1、电力电子装置在新能源技术中的应用5.3.1 5.3.1 全球新能源发展概况全球新能源发展概况 世界范围内新能源的发展势不可挡，前景广阔。为促进全球尤其是发展中国家新能源的推进并拉动全球新能源需求,2009年成立了国际新能源机构，目前其成员国数量已经上升到75个，新能源已成为各国综合实力较量的主战场。随着各国的共同努力,全球新能源技术等综合实力不断提高，发电机组总容量、产品产量等都保持逐年上升的态势。风能、太阳能、生物质能近十年来发展成为新能源领域中最有竞争力的能源形式。太阳能消费近年呈现平稳状态，风能、生物质能的消费则呈快速增长态势，尤其是风能。在这些新兴的能源技术中，都离不开电力电子装置，本
2、环节将主要介绍电力电子装置在新能源中的应用。5.3.2 5.3.2 开关稳压电源开关稳压电源 线性稳压电源效率低、过载能力差、体积大等缺点，线性稳压电源效率低、过载能力差、体积大等缺点，已无法适应需要。已无法适应需要。1 1、开关电源的工作原理、开关电源的工作原理基本原理：基本原理：当开关电源由于负载减小或交流输入电压当开关电源由于负载减小或交流输入电压升高而引起输出直流电压升高时，由升高而引起输出直流电压升高时，由PWM环节控制，环节控制，使逆变器中开关器件的导通时间缩短，逆变器输出脉使逆变器中开关器件的导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之，使逆变器输出宽变窄，从而使输
3、出电压下降；反之，使逆变器输出脉宽变宽，使输出电压上升。脉宽变宽，使输出电压上升。5.3.35.3.3有源功率因数校正电路（有源功率因数校正电路（APFCAPFC）若输入电压为正弦波，则输入功率因数定义为若输入电压为正弦波，则输入功率因数定义为：1 111111coscoscosU IIPPFSU II式中：式中：I1为输入电流基波有效值；为输入电流基波有效值；I为输入电流有效值；为输入电流有效值；U1为网侧基波电压有效值；为网侧基波电压有效值；为电流畸变因数；为电流畸变因数；cos1为基波电压和基波电流的位移因数。为基波电压和基波电流的位移因数。可见，功率因数是由电流畸变因数和位移因数决定。
4、可见，功率因数是由电流畸变因数和位移因数决定。工作原理工作原理有两个反馈控制环节：有两个反馈控制环节：一是输入电流环，使一是输入电流环，使DC/DCDC/DC变换器输入电流的波形与桥式整变换器输入电流的波形与桥式整流电压的波形相同，相位相同；流电压的波形相同，相位相同；二是输出电压环，使二是输出电压环，使DC/DC变换器输变换器输出端为一个直流稳压源。出端为一个直流稳压源。5.3.4 5.3.4 不间断电源不间断电源（1）、）、后备式后备式UPS 热后备热后备：处于空载运行，不向负载供电；处于空载运行，不向负载供电；冷后备冷后备：处于停机状态，只有市电故障后在控制电路的指令处于停机状态，只有市
5、电故障后在控制电路的指令 下才投入工作。有一定的停电转换时间，但整体装置的损耗小，下才投入工作。有一定的停电转换时间，但整体装置的损耗小，效率高。效率高。特点：特点：电路简单、成本低、可靠性高、整机效率高；但输出电电路简单、成本低、可靠性高、整机效率高；但输出电压稳定精度差，输出有转换开关。压稳定精度差，输出有转换开关。1 1、UPSUPS的分类的分类（2 2）、在线双变换式）、在线双变换式UPSUPS（也称串联调整式（也称串联调整式UPSUPS）当市电供电正常时，经过整流器和逆变器把市电变换为当市电供电正常时，经过整流器和逆变器把市电变换为 恒压恒频的交流电给负载由供电。恒压恒频的交流电给负
6、载由供电。当市电供电异常时，停止对蓄电池组的充电，由蓄电池当市电供电异常时，停止对蓄电池组的充电，由蓄电池 组供电，经逆变器转化为负载所需的交流电能。组供电，经逆变器转化为负载所需的交流电能。当内部故障或者蓄电池组端电压低于允许值以及进行维当内部故障或者蓄电池组端电压低于允许值以及进行维 护时，由转换开关切换到旁路交流电网给负载供电。护时，由转换开关切换到旁路交流电网给负载供电。（3 3）、在线互动式）、在线互动式UPSUPS（又称并联补偿式（又称并联补偿式UPSUPS）当市电供电正常时，控制电路将当市电供电正常时，控制电路将S0置于闭合，转换开关置于闭合，转换开关S也也闭合为负载供电，在此同
