浅谈电力电子技术应用状况及其应用.doc

浅谈电力电子技术应用状况及其 对电力系统的影响 摘要：电力电子技术自诞生以来就一直以它自身的特性来影响着电力系统。电力电子技术在各个领域中的应用已经取得了很大的成就，电力电子行业的发展也形同IT行业一样，迅速进入膨胀的年代。本文从电力电子技术的常规应用入手；剖析了他们的发展历史、现状以及将来；客观的评价它们给电力系统带来的利和弊；并对电力电子技术的发展进行了展望。 关键词：电力电子；电力系统；电网安全 1 引言 自1974年W E Newell提出电力电子是由电力、电子和控制三门学科交叉结合形成的一门新的电工学领域以来，随着控制理论的完善和发展、材料特性研究的深入、生产工艺水平的提高、信息技术的革命以及电路拓扑的不断更新，电力电子学作为一个完整的学科，以一个全新的姿态改善着人类的生活。 众所周知，电力系统的存在形式是相对固定的，尤其是其电压等级和工作频率。虽然不同的国家有着不同的标准，不同的标准中根据不同的用户和地域等特征有着不同的要求，但是，总的说来，针对某一个用户，所能获得的一般都是一个固定电压、固定频率的电力资源。然而，由于生产力水平和生活质量的要求不断提高，这种固定的电力供应已经不能够满足用户的各种需求，而且这个矛盾越来越突出。同时，电力系统的污染问题、电力设备的高性能控制、远距离高效输电等等问题也需要得到解决。 电力电子设备作为一个以控制技术为载体、以电力电子器件为基础、以电路拓扑为传输途径的电力能量管理的主体，它的存在和发展正在并将要解决着这样的矛盾。 本文就是从电力电子技术发展应用的现状入手，描述了其在电力系统中所起的作用，并对电力电子技术的发展要求做了一个展望。 2 电力电子技术的具体应用 20世纪70年代以来，电力电子技术发展迅速，主要包含三个方面： （1）电力电子器件，从第一代的如GTR等不全控器件；发展到第二代，如BJT、GTO、MOSFET、SITH；又发展到了第三代，如IGBT、MCT、IGCT、IEGT等，功率等级、集成度等不断的提高、控制性能也在不断的改善13。 （2）电力电子控制技术也在迅速的发展，高性能的专用处理芯片以及DSP芯片正在发挥着其强大的技术优势，控制策略的发展更是名目繁多，就拿交流电机调速控制策略来说，已经从开环的544 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 SPWM、SVPWM到高性能闭环的DTC、VC等。 （3）电路拓扑的发展非常活跃，由三种基本的拓扑：BUCK、BOOST、BUCKBOOST衍生出来的两电平、电容悬浮式多电平，二极管嵌位式多电平，级联式多电平等各种电路结构都以其特有的优点和缺点适用于一定的场合。所有的这些都代表着电力电子技术已经发展到了一定的水平并且仍在不断的发展着。 2.1 电力拖动 旋转电机是电力市场主要用户，其占有量大概是整个电力系统容量的70左右，因此，它的发展动态从一定的意义上来说对电力系统电力负荷的性质起着决定性的作用。 随着工业生产要求的提高，以及节能和环保意识的增强，在电力资源日趋紧张的中国，不可调速电机拖动系统的弱点越来越明显。例如轧钢机，机床，卷扬机、电力机车、轮船推进等等都需要有较好的调速特性和动态响应特性；电厂锅炉系统风机、水泵，蓄水站扬水系统等大型电机的恒速运行，不仅给风量、水量等的调节带来诸多不便，而且在绝大部分工况下还浪费了很大的电能；其它方面比如压缩机、各种控制用伺服电机等等也有很高的调速要求。 上世纪70年代以前，由于电力电子器件发展的落后性，电机调速系统以直流调速占主导地位。然而，直流调速的致命缺点换向困难，使得直流电机的寿命和直流调速的大容量化发展受到了遏制。随着电力电子技术的不断发展，交流调速的水平取得了巨大的进步，在很多应用场合已经逐步的取代直流调速，尤其是在大功率应用场合更是显出其优势。与此同时，根据不同的调速特性要求，无换向器直流调速、开关磁阻调速、内馈调速等，也有一些应用的场合。这些技术的存在和发展都为交流电机的调速运行奠定了技术基础。 目前，低压中、小功率的调速变换器的发展水平相对成熟，国内外有很多电气生产厂家分别有不同型号的产品正在服务于调速领域，除了交流变频调速以外，还有直流调速、磁阻电机调速、直线电机调速、伺服电机调速等等都取得了较好的成果和调速性能。