2017电力电子总结

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2、掌握光伏并网系统的基本结构，基本原理和优缺点 ○

1 .集中型系统: 原理：所有的光伏组件通过先串后并联构成 光伏阵列，各串联组件产生直流电汇总后， 再通过一个并网逆变器集中将直流电转化为 交流电，最后升压，并网。（逆变器的功率 都相对较大） 优点：1）一台变流器，结构简单，逆变器 效率高；2）更低的初始投资；3）系统简单

、运维经济；4）适用于大规模荒漠电站。 缺点：1）抗热斑和抗阴影能力差；2）单 一 MPPT 无法使系统运行于 MPP ；3）阻塞 和旁路二极管使系统损耗增加；4）系统扩 展和冗余能力差。5）集中逆变，占地面积大。 ○

2 .组串式系统: 原理：光伏组件通过串联构成光伏阵列，各 串联光伏组件产生的直流电通过各并网逆变 器将直流电转化为交流电，再汇总，最后升 压，并网。（逆变器的功率都相对较小） 优点：1）无阻塞二极管；2）抗热斑和抗阴 影能力增加；2）多串 MPP 设计，运行效率 高；3）系统扩展和冗余能力强。 缺点：1）仍有热斑和阴影问题；2）逆变器 数量多，扩展成本增加，总故障率会升高，系 统监控难度大；3）逆变效率降低。 ○

3 .集散式系统： 原理：其主要特点是“集中逆变”和“分 散 MPPT 跟踪”。集散式逆变器是聚集了集 中式逆变器和组串式逆变器两种逆变器优 点的产物，达到了“集中式逆变器的低成 本，组串式逆变器的高发电量”。 优点：1）无阻塞二极管；2）抗热斑和抗阴 影能力增加；3）分散式 M PPT 跟踪减少了失

配，提升了发电量，逆变效率高；4）系统扩 展和冗余能力强；5）单一逆变器设计，扩展 成本降低。 缺点：1）仍有热斑和阴影问题；2)逆变器 无冗余;3)工程经验少，较前两类而言，属于 新形式；4）集中逆变占地面积比较大。

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4 .微逆型系统 原理：微型逆变器的 PV 系统中，每一块电 池板分别接入一台微型逆变器，当电池板中 有一块不能良好工作，则只有这一块都会受 到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运 行，使得系统总体效率更高，发电量更大。 优点：1）组件级 MPPT ，无失配；2）无集中 并网逆变器；3）组件故障可关断；4）适用于 户用光伏建筑。 缺点：1）逆变器效率损失；2）多个逆变器， 硬件成本增加；3）安装麻烦。 补充：

优点：（1）简化了主回路结构和控制策略，成本低；（2）兼具双馈控制和 RCC 控制的优点。 缺点：（1）转速范围缩小；（2）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。 全变速系统

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1 .变速笼型异步风力发电机 系统 系统特点：1）笼型异步风力发 电机运行于变速变频发电状态； 2）运行于小转差率范围，发电 机机械特性硬，运行效率高；3） 发电机机端电压可调，轻载运行 效率高；4）发电机与电网被可 控的变流器隔离，系统对电网波 动的适应性好；5）变流器与发 电机功率容量相等，系统成本

高。

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2 .电励磁直驱同步风力发电机系统 系统特点：1）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；2）定子绕组输出电压的频 率随转速变化；3）可采用不控整流和 PWM 逆变，成本较低；4）转子可采用无刷旋转励磁；5） 转子结构复杂，励磁消耗电功率；6）体积大、重量重，效率稍低。 ○

3 .永磁驱动同步发电机系统 系统特点：1）永磁发电机具有最高的运行效率；2）永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动 势随转速和负载变化。采用可控 P WM 整流或不控整流后接 D C/DC 变换，可维持直流母线电压基本 恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；3）在电网侧采用 PWM 逆变器输出恒定频率 和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；4）永磁发电机和全容量全控变流器成本高；5） 永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。 ○

4 .混合励磁直驱同步风力发电机系统 系统特点：1）利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；2）采用部分功率容量的 SVG 逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压；3）无需全功率容量的脉冲整流 或 DC-DC 变换器，可明显节省变流器的容量；4）SVG 逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发 电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。 ○

