2015高等电力电子技术复习提纲+答案整理

2015高等电力电子技术复习提纲

一、光伏并网系统的基本结构，基本原理和优缺点

1集中型：

优点：一台变流器，结构简单，逆变器效率高

缺点：抗热斑和抗阴影能力差;单一MPPT无法使系统运行于MPP;

阻塞和旁路二极管使系统损耗增加；系统扩展和冗余能力差。

2组串型：

优点：无阻塞二极管；抗热斑和抗阴影能力增加；多串MPP设计，运行

效率高；系统扩展和冗余能力强。

缺点：仍有热斑和阴影问题; 逆变器数量多，扩展成本增加；逆变效率

降低。

3多串集中型：

优点：无阻塞二极管；抗热斑和抗阴影能力增加；多串MPP设计，运

行效率高；系统扩展和冗余能力强；单一逆变器设计，扩展成本降低，

逆变效率高，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列1～n可以具不

同的MPPT电压，十分适合应用于光伏建筑。

缺点：仍有热斑和阴影问题;逆变器无冗余

4交流模块型：

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;

5逐个并联集中型：

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。

二、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（参考《太阳能光伏并网发电及其逆变控制》4.3.3.2相关内容）

1.H5拓扑

原理：该拓扑中，S1、S3在电网电流的正负半周各自

导通，S4、S5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。

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

3. HERIC拓扑

原理：正半周期，S5始终关断而S6始终导通，S1和

S4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S5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，能够更加有效地理无功功率，使效率提升到98%以上。

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.混合桥臂拓扑

正周期（负周期同理）：

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0.5VPV。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0.5VPV。在正半周期，若稳态时

VPV不变，则共模电压恒定。

三、光伏并网微型逆变器典型结构及其基本原理

①按功率变换级数：单级式微逆，两级式微逆；

1.单级式微逆

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。

2.两级式微逆（推挽式电压型高频链微型逆变器）

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；后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电感得到220V、50Hz交流输出接电网；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。

电路缺点是：变压器绕组利用率低，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，且推挽变换器的效率不太高。

②按直流母线结构：直流母线结构，伪直流母线结构，无直流母线结构。

1.直流母线结构

2.伪直流母线结构

3.无直流母线结构

四、风电机组的基本系统结构，基本原理和优缺点

1.恒速系统：

笼型/绕线型转子异步风力发电机系统

（a）采用笼型异步电机（SCIG）作为发电机，A型风力发电机的转速变化范围通常较小（1～2%），是定速型风力发电机；

（b）为采用绕线式异步电机（WRIG）的转差控制型风力发电机，其调节范围较小通常在5~10%，并且不具有无功功率控制和电压控制的能力

RCC异步风力发电机系统的特点

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。

2.半变速系统：

异步双馈（有齿轮箱）

电机转子连接风轮，一般需通过齿轮箱来提高电机转速。电机定子直接与电网相连接。变流器与电机转子、电网相连，通过控制电机转子侧的电流电压间接控制电机定子侧的电流电压。由于电机运行于不同状态时，变流器的电流流向不同，故多采用“交．直．交”结构的双PWM型变流器。由于变流器连接电机转子，变流器的功率是电机的转差功率，仅为电机功率的20％--一30％，降低了变流器的功率器件成本，因此目前兆瓦级风力发电机组采用双馈发电机系统的较多

（c）为采用双馈电机（DFIG）作为发电机的双馈型风力发电机，双馈异步风力发电机系统的特点：

（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；

（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。

3.全变速系统：

采用全功率变流器实现风力发电机的全范围调速，所采用的发电机可以为永磁同步发电机或绕线式同步发电机等，这一类型的风力发电机需要变流器容量较大（约为120%的额定容量），但这一类型的风力发电机可以实现发电机与电网的完全解耦，从而较容易满足电网的要求。

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

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；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；

3）转子可采用无刷旋转励磁；

4）转子结构复杂，励磁消耗电功率；

5）体积大、重量重，效率稍低。

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PWM整流或不控整流后接DC/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。

混合励磁直驱同步风力发电机系统

系统特点：

利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；

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；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；

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。

五、虚拟同步机的基本方程及其基本控制结构原理 1.VSG 建模——机电模型

VSG 的运动方程： VSG 的电磁方程：

虚拟惯性J 的存在——VSG 在功率和频率的动态过程中具有了惯性 阻尼系数D 的存在——VSG 具有阻尼系统功率振荡的能力 2.VSG 控制——有功调节

VSG 通过模拟同步发电机的机械功率，来调节其有功输出； 虚拟同步发电机的机械功率：

VSG 通过模拟同步发电机的AFR

调频器，实现对电网频率偏差的响应； AFR 可表示为： 调功原理表明：VSG 在指令功率跟踪的基础上还能针对其接入点频率偏差做出有功调节响，

从而提升其应对频率异常事件的能力。

3.VSG 控制——无功调节

VSG 通过模拟同步发电机的励磁电势，来调节其无功与电压； 虚拟同步发电机的虚拟电势：

VSG 通过模拟同步发电机的一次调压特性，实现对电网幅值偏差的响应； 无功调节器表示为： 调功

原理表明：VSG 通过无功功率控制以实现电压调节，即根据电压的偏差为其接入的电网提

供必要的无功支撑。 4. VSG 控制——系统控制结构

VSG=功率外环+电压电流内环

六、微网逆变器并联时的下垂特性及其控制

a c b

θ = 0N

a

c

下垂控制的本质是通过比例调节以实现功率均分的负反馈控制，具有一次调频特性。

微网逆变器的下垂控制系统结构

优点：

1）无主从之分，冗余度高；

2）孤岛及并网运行模式下均工作于电

压源模式，控制不存在切换；

3）只需本地信息，不依赖于通讯。

特点：

1）下垂系数特性与逆变器的传输阻抗有关，故逆变器的传输阻抗将影响其功率均分性能；2）逆变器的传输阻抗由两部分组成，一部分是由逆变器与负载间的连接导线参数决定的线路阻抗（不可控），另外一部分是由控制策略和滤波参数决定的逆变器输出阻抗（可控）；3）为减小各并联逆变器间的功率不平衡，应使逆变器的传输阻抗满足X>>R ，从而满足下垂控制的功率解耦特性要求，从而以利于功率均分。

