光伏发电基本原理.pdf

光伏发电基本原理山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院王王 辉辉2017.08.032017.08.03内内容容1.新能源发电技术概述2.光伏发电系统3.光伏发电系统控制技术4.其他关键技术山大电气-WH一、能源的定义和分类一、能源的定义和分类按照开发和使用程度可分为：常规能源（媒、石油、水利等）、新能源（太阳能、风能、海洋能等）按照是否可反复使用可分为：不可再生能源（化学能源、核能）、可再生能源（太阳能、水能、风能、地热能、海浪能等）石油40年；天然气60年；煤 200年（低碳生活）按照是否经过加工或转换，可分为一次能源、二次能源。山大电气-WH二、相关二、相关新能源发电技术新能源发电技术太阳能发电风力发电生物质能发电海洋能利用与发电燃料电池、地热能、空气能、核能等储能技术储能技术（蓄电池、抽水蓄能、飞轮储能、氢能等）山大电气-WH三、相关概念三、相关概念分布式发电微电网智能电网能源互联网山大电气-WH分布式发电分布式发电分布式发电是一种建立在用户端的能源供应方式。既可独立运行，也可并网运行，而不论规模大小、使用什么燃料或应用技术。具有高效、节能、环保等特点具有高效、节能、环保等特点分布式发电技术包含小型燃气发电机组、太阳能光伏发电、小型风力发电、生物质能发电、燃料电池发电等。山大电气-WH1243微型电网微型电网电能电能热能热能微电网概念微电网概念微型电源微型电源储能装置储能装置微电网微电网控制单元控制单元负荷负荷山大电气-WH智能电网智能电网-配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技电力电子技术、储能技术的合成；术的合成；网络实时重构，故障快速检测、定位和隔离；网络实时重构，故障快速检测、定位和隔离；-利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，控，设备状态和用户负荷监测，设备状态和用户负荷监测，对整个电力系统运行的优化管理；对整个电力系统运行的优化管理；-建立具有远程监控和自动化操作新型变电站的升级系统；建立具有远程监控和自动化操作新型变电站的升级系统；-将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理；能源管理；-智能电表作为互联网路由器，进行通信智能电表作为互联网路由器，进行通信、宽带业务或传播电视信号；宽带业务或传播电视信号；-移动作业和自动计量管理移动作业和自动计量管理、分时电价计算等。分时电价计算等。山大电气-WH内内容容1.新能源发电技术概述2.光伏发电系统4.其他关键技术3.光伏发电系统控制技术山大电气-WH一、太阳能热利用太阳能的特点太阳能的特点优点：清洁、可再生、分布广、获取容易缺点：能流密度低、能量不稳定、不连续太阳能热利用太阳能热利用将太阳辐射直接转换成热能供人类利用。基本原理是利用集热装置将太阳辐射收集起来，再通过与介质的相互作用转换成热能而加以直接或间接的利用。山大电气-WH山大电气-WH美国加州建造的一个槽式抛物面聚焦系统照片山大电气-WH槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统工作原理图山大电气-WH太阳能热发电太阳能热发电塔式塔式山大电气-WH太阳能热发电太阳能热发电塔式塔式山大电气-WH太阳能热发电太阳能热发电塔式塔式山大电气-WH1)太阳光子打到半导体表面，能量大于禁带宽度的，打出电子空穴对。2)由于P-N结具有由N指向P的内建电场，电子和空穴电子和空穴分别向相反方向移动，在两侧电极积累。二、光伏电池工作原理二、光伏电池工作原理山大电气-WH1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）在湿电池实验中发现光伏效应光伏效应。但效率不足1%。1953年，美国贝尔实验室的皮尔逊(G.Pearson)、查平(D.Chapin)、富勒(C.Fuller)利用掺杂半导体硅晶片，得到比以前高得多的光电转换效率光电转换效率。1958年，美国第二颗卫星“先锋1号”首次采用太阳电池，为蓄电池充电，在太空连续工作8年。1977年，前苏联首次将GaAs太阳电池用在人造卫星上。我国1958年开始研制太阳电池，于1971年将封装有20多块单晶硅太阳电池的组合板用在我国第二颗人造卫星上。硅太阳电池的三位发明人、美国贝尔实验室的皮尔逊、查平和富勒（Pearson,Chapin,Fuller）在测量早期太阳电池的光响应。