7、时，双向变流器运行于整流状态，闭合为负载供电，在此同时，双向变流器运行于整流状态，从电网中吸取能量储存在蓄电池中。从电网中吸取能量储存在蓄电池中。当市电供电异常，当电压当市电供电异常，当电压偏低或偏高，利用升压绕组偏低或偏高，利用升压绕组或降压绕组对市电经过处理或降压绕组对市电经过处理后给负载供电，同时也为蓄后给负载供电，同时也为蓄电池充电。当电压太高或太电池充电。当电压太高或太低以及供电中断时，控制电低以及供电中断时，控制电路将转换开关断开，切断交路将转换开关断开，切断交流旁路电源与负载的连接，流旁路电源与负载的连接，同时双向变流器由原来的整同时双向变流器由原来的整流状态转化为逆变状态。流状
8、态转化为逆变状态。性能特点：性能特点：效率高，结构简单，成本低、可靠性高；但输出电效率高，结构简单，成本低、可靠性高；但输出电能质量差，市电中断供电时，负载有一定时间的供电中断。能质量差，市电中断供电时，负载有一定时间的供电中断。2 2、不间断电源用整流器、不间断电源用整流器 容量较大的通常采用多桥并联的结构，锁相同步控制。容量较大的通常采用多桥并联的结构，锁相同步控制。3 3、不间断电源用逆变器、不间断电源用逆变器 常采用常采用PWMPWM控制的开关型直交变换器。大型的控制的开关型直交变换器。大型的UPSUPS可采用多个可采用多个逆变器并联输出的电路结构，如图所示。能更好的谐波抑制。逆变器并
9、联输出的电路结构，如图所示。能更好的谐波抑制。UPS供电的多数为非线供电的多数为非线性负载，它们会向性负载，它们会向UPS中中注入谐波电流，致使其输注入谐波电流，致使其输出电压波形产生畸变。因出电压波形产生畸变。因此对输出交流电压波形实此对输出交流电压波形实现瞬时值反馈控制，减小现瞬时值反馈控制，减小谐波畸变。谐波畸变。5.3.5 5.3.5 静止无功补偿装置静止无功补偿装置 在电力系统中电压的稳定性是衡量电能质量的一个重要在电力系统中电压的稳定性是衡量电能质量的一个重要指标。一般要求电压允许变化范围为指标。一般要求电压允许变化范围为5%5%10%10%。保证电压稳定的主要方法之一是对电力系统
10、的无功功率保证电压稳定的主要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。电力电子器件和储能元件构成的静止无功功率补进行控制。电力电子器件和储能元件构成的静止无功功率补偿装置，得到了广泛的应用。其显著的特点是能快速平滑无偿装置，得到了广泛的应用。其显著的特点是能快速平滑无级地调节容性或感性无功功率，实现动态补偿，提高电力系级地调节容性或感性无功功率，实现动态补偿，提高电力系统的动态稳定性。统的动态稳定性。根据工作特点分两大类：根据工作特点分两大类：用晶闸管控制的静止无功功率补偿器，即晶闸管控制电抗器用晶闸管控制的静止无功功率补偿器，即晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器；和晶闸管投切电容器；采用自换相
11、变流器运用采用自换相变流器运用PWM控制技术构成无功发生器也称控制技术构成无功发生器也称为高级静止无功补偿装置。为高级静止无功补偿装置。控制角在控制角在 的范围内，处于的范围内，处于失控状态，不能通过失控状态，不能通过的变化来改变的变化来改变L的大小。此时电感电的大小。此时电感电流有效值流有效值0 90LUIL 当当 ，901、晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)主要起可变电感的作用，实主要起可变电感的作用，实现感性无功功率的快速、平滑调现感性无功功率的快速、平滑调节，基本原理如图。为确保晶闸节，基本原理如图。为确保晶闸管可靠、对称导通，避免偶次谐管可靠、对称导通，避免偶次谐波和直流分量
12、，应采用宽脉冲或波和直流分量，应采用宽脉冲或序列脉冲触发。序列脉冲触发。晶闸管的导通角小于晶闸管的导通角小于180，电感中的电流将受到控制。等效，电感中的电流将受到控制。等效电感为电感为 1effLULI电感电流的基波分量电感电流的基波分量 122sin2LUIL基波无功功率基波无功功率 211LeffUQUIL 通过改变控制角，可控制电感中的电流。在外加电压不变的通过改变控制角，可控制电感中的电流。在外加电压不变的情况下，起到控制电感量的作用，使其吸收的无功功率在零到最情况下，起到控制电感量的作用，使其吸收的无功功率在零到最大值间连续变化。大值间连续变化。为了防止三次及整倍数次谐波对交流电网