5 .横向磁通永磁同步风力发电机系统 新结构发电机与电力电子变流器的结合，有望大幅度减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重 量！ 3.2 各种类型发电机的对比

（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演 重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未 来数年内继续成为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速， 利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。 3.3 目前风电机组类型及特点：

1.低速型：全功率（发电机体积最大！）

2.中速型：全功率（发电机体积中等！）

3.高速型：双馈、 全功率（发电机体积最小！）

4.永磁发电机与齿轮箱的集成——紧凑、高效 3.4 风电变流器

○1 .双馈电压型风机变流器拓扑 优点： 缺点：

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2 .全功率电流型风机变流器拓扑: 优点：1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）； 2）由于阀侧电压近似正弦，无需du/dt 滤波器；3）良好的短路保护能力和LVRT 特性 缺点：1）功率器件及供货问题；3）储能电感体积大、增加了损耗；2）系统的动态响应和振荡 问题 ○

3 .电流型+电压型的风机变流器: 优点： 1）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损 耗 2）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波 3）较快的动态影响和稳定性 ○

5 .交流模块型:原理：把并网逆变器和光伏组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块，集中将 能量输入到电网中。

优点：无阻塞和旁路二极管；无热斑和阴影问题；独立 MPP 设计，运行效率高；系统扩展和冗余 能力强；适用于光伏建筑一体化系统。

缺点：小容量逆变器设计，逆变效率低。

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6 .逐个并联集中型:原理:1）早晨弱光时由几台逆变器中随机一台开始工作。2）当第一台满功率 时接入第二台逆变器，依次投入。3）傍晚弱光时逐台退出。 优点：低空载损耗，充分利用了太阳能。逆变器轮流工作，延长寿命。 缺点：光伏阵列全部并联，并联损耗较大，且只能用一种型号。

并网的基本条件： 保证并网两侧的相序相同，保证电压、相位、波形等尽量一致，主要有：并

网逆变器的输出

电压和市电电压值相等，压差应在 10%以内；并网逆变器输出频率和市电频率相同，频差不超过 缺点： 1）变流器结构复杂； 2）控制复杂

○

4 .矩阵型风机变流器: 优点：无中间储能环节，效率高； 功率管的热应力相对较低（与电网 频率相关）开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；du/du 低 缺点：采用双向功率器件，且数量较多； 输入输出耦合，FRT 性能差

4、非隔离型光伏并网逆变器的共模抑制问题，以及典型非隔离型单相并网逆变器拓扑及其原理 4.1 非隔离型光伏并网逆变器中共模电流的抑制

4.1.1 共模电流产生原理：在非隔离的光伏并网发电系统中，电网和光伏阵列之间存在直接的电气 连接。由于太阳能电池和接地外壳之间存在对地的寄生电容，而这一寄生电容会与逆变器输出滤 波器件以及电网阻抗组成共模写真电路。当并网逆变器的功率开关动作时会引起寄生电容上电压 的变化，而寄生电容上变化的共模电压能够激励这个谐振电路从而产生共模电流。 4.1.2 具体拓扑分析

0.3Hz ；并网逆变器的输出电压和市电电压波形相同，各相位差尽量一致。 并联合闸瞬间，并网

逆变器输出与电网对应相的电位相同、相位相同，即并网逆变器输出与 ○1 .寄生电容上共模电流 du

i c 为：

电网的回路电势为零。

i cm = C cm dt

3、风电机组的基本系统结构，基本原理和优缺点。风机：能量转换装置动能－机械能－电能

共模电压 u cm 为： u cm ≈ 0.5(u a 0 + u b 0 ) 3.1 基本结构

恒速系统：

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1 .笼型异步风力发电机系统： 工作原理 :定子三相电流产生 旋转磁场，以同步转速 n1 旋转， 在转子导条中产生感应电动势 e ，e 在转子绕组中产生感应电流 i ，i 在磁场中产生电磁力 f ，f 产生电 磁转矩 T ，若转子以转速 n ＞n1， 向 n1 的方向旋转，机械能转化为 电能。优点：（1）发电机励磁消耗 无功功率，皆取自电网。应选用较 高功率因数发电机，并在机端并联