二、光伏电池工作原理二、光伏电池工作原理山大电气-WH三、光三、光伏电池的分类伏电池的分类1.1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池2.2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池3.3.非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池在能量转换效率和使用在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和寿命等综合性能方面，单晶硅和 多晶硅多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。山大电气-WH外观：四角为直角四角为直角灰灰白白杂色，有杂质杂色，有杂质四角为截角或圆形四角为截角或圆形蓝灰色，质地单一蓝灰色，质地单一三、光三、光伏电池的分类伏电池的分类山大电气-WH单晶硅电池单晶硅电池多晶硅电池多晶硅电池三、光三、光伏电池的分类伏电池的分类山大电气-WH晶体硅提炼（冶炼）硅片制备（铸造）化学处理表面织构化扩散制P-N结沉积减反射膜和钝化膜电极印刷及烧结电池封装。山大电气-WH两种电池的性能比较根据不同需要根据不同需要掺入各种杂质掺入各种杂质晶粒生长晶粒生长呈不规则性呈不规则性99.99999.999以上的以上的单晶硅棒单晶硅棒晶粒生长晶粒生长各向同性各向同性1616左右左右2020左右左右普通场所普通场所大型光伏电站大型光伏电站主流电池主流电池精密电子仪器精密电子仪器半导体元器件半导体元器件重要场所的重要场所的光伏电池原料光伏电池原料成分成分工艺及成本工艺及成本光电转化效率光电转化效率应用范围应用范围多晶硅电池多晶硅电池单晶硅电池单晶硅电池生产工艺纯熟生产工艺纯熟成本低成本低电耗相对小电耗相对小需要高度提纯需要高度提纯严苛的晶粒严苛的晶粒生长环境生长环境生产成本高生产成本高电耗大电耗大山大电气-WH光伏电池封装胶膜（光伏电池封装胶膜（EVA）一种热固性有粘性的胶膜，用来粘结固定钢化玻璃）一种热固性有粘性的胶膜，用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）和发电主体（如电池片）背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化）等材质必须耐老化）汇流条和互连条的作用是一样的，都是收集电荷用，互联条是将单个电池片汇流条和互连条的作用是一样的，都是收集电荷用，互联条是将单个电池片上的电荷进行收集并起到将电池片进行串联的目的，汇流条是将每一串的电上的电荷进行收集并起到将电池片进行串联的目的，汇流条是将每一串的电流进行连接的，汇集一起进行输出。汇流条和互联条都是涂锡铜带。流进行连接的，汇集一起进行输出。汇流条和互联条都是涂锡铜带。山大电气-WH几个概念几个概念单体：单体：由由1 1片硅晶片构成的太阳能电池片硅晶片构成的太阳能电池光伏组件（模块）：光伏组件（模块）：多个太阳能电池单体构成多个太阳能电池单体构成光伏阵列：光伏阵列：多个光伏组件构成多个光伏组件构成热斑效应：热斑效应：为了达到较高转换效率，光伏组件中的单体电池须具有相似的特性。在实际使用过程中，可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局可能出现电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏等情况部被遮光或弄脏等情况，导致一个或一组电池的特性与整体不谐调。失谐电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其他电池产生能量，导致局部过热。这种现象称为热斑效应热斑效应。山大电气-WH四、热斑效应四、热斑效应热斑效应的破坏力热斑效应的破坏力:有光照的组件所产生的部分能量或全部能量都可能被遮蔽的电池所消耗。热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料(如无旁路二极管保护)，甚至会使整个方阵失效。组件热斑产生的原因组件热斑产生的原因:个别坏电池的混入、电极焊片虚焊电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受到阴影遮挡等。