13、的影响，通常将为了防止三次及整倍数次谐波对交流电网的影响，通常将TCR作三角形联接。作三角形联接。若需要容性无功功率，在若需要容性无功功率，在TCR两端并联电容器组。两端并联电容器组。2 2、晶闸管投切电抗器、晶闸管投切电抗器(TSC)(TSC)TSC是一种分级可调的动态无功功率补偿装置。是一种分级可调的动态无功功率补偿装置。晶闸管构成无触点开关，可将电容器分组投切到交流电网上。晶闸管构成无触点开关，可将电容器分组投切到交流电网上。小电感用于抑制电容投入电网时可能出现的电流冲击。小电感用于抑制电容投入电网时可能出现的电流冲击。TSC运行时，应选择电源电运行时，应选择电源电压和电容器预先充电电压
14、相等的压和电容器预先充电电压相等的时刻触发晶闸管投入电容。时刻触发晶闸管投入电容。在实际应用中，通常将在实际应用中，通常将TSC、TCR和无源和无源L0C0串联谐振电路共串联谐振电路共同组成无功功率和谐波电流综合补偿器。同组成无功功率和谐波电流综合补偿器。L0C0用以消除电网用以消除电网中的主要谐波电流分量，但对基波呈容性，以补偿负载中的部中的主要谐波电流分量，但对基波呈容性，以补偿负载中的部分感性无功电流。使电网的功率因数接近于分感性无功电流。使电网的功率因数接近于1，同时保证电网，同时保证电网电压的稳定性。电压的稳定性。3、静止无功发生器、静止无功发生器(SVG)利用电力电子技术中的利用电
15、力电子技术中的PWM开关型变流器，以及瞬时无功开关型变流器，以及瞬时无功功率的概念和补偿原理，在储能元件容量很小的条件下（约为功率的概念和补偿原理，在储能元件容量很小的条件下（约为计算补偿容量的计算补偿容量的10%），适当控制变流器交流侧输出电压的相），适当控制变流器交流侧输出电压的相位和幅值，就能产生满足要求的无功电流，实现瞬时无功补偿。位和幅值，就能产生满足要求的无功电流，实现瞬时无功补偿。也称为静止同步补偿器（也称为静止同步补偿器（STATCOM）。）。（1）.SVG补偿原理补偿原理 假设电网电压三相平衡、正弦无谐波，三个连接电感为纯电假设电网电压三相平衡、正弦无谐波，三个连接电感为纯电
16、感，电容器可看作已充电的直流电压源，感，电容器可看作已充电的直流电压源，SVG没有功率损耗。没有功率损耗。使逆变器输出基波电压与电网电压同频同相，由图（使逆变器输出基波电压与电网电压同频同相，由图（b）可得）可得到静止无功发生器和电网之间传输的无功功率。到静止无功发生器和电网之间传输的无功功率。SCSUQUUL 可见，在电网电压保持恒定不变时，控制逆变器输出电压的可见，在电网电压保持恒定不变时，控制逆变器输出电压的大小，既可控制大小，既可控制SVG是发出无功功率，还是吸收无功功率，也是发出无功功率，还是吸收无功功率，也可控制无功功率的大小，如图（可控制无功功率的大小，如图（c）。）。实际工作时
17、适当调节逆变器输出电压实际工作时适当调节逆变器输出电压US 的相位，比的相位，比90略小。略小。这时这时SVG向电网输出无功功率的同时，又从交流电网输入较小向电网输出无功功率的同时，又从交流电网输入较小的有功功率，用于补偿的有功功率，用于补偿SVG的损耗，使直流电压恒定不变。的损耗，使直流电压恒定不变。（2 2）.SVG.SVG的控制的控制 目前用的较多的是瞬时无功功率理论和矢量变换控制技术。目前用的较多的是瞬时无功功率理论和矢量变换控制技术。5.3.6 电力电子技术在光伏发电中的应用电力电子技术在光伏发电中的应用 随着太阳能光伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无随着太阳能光
18、伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。高速发展。1.光伏发电的现状光伏发电的现状 目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在SPWM技术、技术、数字锁相控制技术、数字数字锁相控制技术、数字DSP控制技术、最大功率点跟踪和孤岛
