题及应对措施1风电出力变动性显著影响电力系统实时功率平衡。需要电力系统配置与风电接入规模相适应的快速灵活调节电源（包括抽水蓄能、多年