山大电气-WH四、热斑效应四、热斑效应解决热斑效应的方法解决热斑效应的方法:在组件上加装旁路二极管在组件上加装旁路二极管旁路二极管的工作原理:一般来说,一个由36个单体光伏电池串联的商用光伏组件中,每18个单体光伏电池会并联上一个旁路二极管山大电气-WH五、光伏发电系统原理五、光伏发电系统原理光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式电能的直接发电形式。光伏发电系统主要由光伏发电系统主要由光伏阵列光伏阵列、控制器控制器、储能储能、电力电电力电子变换器子变换器、负载负载等环节组成等环节组成，将太阳能转换为可利用的电将太阳能转换为可利用的电能能。独立光伏发电系统独立光伏发电系统并网光伏发电系统并网光伏发电系统山大电气-WH独立光伏发电系统组成独立光伏发电系统组成五五、光伏发电系统原理光伏发电系统原理山大电气-WH太阳能电池阵列蓄电池DC/DC变换器驱动电路PWM控制器电抗器电网变压器DC/DC斩波器DC/AC逆变器典型并网光伏发电系统典型并网光伏发电系统五、光伏发电系统原理五、光伏发电系统原理山大电气-WH山大电气-WH山大电气-WH（1 1）光伏阵列）光伏阵列光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。1 1个光伏电池额定输出电压大个光伏电池额定输出电压大约为约为0.45V0.45V.（2 2）储能）储能蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。（3 3）负载）负载终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能量。能量。直流负载，交流负载直流负载，交流负载五、光伏发电系统原理五、光伏发电系统原理山大电气-WH（4 4）电力电子变换器）电力电子变换器电力电子变换器实现电力电子变换器实现DCDC-ACAC或或DCDC-DCDC电能变换电能变换，完成升压完成升压，对蓄电对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，按照负载电源的需求进行按照负载电源的需求进行逆变逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。是光伏发电系统的关键部分是光伏发电系统的关键部分。直流变换器（直流变换器（DC-DC）:将直流电变换为不同电压等级的直流电将直流电变换为不同电压等级的直流电逆变器逆变器将直流电逆变成交流源将直流电逆变成交流源变变换换器器五、光伏发电系统原理五、光伏发电系统原理山大电气-WHQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQ ONttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUi Uo-Ui0Iin00TonToffTsBoost Boost 升压升压DCDC-DCDC变换器变换器UiLbQCfRLdUo+_D山大电气-WHQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQ OFFttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUi Uo-Ui0Iin00TonToffTs11oiUUDBoost Boost 升压升压DCDC-DCDC变换器变换器UiLbQCfRLdUo+_D山大电气-WH山大电气-WH绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IGBT的结构的结构是三端器件，具有是三端器件，具有栅极栅极G、集电极集电极C和和发射极发射极E。简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT是用是用GTR与与MOSFET组成的组成的达达林顿林顿结构，相当于一个由结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶晶体管。体管。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号RN为晶体管基区内的调制电阻。E山大电气-WHIGBT的工作原理的工作原理IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOSFET基基本相同，是一种本相同，是一种场控场控器件。器件。E绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的输出特性的输出特性山大电气-WH德国:英飞凌，德西门康日本:富士，三菱常用电力电子器件生产厂商IGBT器件厂家Fuji 富士（日本）San Rex 三社（美国）Eupee 优派克（德国）West Code 西玛（英国）Hitachi 日立（日本）IR(美国）IXYS 艾赛斯（德国）Concept(瑞士)Sanken 三肯（日本）Semikron 西门康（德国）Fairchild 仙童（美国）Mitsubishi 三菱（日本）Infineon 英飞凌（德国）ABB山大电气-WH单相半桥逆变器单相半桥逆变器单相全桥逆变器单相全桥逆变器三相桥式逆变器三相桥式逆变器DCDC-AC AC 逆变器逆变器 非隔离型光伏并网逆变器结构 隔离型光伏并网逆变器结构工频隔离型高频隔离型山大电气-WH（a）非隔离型）非隔离型山大电气-WH（b）隔离型（工频）隔离型（工频）山大电气-WH（b）隔离型（高频）隔离型（高频）山大电气-WH举例：举例：双双极性极性PWM控制方式控制方式V1、V4和和V2、V3两组相互导通两组相互导通。uruc，给，给V1、V4导通信号，导通信号，如如io0，则，则V1和和V4通，如通，如io0，则，则VD1和和VD4通，不管哪种通，不管哪种情况都是情况都是uo=Uduruc，给，给V2、V3导通信号，导通信号，如如io0，则，则VD2和和VD3通，不管哪通，不管哪种情况都是种情况都是uo=-Ud双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单相单相SPWMSPWM逆变电路逆变电路山大电气-WH三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形采用双极性控制方式采用双极性控制方式电路工作过程（电路工作过程（U相为例）相为例）当当urUuc时，上桥臂时，上桥臂V1导通，下桥臂导通，下桥臂V4关断，则关断，则U相相对相相对于直流电源假想中点于直流电源假想中点N的输出电压的输出电压uUN=Ud/2。当当urUp0 0，继续增加参考电压继续增加参考电压；反之则减小参考电压反之则减小参考电压。优点优点：易实现模块化控制，跟踪方法简单，在系统中容易实现。：易实现模块化控制，跟踪方法简单，在系统中容易实现。缺点缺点：输出电压只能在最大功率点附近振荡运行，而导致部分功率损失，初：输出电压只能在最大功率点附近振荡运行，而导致部分功率损失，初始值及稳跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。始值及稳跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。Vr=Vr-V常用最大功率点跟踪算法：常用最大功率点跟踪算法：山大电气-WH增量电导法增量电导法(Incremental Conductance)Incremental Conductance)Modification on HillModification on Hill-Climb/P&O Method,Climb/P&O Method,potentially avoids oscillation around potentially avoids oscillation around MPPMPP优点：控制精度高，相应速度较快，适用于大气条件优点：控制精度高，相应速度较快，适用于大气条件变化较快的场合。变化较快的场合。缺点：由于整个系统的各个部分相应速度都比较快，缺点：由于整个系统的各个部分相应速度都比较快，故其对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比故其对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，导致整个系统的硬件造价比较高。较高，导致整个系统的硬件造价比较高。Slope is ZERO!常用最大功率点跟踪算法：常用最大功率点跟踪算法：山大电气-WH VIdVdIVIdVdIVVIdVdIdVdPVIdVdIVdVdPVIP0111*常用的最大功率点跟踪算法常用的最大功率点跟踪算法山大电气-WH+VoMPPT ControlPWMvPViPVBatterystate of chargedetectionHi(s)+IoIrefEx:MPPT for a BOOST Converter Battery Charger山大电气-WH单级式光伏并网单级式光伏并网电路结构简单，不仅可以降低系统成本，还具有能量转换效率较高的优点。逆变器的控制系统要同时实现最大功率点跟踪和逆变器并网控制两个目的。