抑制方法：尽量降低 u cm 的频率，而开 关频

率的降低则带来系统性能的下降。 但若是能使 u cm 为一定值，能够基本消 除共模电流，即功率器件所采用的 PWM 开关序列应使得 a,b 点对 0 点的电压之 和满足：

u a 0 + u b 0 = 定值

PWM 调制有：单极性调制、双极性调制

○

2 .半桥拓扑基本不产生共模电流 共模电压： u cm =u b 0

若电容 C1、C2 相等且容量足够大 电容；（2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平 坦；缺点：（3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，Ｓmax 绝对 值要大；（4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并 加装软起动限流装置。

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2 .转子电流受控的绕线型转子异步风力发电机系统(Rotor Current Control ， RCC) 定义：转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制（PWM ）来控制绕线型异步发 电机转子电流的一项技术。系统的结构特征：（1）采用变桨风力机；（2）采用绕线型异步发电机， 但没有滑环；（3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动态调整发电机的机械特性。优点：（1） 风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由 RCC 调节，可明显减 轻桨叶应力，平滑输出电功率;（2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的 动能，提高风能利用率；（3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺点：旋转电力电 子开关电路检修、更换困难。 半变速系统 ○

1 .双馈异步风力发电机系统 工作原理：双馈电机将电能分别馈入绕线型转子异步电机的定子绕组和转子绕组，一般讲定

子电阻接入电网，而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需按要求分别进行调节。通过 调节转子电力的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于 同步转速时都能保持发电状态；通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率； 转子绕组参与有功与无功功率变换，为转差功率，容量与转差率（即转子电流的频率）有关。

优点：（1）连续变速运行， 风能转换率高；（2）部分功率变 换，变流器成本相对较低；（3） 电能质量好（输出功率平滑，功 率因数高）；（4）并网简单，无冲 击电流；（5）降低桨距控制的动 态响应要求（6）改善作用于风轮 桨叶上机械应力状况；缺点：（7） 双向变流器结构和控制较复杂； （8）电刷 与滑环间存在机械磨

损。

4.1.3 共模电流抑制的实用拓扑 ○1 .带交流旁路的全桥拓扑（略） ○2 .带直流旁路的全桥拓扑（略） ★○3 .H5 拓扑（导通情况见 4.2 中○1 ）

现以电网正半周期为例分析其共模电压： 1）V5，V4 导通阶段

u cm =0.5(u a 0 + u b 0 )=0.（5 U PV ）+U 0 =0.5 PV

2）V5，V4 关断阶段（并联二极管及 v1 续 流阶段）

u cm =0.5(u a 0 + u b 0 )=0.（5 0U .5）P U V +0

U .5 PV =0.5 PV 抑制方法：在开关过程中，若 U PV 保持不变

则共模电压恒定，从而抑制了共模电流，并 且交流侧输出电压也与单极性调制的交流侧 输出电压相同。

4.2 典型非隔离型单相并网逆变器拓扑及其原理 ○

1 .H5 拓扑原理：该拓扑中，S1、S3 在 则： u cm =0.5U PV

无刷双馈原理: f p = n (P p ± P C ）/ 60 ± f c 当 n 变化时，通过控制绕组频率 f c ，可使功率绕组的

电网电流的正负半周各自导通，S4、S5 输出频率 f p 恒定，从而实现变速恒频发电；控制绕组的功率为功率绕组功率的 P c/(Pp+Pc)倍，显 然双向变流的容量大大减少。

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2 .转子电流混合控制的异步风力发电机系统（双馈+斩波控制） 工作原理：

