《电力电子技术》课件项目五任务三 电力电子装置在新能源技术中的应用.pptx
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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
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