二、光伏并网系统控制技术二、光伏并网系统控制技术山大电气-WH单级式光伏并网单级式光伏并网二、光伏并网系统控制技术二、光伏并网系统控制技术PIPIMPPTUdcIPVUdcUdcref电流内环电流内环PI山大电气-WH两级式光伏并网两级式光伏并网双极式光伏并网系统是指光伏阵列首先经过DC/DC斩波器进行电压幅值变换，然后通过逆变器将直流电变换成交流电实现并网。二、光伏并网系统控制技术二、光伏并网系统控制技术山大电气-WH二、光二、光伏伏并网系统控制技术并网系统控制技术PV阵列蓄电池滤波器过零比较电压电流检测DC/AC逆变电路Boost升压电路SPWM控制驱动电路DSP控制器TMS320F28335MPPT控制驱动电路单相电网输出电压检测光伏并网系统光伏并网系统山大电气-WH三三.微型光伏并网逆变器微型光伏并网逆变器山大电气-WH三三.微型光伏并网逆变器微型光伏并网逆变器山大电气-WH三三.微型光伏并网逆变器微型光伏并网逆变器山大电气-WH山大电气-WH山大电气-WHSunny Tower Sunny Central SC350/350HE山大电气-WH内内容容1.新能源发电技术概述2.光伏发电系统4.其他关键技术3.光伏发电系统控制技术山大电气-WH其它关键技术其它关键技术孤岛检测孤岛检测锁相技术锁相技术低电压穿越低电压穿越无功补偿无功补偿山大电气-WH 当一部分配电系统从电力系统中隔离开来当一部分配电系统从电力系统中隔离开来，但仍继续由分布但仍继续由分布式发电设备供电时式发电设备供电时，则形成了则形成了孤岛孤岛。孤岛是一个没有调节控制的电力系统孤岛是一个没有调节控制的电力系统，由于发电和供电之间由于发电和供电之间的不平衡且孤岛电网中可能没有电压的不平衡且孤岛电网中可能没有电压、频率控制频率控制，其特性是其特性是不可预知的不可预知的具有分布式发电设备的配电网具有分布式发电设备的配电网孤岛的形成孤岛的形成山大电气-WH 由于电力系统不再控制孤岛系统中的电压和频率由于电力系统不再控制孤岛系统中的电压和频率，如果孤岛系统中如果孤岛系统中的分布式发电机不能提供电压和频率调节的分布式发电机不能提供电压和频率调节，没有限制电压和频率偏没有限制电压和频率偏移的继电保护移的继电保护，则用户得到的电压和频率将波动很大则用户得到的电压和频率将波动很大，将可能将可能引起引起用户设备的损坏用户设备的损坏。当一条线路本应该没有电而由孤岛中的分布式发电机供电时当一条线路本应该没有电而由孤岛中的分布式发电机供电时，将使将使线路维修的工作人员或其他人员线路维修的工作人员或其他人员有触电的危险有触电的危险。当孤岛系统重新与电力系统并列运行时当孤岛系统重新与电力系统并列运行时，有有可能损坏孤岛系统中的可能损坏孤岛系统中的分布式发电设备分布式发电设备，这是因为并列时分布式发电机可能与系统不同步这是因为并列时分布式发电机可能与系统不同步，并列时的电压相位差将对发电机产生非常大的冲击电流并列时的电压相位差将对发电机产生非常大的冲击电流，另外也另外也可能导致系统的重新解列可能导致系统的重新解列。孤岛可能干扰邻近用户正常服务的手动或自动恢复孤岛可能干扰邻近用户正常服务的手动或自动恢复。孤岛的影响孤岛的影响 反孤岛的能力反孤岛的能力是指分布式发电设备探测其是否处于孤岛运行状态是指分布式发电设备探测其是否处于孤岛运行状态并及时地从孤岛系统中断开连接的能力并及时地从孤岛系统中断开连接的能力。山大电气-WH目前电力系统对孤岛的处理是目前电力系统对孤岛的处理是立即停止所有立即停止所有分布式发电机的运行分布式发电机的运行，使得整个线路都处于使得整个线路都处于无电状态无电状态，防止可能对设备造成的损害防止可能对设备造成的损害，消消除潜在的安全隐患除潜在的安全隐患。为实现此要求为实现此要求,每个分布式发电设备必须能每个分布式发电设备必须能检测到孤岛并能自动与系统解列检测到孤岛并能自动与系统解列。孤岛处理方法孤岛处理方法山大电气-WH当孤岛形成后当孤岛形成后，应能立即检测出来应能立即检测出来，要成功地要成功地探测到孤岛探测到孤岛，基本要求为：基本要求为：孤岛检测方案应能对任何可能的孤岛都有效孤岛检测方案应能对任何可能的孤岛都有效。孤岛的检测孤岛的检测应在允许的时间内完成应在允许的时间内完成。主要是主要是为了为了使分布式发电机重合闸时使分布式发电机重合闸时,防止其与系统电压相位防止其与系统电压相位相差太大相差太大,重合闸装置的典型的延迟时间为重合闸装置的典型的延迟时间为0 0.5 5 1 1s s,理想情况下理想情况下,反孤岛方案必须在重合闸装置进行重反孤岛方案必须在重合闸装置进行重合之前将分布式发电机解列开合之前将分布式发电机解列开.