在电网正半周期以开关频率调制，而 S2、 S5 在电网负半周期以开关频率调制。 （最高效率达到 98.1%，欧洲效率达到 97.7%。）

图 6-2-1 基于电容电压和电容电流的双闭环控制图

○

2 .H6 拓扑原理： 正半周期，S6 一直 导通，S1、S4 和续流二极管 D1 交替工 作；负半

周期，S5 一直导通，S2、S3 和续流二极管 D2 交替工作。H6 拓扑上 下四个管子 S1~S4 工作在高频，中间两 个管子 S5、S6 工作在

工频，续流回路简 单，共模电流小，效率

较高。

（最高效率达到 98.3%，欧洲效率达到 98.1%。） ○3 .HERIC 拓扑原理：正半周期，S5 始终关断而 S 6 始终导通，S1 和 S 4 以

开关频率调制。S1 和 S4 关断时,电流

经 S6 和续流二极管 D2 续流。负半周 期，S6 始终关断而 S 5 始终导通，S2 和 S3 以开关频率调制。S2 和 S3 关断时，

电流经 S5 和续流二极管 D1 续流。这种 拓

扑利用独有的续流路径来减小开关和 导通

损耗，能够更加有效地处理无功功 率，使效率提升到 98%以上。（带交流旁 路的全桥拓扑能够抑制共模电流）

○4 .HB-ZVR 拓扑原理：正半周期，S1、 S4 和 S5 交替导通。S1、S4 导通时，S5

关断；S5 导通时，电流经 S5 和整流桥

续流。同样原理，负半周期，S2、S3 和 S5 交替导通。该拓扑在整个工频周期内 共模电压保持恒定，因此共模电流可以

得到有效抑制。

○

5 .改进的H5 拓扑：该拓扑在全桥电路 的基础上加入两支可控开关管和分压电 容构成双向箝位支路，并配合开关时序 可以实现续流阶段时续流回路电位处于 二分之一的电池电压，从而消除非隔离

并网逆变器的漏电流；并保证了功率传

输阶段输出电流仅流经 3 支开关管，有

效降低了导通损耗。

（南京航天航空大学改进 H5 拓扑） ○6 .混合桥臂拓扑： 在电网电流正半周期:S5 始终导通，当正弦 调制波大于三角载波时，S1、S4 导通，此时共 模电

压为 0.5V PV 。当正弦调制波小于三角载波时， S1、

S4 关断，电流经 D1 和 S5 续流，同理由于 开关器件关断阻抗很高,阻断了寄生电容的放电， 所以共模电压仍为 0.5V PV 。在正半周期，若 稳态时V PV 不

变，则共模电压恒定。在电网

在电网电流负半周期:S6 始终导通，S2、S3 由

正弦调制波和三角载波的比较来控制其导通和关 断，共模电压分析与正半周期类似。 （合肥工业大学提出了一种混合桥臂拓扑）

5、掌握光伏并网微型逆变器典型结构及其基本原理 5.1 按功率变换级数分为：单级式微逆；两级式微逆 ○

1 .单级式微型逆变器 原理：采用反激变换器输出两倍输出电压频 率，脉动直流电再经晶闸管工频反转桥换向并网。 为实现功率解耦，其在输入端采用多颗电解电容 并联，存在失效隐患。（为了消除电解电容，有 学者提出在逆变器输入端增加一个功率解耦电路， 将功率脉动转移到解耦电路，但效率非常低，只 有 70%。）。

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2 .两级式微型逆变器 原理：两级式单相逆变器应对功

率平衡问题具有先天优势，其可以实 现输入功率与输出功率解耦。图中所 示为典型的两级式微型逆变器：推挽 式电压型高频链微型逆变器。

（1） 前级采用推挽升压电路，适 用于低压大电流的场合，正好满足微 型光伏发电系统的要求。

（2） 后级采用单相全桥逆变电路，

图 4-1 单级式微型逆变器

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6.2.2 基于电容电压和电感电流的双闭环控制

图 6-2-2 电容电压和电感电流的双闭环控制结构

（为什么选择电容电流？）:相较于电压外环电感电流内环，电容电流做内环的输出特性更硬，更 适合作为恒压源逆变器来支撑微网电压。 6.2.3 基于电容电压和电容电流的双闭环控制 ○

1 有关闭环控制PI 参数的调节： 1)电流控制环时间常数较小，可以直接采用比例调节，设比例系数为 K 。由 P I 调节特性可知， K 越大，信号的调节速度越快，追踪时间越短，电流环的动态响应越好；但同时 K 太大会导致超 调过大，振荡增多，甚至造成系统不稳定。故 K 的选择需根据电流环传递函数的频域响应，选择 极点离原点较远，同时带宽较宽的点。

2)电压外环采用 PI 调节，其参数的选择应在求得电压传递函数的基础上，根据系统稳定性要 求设定其特征方程的极点，由期望的阻尼比，自然振荡频率等参数确定 PI 调节合适的 PI 参数。 ○