19、检出技术，以及控制技术、最大功率点跟踪和孤岛检出技术，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独综合考虑以上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。其光伏市场占有率快速增长。最近几年，全球的光伏总立运行和并网运行功能。其光伏市场占有率快速增长。最近几年，全球的光伏总装机容量更是以指数的形式攀升。装机容量更是以指数的形式攀升。2.光伏发电基本原理光伏发电基本原理 光伏发电主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子光伏发电主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴空穴对，在对，在 PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光
20、伏效应），从而结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。太阳能电池的基本工作原理是光电效实现太阳能光电转换的目的。太阳能电池的基本工作原理是光电效应。应。光伏发电的主要材料是半导体硅。在半导体上照射光后，由于光伏发电的主要材料是半导体硅。在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和空穴（正电荷），从而使半导体中有电其吸收光能会激发出电子和空穴（正电荷），从而使半导体中有电流流过，这就是所谓的流流过，这就是所谓的“光发电效应光发电效应”或简称或简称“光伏效应光伏效应”。掺有。掺有磷杂质的硅含有多余电子，称为磷杂质的硅含有多余电子，称为N型半导体；掺有硼杂质的
21、硅含有多型半导体；掺有硼杂质的硅含有多余正电荷，称为余正电荷，称为P型半导体。若将两者结合，称为型半导体。若将两者结合，称为PN结，这就是半导结，这就是半导体器件的最基本结构。在体器件的最基本结构。在PN结中，结中，P型半导体的电子受到拉力，型半导体的电子受到拉力，N型型半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成正负抵消的区域，形成阻半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成正负抵消的区域，形成阻挡层。此时，若有光照射，则激发电子自由运动流向挡层。此时，若有光照射，则激发电子自由运动流向N型半导体；正型半导体；正电荷则集结于电荷则集结于P型半导体，从而产生了电位势。型半导体，从而产生了电位势。3.太阳能光
22、伏系统的组成和应用太阳能光伏系统的组成和应用 太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电等变化而变化的不稳定直流电,是难以满足用电负载对电源品质要求的是难以满足用电负载对电源品质要求的“粗电粗电”,为此需要应用电力电子变流技术对其进行直流为此需要应用电力电子变流技术对其进行直流-直流直流(DC-DC)或或直流直流-交流交流(DC-AC)变换变换,以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或电网。电网。独立供电的太阳能光伏系统的结构框图一般如图独立供电的太阳
23、能光伏系统的结构框图一般如图5-3-18（a）所示。）所示。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。系统各部整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。在与负载容分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。在与负载容量配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。量配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能环节，直接由并网逆变器接太阳能电池和电网，如图（环节，直接由并网逆变器接太阳能电池和