孤岛检测的基本要求孤岛检测的基本要求山大电气-WH孤岛检测方法远程检测本地检测传输断路器跳闸信号电力线路载波通信基于SCADA的孤岛检测同步发电机逆变器无源有源无源有源频率继电器频率变化率继电器相位突变继电器功率变化阻抗测量电压变化过/欠电压高/低频率电压相位突变电压谐波阻抗测量特定频率阻抗测量转差频率偏移有源频率偏移沙迪亚频率漂移沙迪亚电压漂移频率跳变 本地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号本地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号，如果检测到的信号超过一定阈值如果检测到的信号超过一定阈值，则可检测孤岛运行状态则可检测孤岛运行状态。孤岛检测方法孤岛检测方法山大电气-WH其它关键技术其它关键技术孤岛检测孤岛检测锁相技术锁相技术低电压穿越低电压穿越无功补偿无功补偿山大电气-WH并网逆变器输出与电网同步的要求并网逆变器输出与电网同步的要求-锁相锁相ui低通滤波器压控振荡器N分频 鉴相器uo锁相就是自动相位控制，完成这一任务的负反馈环称为锁相就是自动相位控制，完成这一任务的负反馈环称为锁相环锁相环。锁相环（。锁相环（PhasePhase-Locked Loop Locked Loop，PLLPLL）是一个）是一个闭环的相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之闭环的相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同步的目的。的相位，以达到与参考信号同步的目的。锁相技术锁相技术山大电气-WH锁相技术锁相技术锁相环锁相环由模拟比较器由模拟比较器COMP、鉴相器、鉴相器PD、低通滤波器、低通滤波器LF、压控振荡器、压控振荡器VCO和分频器和分频器DIVIDER组成组成鉴相器：用来鉴别鉴相器：用来鉴别输入信号输入信号与与输出信号输出信号之间的之间的相位差相位差，并输出误差，并输出误差电压电压Ud。Ud中的中的噪声噪声和和干扰干扰成分被低通性质的环路成分被低通性质的环路滤波器滤波器滤除，形成压控振荡器（滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率频率f拉向环路输入信号频率，拉向环路输入信号频率，当二者相等时，环路被锁定当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。，称为入锁。应用芯片：应用芯片：CD4046山大电气-WH其它关键技术其它关键技术孤岛检测孤岛检测锁相技术锁相技术低电压穿越低电压穿越无功补偿无功补偿山大电气-WH低电压穿越简介(LVRT)1、定义、定义：小型发电系统在确定的时间内承受一定限值的电网低电压而不退出运行的能力。2、问题的提出、问题的提出：对于变频恒速双馈风力发电机，在电网电压跌落的情况下，容易在其转子侧产生峰值涌流，损坏变流设备，导致风力发电机组与电网解列。在以前风力发电机容量较小的时候，为了保护转子在以前风力发电机容量较小的时候，为了保护转子侧的励磁装置，就采取与电网解列的方式，但目前风侧的励磁装置，就采取与电网解列的方式，但目前风力发电的容量都很大，与电网解列后会影响整个电网力发电的容量都很大，与电网解列后会影响整个电网的稳定性，甚至会产生连锁故障。于是，根据这种情的稳定性，甚至会产生连锁故障。于是，根据这种情况，提出了风力发电低电压穿越的问题。况，提出了风力发电低电压穿越的问题。山大电气-WH低电压穿越简介3、实例分析、实例分析：假设电网运行商对风电场/风力机组的LVRT要求如图：蓝色粗曲线下方蓝色粗曲线下方:风机允许解列蓝粗曲线以上蓝粗曲线以上:风机应保持并网，等待电网恢复。阴影区域阴影区域:要求风机向电网提供无功功率支撑，帮助电网恢复。在图中可以看到，当电压跌落到15%45%时，要求风机一直提供无功支持，并应能保持并网至少625ms。而在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至额定电压风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至额定电压20%时能够保证不脱网连续运行时能够保证不脱网连续运行625ms的能力。的能力。-光伏光伏1s风电场并网点电压在发生跌落后风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。