2 .该双闭环控制的性能分析 1) 积分系数固定时：高频段基本呈容性；比例系数越大，输出阻抗越小；比例系数足够大时，

输出阻抗在中低频段呈感性，且比例系数越大，感性频段越宽；比例系数足够小时， 工频段呈阻感性，甚至呈阻性。

2) 比例系数固定时：积分系数的改变基本不改变输出阻抗的大小，且中、低频段基本呈感性。 （为什么选择电容电压？）应该选择适当的电容电压环 P I 调节器的比例系数，使逆变器具有一定 的感性输出阻抗！

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3 .逆变器的输出阻抗分析 1）基于电容电流反馈的逆变器输出阻抗幅频特性受 Rn 影响较大。其中，基于电容电流反馈 方式在工频附近又容易受线路电阻变化的影响，从而增加了设计难度。

2）而基于电感电流反馈的逆变器输出阻抗幅频特性却不受R n 变化影响，在工频附近呈感性， 克服了线路电阻对感性阻抗设计带来的不良影响。

结论：电感电流反馈控制较合适！

TIP 1：对于单台逆变器控制而言，输出阻抗越小，输出外特性越硬——选择电容电压和电容 电流的双环控制（对线路阻抗敏感！）；(微网逆变器孤岛)

TIP 2：对于逆变器并联控制而言，输出阻抗越大，并联环流越小——选择电容电压和电感电 流的双环控制

6.3 电流内环反馈变量选取对控制性能的影响

○1 .输出电容电压 U C 反馈控制(引出问题：为什么不选择电容电压，选择电流内环？) 对于输出采用 L C 滤波器的 V SI 而言，由于 L C 滤波器的谐振特性，输出电压单闭环的 V SI 控制

可能存在系统稳定性问题，为此也可以通过引入内环控制来提高系统稳定性。与基于 LCL 的 VSR 内环设计一样，内环的反馈变量选择并不唯一。

图 6.3.1 基于 LC 的 VSI 输出电压单闭环控制结构

显然，根据 LC 滤波器的电参数，内环的反馈变量有三种选择，即：电感电压 U L 、电容电 流 i C 和电感电流 i L 。 ○

2 .电感电压 U L 反馈控制（为什么不选择电感电压？） 采用 S PWM 控制，在通过滤波电感得到 图 4-2 两级式微型逆变器 220V 、50Hz 交流输出接电网。 （3） 推挽结构比较适合独立光伏组件并网的要求，就目前为止是比较常用也是比较有效的拓 扑。

（4）缺点是变压器绕组的利用率低，工频桥臂要增加阻断二极管（阻断与直流侧交换无功）， 另外，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁现象，且推挽的效率不太高。

5.2 按直流母线结构分为：直流母线结构；伪直流母线结构；无直流母线结构

图 6-1 基于 LC 滤波的电压源逆变器主电路图 6.2 三相电压源逆变器双环控制策略

★6.2.1 基于电容电压和电容电流的双闭环控制

图 6.3.2 基于电感电压 U L 反馈的单位调节器内环控制系统 原因：不论内环增益K 取多大值，基于电感电压u L 反馈的单位调节器内环控制总是不稳定的，因 此不宜采用电感电压u L 作为内环反馈变量。（图略）

★○3 .电容电流

i C 反馈控制

图 6.3.3 基于电容电流 i C 反馈的单位调节器内环控制结构

★○4 .电感电流

i L 反馈控制

图 6.3.4 基于电感电流 i L 反馈的单位调节器内环控制结构 性能分析：

1）当忽略负载电流扰动时，两种控制具有相同的电流跟随效应；

2）而电容电流环由于包围了负载电流扰动，因此具有较好的抗负载扰动性能。 选

择原因： 3）基于电感电流i L /电容电流i C 反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。（图略） 综上：以电容电流 iC 为反馈变量的系统比以电感电流 iL 为反馈变量的系统在低频段具有更小 的输出阻抗，因此系统具有更好的抗扰性能。

7、掌握微网逆变器两种电流闭环控制特性的差异，以及控制器参数对性能的影响。 （结合 6） 7.1 差异：(6.3)

7.2 控制器参数对性能的影响(6.2.3)