24、电网，如图（b）所示。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是，在太阳能所示。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是，在太阳能电池输出较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将太电池输出较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。入电网。4.光伏直流变换电路光伏直流变换电路5.离网型光伏逆变电路离网型光伏逆变电路 离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变器。随着离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变器。随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步全控型电力电子器件和脉宽调制技术
25、的进步,采用桥式主电路、以采用桥式主电路、以标准正弦波作为标准正弦波作为PWM调制波的正弦脉宽调制调制波的正弦脉宽调制(SPWM)技术是目前技术是目前应用最广泛的电压源逆变器控制技术应用最广泛的电压源逆变器控制技术,为了使逆变器输出电压滤波为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化后尽量正弦化,出现了选择性消谐波等优化的出现了选择性消谐波等优化的PWM技术。技术。6.光伏发电中电力电子技术的发展光伏发电中电力电子技术的发展（1）光伏发电中的多电平逆变器）光伏发电中的多电平逆变器 传统的逆变器亦称为二电平逆变器传统的逆变器亦称为二电平逆变器,其在一个开关周期内逆变桥臂其在一个开关周期内逆变桥臂的相电压
26、输出电平仅为二电平。多电平技术源于日本学者的相电压输出电平仅为二电平。多电平技术源于日本学者1981年提出年提出的中点箝位型多电平逆变电路。目前的中点箝位型多电平逆变电路。目前,多电平逆变电路主要有二极管箝多电平逆变电路主要有二极管箝位型、电容箝位型和独立直流源级联型位型、电容箝位型和独立直流源级联型3种拓扑类型。光伏阵列可灵活种拓扑类型。光伏阵列可灵活组合组合,故光伏并网系统易实现故光伏并网系统易实现3电平和级联方式并网以改善并网电流波电平和级联方式并网以改善并网电流波形。为了解决阴影问题和光伏模块之间不匹配问题形。为了解决阴影问题和光伏模块之间不匹配问题,一些学者提出采用一些学者提出采用二
27、极管箝位型多电平逆变器、级联二极管箝位型多电平逆变器、级联H桥型变换器实现独立控制每一个桥型变换器实现独立控制每一个光伏模块光伏模块,使其各自工作在最大功率点使其各自工作在最大功率点,从而提高系统效率从而提高系统效率,减少输出电减少输出电压谐波。压谐波。小小 结结 在电气工程领域应用由电力电子器件构成的变换电路，综合在电气工程领域应用由电力电子器件构成的变换电路，综合了电力电子的四种基本变换，运用了基本的控制方法，即相位了电力电子的四种基本变换，运用了基本的控制方法，即相位控制和控制和PWM控制等。控制等。1.1.在晶闸管在晶闸管直流调速系统中，电流连续和电流断续的机械直流调速系统中，电流连续
28、和电流断续的机械特性截然不同，为保证在最小电流下电流仍能连续，在电动机特性截然不同，为保证在最小电流下电流仍能连续，在电动机回路内串联平波电抗器。回路内串联平波电抗器。2.晶闸管无换向器电机是晶闸管采用负载自然换流的晶闸管无换向器电机是晶闸管采用负载自然换流的典型范例，必须要满足相应的条件。典型范例，必须要满足相应的条件。3.异步电动机的串级调速系统能将转差功率回馈电网，在异步电动机的串级调速系统能将转差功率回馈电网，在风机、泵类负载方面获得广泛的应用。风机、泵类负载方面获得广泛的应用。5.5.开关稳压电源和不间断电源（开关稳压电源和不间断电源（UPSUPS）是电力电子技术又一重要）是电力电子
29、技术又一重要领域。领域。6.6.各种类型的电压、电流补偿器和控制器，改变电网等效负载的各种类型的电压、电流补偿器和控制器，改变电网等效负载的感抗、容抗和电压、电流，灵活控制电力系统的有功功率和无功感抗、容抗和电压、电流，灵活控制电力系统的有功功率和无功功率，提高运行的经济性、稳定性和可靠性，减小功率损耗，提功率，提高运行的经济性、稳定性和可靠性，减小功率损耗，提高设备的利用率，抑制谐波对电网的污染和危害。高设备的利用率，抑制谐波对电网的污染和危害。4.异步电动机的变频调速系统是典型的异步电动机的变频调速系统是典型的AC/DC、DC/AC变换的变换的组合，是具有高动态性能的调速系统。控制方式有恒压频比控组合，是具有高动态性能的调速系统。控制方式有恒压频比控制和矢量控制。制和矢量控制。