光伏光伏3s电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清楚后应快速恢复，以至少电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清楚后应快速恢复，以至少10%额定功率额定功率/秒的功率变化率恢复秒的功率变化率恢复至故障前的值。至故障前的值。山大电气-WH低电压穿越简介4、电压降落对不同风机的影响：、电压降落对不同风机的影响：三种主要的风机拓扑：三种主要的风机拓扑：定速异步风机定速异步风机（FSIG）;同步直驱风机同步直驱风机（PMSG）;双馈感应异步风机双馈感应异步风机（DFIG）FSIG&和DFIG:定子侧直接连接电网直接耦合电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上电网电压瞬间跌落定子磁链不能跟随定子端电压突变转子继续旋转产生较大的滑差转子绕组的过电压和过电流转子绕组的过电压和过电流。如果对电压跌落不采取控制措施限制故障电流，较高的暂态转子电流会对脆弱的电力电子器件构成威胁；而控制转子电流会使变流器电压升高，过高的电压一样会损坏变流器；因此DFIG的低电压穿越 实现较为复杂。山大电气-WH低电压穿越简介PMSG，定子经，定子经AC/DC/AC变流器与电网相变流器与电网相接，发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的接，发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落瞬间降落输出功率的减小输出功率的减小发电机的输发电机的输出功率瞬时不变出功率瞬时不变功率不匹配功率不匹配直流母线直流母线电压上升电压上升威胁到电力电子器件安全威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定直流母线电压，必然会如采取控制措施稳定直流母线电压，必然会导致输出到电网的电流增大，过大的电流同样会导致输出到电网的电流增大，过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围波动时，电机侧变流器一般都能保持可控性范围波动时，电机侧变流器一般都能保持可控性，在电网电压跌落期间，电机仍可以保持很好的，在电网电压跌落期间，电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱风机的低电压穿越实现电磁控制。所以同步直驱风机的低电压穿越实现相对双馈感应异步风机而言较为容易。相对双馈感应异步风机而言较为容易。综上所诉，我们可以看出双馈感应异步风机的低电压穿越最难实现并且是综上所诉，我们可以看出双馈感应异步风机的低电压穿越最难实现并且是国内外目前使用的主要机型。国内外目前使用的主要机型。山大电气-WH低电压穿越技术的种类1、转子短路保护技术、转子短路保护技术在发电机转子侧装有crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路保护装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用以此来维持发电机不脱网运行山大电气-WH低电压穿越的种类引入新型拓扑结构2、新型拓扑结构：、新型拓扑结构：（1）利用数值仿真的方法对电网三相电网三相对称故障时发电机不脱网运行的励磁控对称故障时发电机不脱网运行的励磁控制进行研究制进行研究。（2）利用硬性负反馈的方式补偿发电硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链变化对有功、无功解机定子电压和磁链变化对有功、无功解耦控制性能的影响耦控制性能的影响（3）通过协调转子和电网侧变流器的协调转子和电网侧变流器的控制控制提高电网故障时发电机不脱网运行的控制效果。3、采用新的励磁控制策略采用新的励磁控制策略：山大电气-WHzzzzzzzzz3种技术的对比优：其结构简单，容易实现；是目前采用得较多的方法，缺：需要增加新的保护装置从而增加了系统成本；虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化；旁路的投切操作会对系统产生暂态冲击。转子保护技术优：采用新型旁路可实现减小对IGBT耐压、耐流的要求；减少双馈感应发电机的脱网运行时间；减小系统受电网扰动的影响，强化电网。缺：需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量，需要可控硅器件能通过门极关断，这要求很大的门极负驱动电流，驱动电路太复杂。新型拓扑结构优：无须添加新的装置，制造成本低，在不改变系统的硬件设备的条件下，即可进行多次反复的研究测试，十分方便。