然而，中压大功率变频器的发展却不尽人意，只有很少的几个公司有相关的产品能够服务于用户，同时，即便是这样的产品也存在着很多缺点： （1）、成本较高，经不完全统计，高压大功率变频器每千瓦价格差不多是低压小功率的两倍； （2）、可靠性不高；传动领域要求生产可靠性要求比较高，众多的故障实例表明，传动产品，尤其是大功率传动产品的可靠性需要进一步提高； （3）、通用性较弱，国内高压传动产品的发展水平还相对较低，国际上绝大多数公司的相关产品不适应国内的电网标准要求，因此，国内高压传动系统的应用相对落后。 2.2 交流输配电系统(FACTS) 自1986年美国专家NGHingorani提出了FACTS（Flexible AC Transmission System）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界电力系统专家的重视。目前，FACTS已经发展成为有十多类产品的大家族，主要分为两大类，一类是针对电网的污染而设计的功率因数校正和谐波治理装置（简称滤波装置），另一类是针对高压直流输电（HVDC）而设计的直流输电装置。 滤波装置的发展从最早用机械开关投切电感和电容来吸收或者发出无功，发展到基于现代电力电子技术为基础的滤波装置，例如SVG、STATCOM、SMES、BESS、TCSC、SSSC、UPFC、CSC等等，自从清华大学和河南省电力局联合研制的20Mvar静态调相器的成功投运以来，标志着我国在电网治理方面的水平也上了一个台阶。 值得一提的是，超导技术在近期不断的发展，使得电力有源滤波装置的发展又进入了一个新的阶段，众所周知，在电力电子电路里，如果没有阻性元件存在，那么此电路就没有损耗，所发生的只是储能元件之间的能量交换，而超导，就是利用一定工艺制成的材料，加上一定的外部条件，使得它的电阻值很低。因此，利用超导储能可以大大减少电路的损耗，同时，超导储能还具备响应快、随意控制有功和无功、并联方便等优点。 HVDC技术对于大容量远距离输电来说具有很强的经济性，并具备交流输电所没有的优越性78。据统计，中国80的石油、煤炭、天然气、水力能源集中在中西部地区，而80的经济产值集中在东部及沿海地区，资源产出和资源消耗关系极端不平衡。因此，电力输送成了中国电力系统的一个关键问题之一。到2002年为止，220kV的输电线路达到18.8万公里。虽然，经过多年的改革及发展，我国的电网建设已经比较成熟，但是类似三峡这样中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 545 一些大的发电站的建成并逐渐投产，我国的电网输电能力及输电安全性又面临着新的挑战，直流输电以它优越的特性在三峡向华东电网输电的任务中发挥了重大的角色9。 目前，FACTS的发展水平还相对较低，虽然有许一些在高压、大容量方面的应用，但是大规模成熟的应用还是以低压、小容量的居多，而且有些产品的性能相对较低，有时候甚至本身就是一个谐波污染源。主要表现在以下几个方面： （1）在现有器件耐压、耐流的水平下，大容量化难以实现 （2）控制技术，包括谐波含量的实时分析理论等需要进一步发展 （3）设备自身由于控制策略，器件的开关过程等等因素的影响，使得自身就对电网发出谐波污染。 2.3 应用电源系统 应用电源系统主要指的是直流电源、电焊机、脉冲电源、UPS电源、稳压电源等等，这些应用也是电力市场的主要用户之一。以电力系统操作电源为例，从最早的磁饱和式硅整流电源，到后来的可控硅整流，直至现在应用很广的开关式电源，应该说直流电源的发展也经历了几个时代。早期的电源，存在着体积和质量相对大、效率低、噪声大、可靠性能低等缺点。 随着电力电子技术的发展，开关电源技术也得到了发展。其高频化工作的特点带来了很多优点：隔离变压器小型化，开关噪声高频化（超越听觉范围），使得开关电源的体积、重量、噪声等大大减少。同时，软开关技术的发展，带有源滤波整流器的发展，N1冗余的设计思想，都使得应用电源的发展水平不断提升。 目前，开关电源的状况存在着五新（新器件、新材料、新技术、新理论、新软件）、五高（高频、高效、高功率密度、高功率因数、高可靠性）的特点，可以说是已经发展到了一个比较高的水平，但是在标准化、无污染化等等方面还有许多工作要做5。其他的应用如直流焊机、脉冲电源等大致的发展情况也和直流电源类似。 2.4 分布电力能源 近年来，小水力、风力、太阳能等再生能源的开发应用越来越广泛14。然而，要能够使这些功率小、分布散、电压等级多样的电站并网运行，那么基于电力电子技术的并网研究就显得十分重要。