2.下垂特性的两种控制策略

1）f/V——下垂控制

通过检测逆变器的输出功率来控制逆变器的输出电压幅值与频率（V/f控制），其目的是将逆变器的输出电压幅值和频率稳定在一定范围内。

f/V下垂控制原理：

2）P/Q下垂控制——倒下垂控制

通过检测逆变器公共连接点的电压幅值与频率来控制逆变器的输出功率（PQ控制），其目的是将逆变器的输出功率控制在一定范围内。

两者比较：

1）下垂控制本身无法在固定范围内限制输出功率，为此当输出功率达到极限时切换成PQ 控制，使逆变器输出功率恒定；

2）采用倒下垂控制只须在达到输出功率极限时取零下垂系数即可自动限制功率； 3）在倒下垂控制器中可以很简单的在工作点附近设置一个死区，在并网运行时可以消除电网扰动影响，从而有利于微网的并联运行； 4）倒下垂控制可以避免出现下垂控制中当系统阻抗较小时，很小的电压幅值或相位的变化将会引起很大的电流变化的情况。

3.基于下垂控制的逆变器控制结构

七、掌握三相电压源PWM 逆变器及其双环控制策略，以及电流内环反馈变量选取对控制性能的影响（参考《高等电力电子技术》4.2相关内容） （1）三相无源PWM 逆变器的拓扑

（2）控制策略

由于VSI直流侧多采用整流电源或蓄电池等供电，因此一般无需直流电压反馈。而为了提供稳定的交流输出电压，输出电压的闭环控制是必须的。然而，对于输出采用LC滤波器的VSI而言，由于LC滤波器的谐振特性，输出电压单闭环的VSI控制可能存在系统稳定性问题。可以在LC滤波器的电感或电容中串入阻尼电阻来抑制LC滤波器的谐振。也可以采用基于多环的控制策略来改善逆变器控制的稳定性。一般基于LC滤波器的VSI可以采用典型的双环控制策略，即电压外环（稳定和控制逆变器输出电压）、控制内环（用于改善控制性能）。

根据LC滤波器的参数，内环的反馈变量有三种选择，即电容C上电流C i、电感L电流L i

u对于选择不同的内环反馈变量，其系统性能是不同的，究竟哪种变量作为或电感L电压L

反馈变量的系统性能最好，可以通过比较其稳定性，抗扰性等指标来进行判别。

u反馈的单位调节器内环控制系统始终不稳定，而才用电容电流或电感采用电感电压L

电流作为内环反馈变量的单位调节器内环控制始终稳定。从抗扰性角度来看，以电容电流为反馈变量的系统比以电感电流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。因此选择电容电流作为内环反馈变量。

补充：

控制策略分类：

基于电压定向的控制策略

1 基于电压定向的矢量控制策略

2 基于电压定向的直接功率控制策略

基于虚拟磁链定向的控制策略

1 基于虚拟磁链定向的矢量控制策略

2 基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略

图1基于电压矢量定向的矢量控制系统（VOC）示意图

图2基于虚拟磁链定向矢量控制（VFOC）的控制结构

隔离、非隔离光伏并网逆变系统电路结构、原理、优缺点

1、工频隔离型光伏并网逆变器：

由于逆变器的隔离：一方面可以有效地防止人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网电流通过桥臂形成回路对人构成伤害的可能性，提高了系统安全性；另一方面，也保证了系统不会向电网注入直流分量，有效的防止了配电变压器的饱和。

使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点：结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能好、无直流电流问题。

由于系统采用的是工频变压器，所以存在体积大、质量重、噪声搞、效率低等缺点。

高频隔离型光伏并网逆变器：

高频逆变技术用高频变压器替代了低频逆变技术中的工频变压器来实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和质量，并显著提高了逆变器的特性。

该系统的优点：

同时具有电气隔离和重量轻的优点，系统效率在94％左右。

缺点

(1)由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构集中在2KW以下；

(2)高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十KHz,或更高，系统的EMC比较难设计；（3)系统的抗冲击性能差。

高频隔离AC模块系统

2.非隔离型光伏并网逆变器：

1)直接耦合系统

该系统的优点：

由于省去了笨重的工频变压器，所以可以带来以

下优点：高效率（96%左右,H5Bridge技术效率可

达98％）、重量轻、结构简单、可靠性较高。

缺点

(1)太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利。即人触摸单极时，会触电。这在许多国家的电气安全标

准中不允许。

(2)直流侧电压需要达到能够直接逆变的电压等级，即一般直流侧MPPT电压大于350V，即一般太阳电池阵列的开路电压为440V。这对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。

2)单串双级不隔离系统

该系统的优点：

和第一种拓朴类似，由于省去了笨重的工频变压器，所以可以带来以下优点：高效率（94%左右）、重量轻。同时加入了BOOST电路用于DC/DC直流输入电压的提升，所以太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很宽。（典型输入电压范围为125V-700V）

缺点

(1)同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压。

(2)使用了高频DC/DC，EMC难度加大。

（3)可靠性低。