缺：考虑不全面就会导致在某些条件下低电压穿越达不到预期效果。无法大规模投入使用。合理的励磁控制策略山大电气-WH其它关键技术其它关键技术孤岛检测孤岛检测锁相技术锁相技术低电压穿越低电压穿越无功补偿无功补偿山大电气-WH并联型控制器可以是可变阻抗，并联型控制器可以是可变阻抗，可控电流源，或者是它们的组合。可控电流源，或者是它们的组合。并联型控制器在并联连接点处给系统注入一个电流。只并联型控制器在并联连接点处给系统注入一个电流。只要该注入电流与母线电压之间的相角差为要该注入电流与母线电压之间的相角差为9090，则并联，则并联控制器只能提供或吸收可变无功功率，任何其它的相位控制器只能提供或吸收可变无功功率，任何其它的相位关系均涉及有功功率的交换关系均涉及有功功率的交换。并联型控制器并联型控制器无功补偿无功补偿山大电气-WH静止无功补偿器静止无功补偿器(Static Var Compensator,SVC)和静止同步补偿器和静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)都是静止无功都是静止无功发生器发生器(Static var generator/absorber SVG)，它们的输出变化是为了维持和它们的输出变化是为了维持和控制电力系统的特定参数控制电力系统的特定参数。TCRTCR（thyristorthyristor controlledcontrolled reactor)reactor)晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器TSR(TSR(thyristorthyristor switched reactor),switched reactor),晶闸管投切电抗器晶闸管投切电抗器TSCTSC（thyristorthyristor switched capacitor)switched capacitor)，晶闸管投切电容器，晶闸管投切电容器无功补偿无功补偿山大电气-WHTCR的的 基本原理基本原理TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构成，控制元件为晶闸管。阀的触发延迟角为：改变，即可改变电抗器的等效电抗（或等效电纳），从而改变TCR吸收的无功功率。TCRTCR的基本原理的基本原理a)a)单相电路结构简图单相电路结构简图b)b)三相三相/2,等效电抗：122sin2sinseffLULLXIww(0,)uaiaubucnbacuLiLaLbLcL()a()b无功补偿无功补偿山大电气-WHTSC 基本原理基本原理TSC支路由电容器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构成，控制元件为晶闸管。其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。分组投切：TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。SVC（TSC+TCR）向系统注入的无功功率：2sin()SVCCLsQQQCULwwTSCTSC的基本原理的基本原理a)a)单相结构简图单相结构简图b)b)分组投切的分组投切的TSCTSCIU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)无功补偿无功补偿山大电气-WH静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)(SVC)无功补偿无功补偿山大电气-WHSVG的基本结构的基本结构所谓所谓静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）是指采用自换相）是指采用自换相桥式桥式变流器来进行动态无变流器来进行动态无功补偿的装置。其拓朴结构如下：功补偿的装置。其拓朴结构如下：用于减小用于减小交流侧谐交流侧谐波电流波电流用于吸收用于吸收换相过电换相过电压压用于提供用于提供直流电压直流电压用于提供用于提供直流电流直流电流无功补偿无功补偿山大电气-WH山大电气-WHASVG的的工作原理工作原理ba1T4T1D4DC2CAL3T3D5T5D6T6D2TDcdUCLBL交流系统ASVG开关型逆变器系统电压逆变器输出的基波电压iUSUjXjLwIISUiUjX IISUiUjX I电流超前电流滞后(a)ASVG电路的基本结构(b)单相等效电路(c)相量图无功补偿无功补偿山大电气-WH山大电气-WH