目前国内外已经有很多学者在从事这方面的工作，但是发展的水平还相对较低。 2.5 其他 此外，电力电子在其他方面的应用非常广泛，比如电力电子变压器、飞机驱动系统、汽车船舰驱动、变速发电机组、电子开关等等9-11。 3 电力电子设备与电网的安全 从电力电子产品在电力系统中的应用，可以明显的看出，电力电子技术已经成为电力系统很重要的组成部分。然而，随着越来越多的电力电子产品投入到电力系统中工作，其危害性也日益暴露。但是，在对电网造成污染的同时，电力电子技术的发展本身又在对电网的污染进行着有效的治理。 电网的安全运行牵涉的学科范围比较宽，电网污染问题成了电网安全运行的主要危害之一。电网的污染主要来源于无功功率和谐波两个方面，无功的来源主要是非阻性负载的存在；谐波的来源主要分为两种： (1) 特征性谐波，这些谐波主要有三个来源：一是电源质量不高，发电机绕组、铁心的非正弦性；二是输电线路中变压器的饱和运行等运行状态带来的谐波；三是用电设备，如整流设备、变频装置、电弧炉、旋转电机等运行时带来的谐波。 (2) 非特征性谐波，这些谐波的主要来源是电力系统的不对称运行而引起的，电力系统的不对称运行一般有两个方面的原因2 ：（一是系统的不对称，其中包含配电网上三相负荷不平衡造成三相系统不对称、大容量单相负荷的使用、输电线路不对称故障和非全相运行等因素；二是电力用户装置的不对称运行，包含电力电子装置开关器件和触发脉冲不对称、驱动电路参数有差异、功率开关器件参数及缓冲电路参数不同、布线不合理及信号干扰等）。 其中电力电子设备是电网谐波的主要来源之一。下面以一个典型实例来说明。在含整流电路的电力电子设备中，以三相整流为例，目前的整流方式主要有四种：一是三相不控整流，二是带抑制电感的三相不控整流，三是移相触发整流，四是带功率因素校正（PFC）的整流。带PFC整流在小功率设备中应用较多，在大功率的设备中以三相不控整流以及带抑制电感的三相不控整流为多（多脉头整546 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 流）。图1给出的是典型的三相不控整流的电流波形及其FFT频谱图（PSIM仿真），图2是带抑制电感六脉头整流的相电流波形及其FFT频谱图。 图1三相不控整流的的电流波形及其FFT频谱 图2 带抑制电感六脉头整流的的电流波形及其FFT频谱 由上图可见，两种情况下，电流中都具有较大幅值的谐波含量，这些谐波电流的存在，对电力系统来说是一个极大的危害,它会使得电机的损耗加大、引发共振等现象，降低输电线路的输电容量，使得交流断路器误动作，而且还会影响计算机、通信、电力测量、电力保护、医疗设备等等，甚至还影响人的脑电波和人体健康。 由此可见，电力电子设备对电网的危害是客观存在的。在认识这个问题的同时，也在利用电力电子技术解决着这样的问题，如上文说提到的FACTS就是用来解决电力电子设备本身带来的污染，同时还要解决电力系统本身的污染问题。 4 电力电子技术的发展前景 从上面的描述可以看出，电力电子技术的应用已经深入到电力系统中发电、输电和用电的各个方面。然而，随着应用领域及应用范围的扩大，反过来又对电力电子技术的发展提出更高的要求： （1）标准化，根据情况，不断完善行业标准，并且在产品研制过程中贯彻执行相关的标准。 （2）大容量化，高压，大电流的产品的市场需求量比较大，而由于电力电子器件发展水平的限制，这方面的发展不尽如人意。 （3）高性能化，虽然电力电子技术的发展迅速，并且在许多领域都开始大规模的应用，但是在控制性能的改善上还需要作大量的研究。 （4）高可靠性，电力系统安全问题历来就是一个很值得重视的问题，如果电力电子设备本身就不可靠，那么在实际应用中可能会给电力系统的安全运行带来隐患。 （5）无污染化，电力电子设备对电网的污染已经成了公认的问题。目前，由于电力电子设备发展的落后性，很多设备产生的污染，需要别的设备去进行治理，属于被动型的，主动型（自身治理自身）的发展也成为了一个趋势。 （6）高效率、高度集成化，由于开关器件的损耗，使得设备的效率偏低，不仅造成能源的浪费，同时还使得设备需要很大的散热器以及足够的尺寸去解决热的问题。 （7）信息化，和现代的微机技术及通讯技术结合起来，使得设备网络化，真正满足高度自动化的要求。 （8）普及化，充分扩展电力电子技术潜在的应用范围，使该技术在电力系统中得以最大程度的应用。 中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电