毕业设计：电力电子技术在智能电网中的应用（定稿）

电力电子技术在智能电网中的应用JING Ping1 ，GUO Jian-bo2 ，ZHAO Bo1 ，ZHOU Fei1 ，WANG Zhi-bing3（1中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192；2国家电网公司，北京市 西城区 100031； 3上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海市 闵行区 200240）摘要：坚强智能电网不仅对电网的安全、稳定和经济运行水平提出很高的要求，而且需要电网具有超越现有水平的灵活性和可控性。以灵活输电技术、用户电力技术和电力储能技术为代表的电力电子技术是实现坚强智能电网的重要技术支撑。在文章中，提出了一种基于电力电子技术的应用方案。在未来智能电网的建设过程中，该方案可以优化输电网络的运行条件，扩展电网的运行控制技术，保障电网安全、稳定、经济运行。目前，该方案中的关键技术已经应用在一些工程项目中，表明该方案是可行且有效的。关键词：电力电子技术；智能电网；灵活输电技术；用户电力技术；电力储能技术介绍未来的几十年是中国进一步发展工业化、都市化、信息化和现代化的重要时期。在这一时期，经济将继续又好又快的发展。它也是资源消耗与经济发展相协调的关键时期。为了成为资源节约型和换进友好型社会，中国应该采取措施来节约资源、减少废物排放。考虑到现在能源和负荷的分布与社会主义初级阶段的根本现实，中国的国家电网公司建议建立一个满足各阶层对安全性、可靠性、高效性、低污染性、自愈性、可调性一般要求的相互可协调的电能网。这个强大的智能电网将能够灵活多样化的输送，根据电力用户的不同的特征使资源分配更优化，进一步提高服务能力。 鉴于智能电网在中国的一般要求，报纸媒体提议建一个基于灵活传送、常规电源技术、优仪存储技术的电子应用的解决方案，这一解决方案能使传输网络的运营状况更加优化，推广灵活的控制电力网络，保证安全、稳定和经济效益。1中国的智能电网在将来主要面临的问题1.1优化资源分配的能力需要改进中国的能源资源主要分配在相对落后的地区，例如西部、北部和西南部，能源消耗主要集中于发达东部和中部地区。总体上讲，大规模的燃煤电力集中于西部和北部，大型的水力电力则在距离东部的负荷中心平均8003000km的西南部，电力传送的规模很大距离也远。由于技术能力和传输距离的限制，传输通路的低利用率和大型网络的流失，目前的电力网再也不能适应国家的能源政策和工业的发展需求。 此外，为了优化能源结构，加强能源利用效益，提高气候适应能力，政府必须加强风能、太阳能和其它可再生能源的发展利用。因为大型的可再生能源集中在三北地区，地方的电力供给不能满足地方电力的需求。因此通过远距离的网路将电能传送到地方中心就是必要的了。由于可再生能源得间断性和波动性建立和贯彻准确的能源生产计划是不可能的。于是，可再生能源对电力网的承载能力和资源优化能力有更高的要求。1.2电力网的安全正面临新的挑战为了满足持续快速的电力增长的需求，中国正在建立一个世界上电压水平最高、规模最大的AC/DC混合网。简称FACTS,包括高水平的可控串联补偿和无功补偿，用于提高智能网的安全稳定性。主要的安全稳定的控制方法实际用于大规模的电网现在任处于预防阶段，它们的触发器的控制信号主要基于当地的使用信息。串联触发器在一些运营模式下会造成一些风险。另一方面，安全稳定的积极的基于全球信息的控制方法任处于探索和发展阶段。距离其实际运用还有间隙。2 中国只能电网的特点和技术要求根据经济和社会在未来对电力网需求的发展，我们国家的智能电网应该具备以下基本特点：1） 低污染，大规模的可再生资源可被用于电网中，以减少对环境的潜在影响。2） 坚固性，可以经受各种气候情况和电网中的干扰。3） 自愈性，能自动诊断，自动调节的，自动故障隔离，自动恢复。4） 优化性，优化资源，提高资源利用率和电网的运营效率。5） 交互性，对能源市场和用户实现相互交流和实时响应，通过这些提高服务水平。6） 经济性，在最佳的成本前提下，为社会提供最高质量的能源。为了获得跨区域经济的电讯，优化资源配置，有强大的反干扰能力和快速的自愈能力，保证多变的供给和有不同特点的电力用户之间的交流的可靠性，满足发电用户和电力用户持续增长的多样化的服务要求，智能网的核心技术（比如：电力循环控制，系统阻尼，动态无功补偿，短路电流局限性，过电压抑制，整合储能于平稳的情况下）与其对应设备需要进一步的探索与发展。各项技术，例如，网络和网络单元之间的双面交互式自动控制技术，可再生资源的网络连接运营技术，能源供给通路和能源储备设备技术，和充电站技术将成为对智能电网而言很重要的工程项目。3电力电子技术在智能电网中的运用强大的智能电网不仅在安全性、稳定性和经济性方面有要求，而且要求灵活性、可控性，这些都要比现在的水平还要高。电力电子技术，例如，灵活的传输技术，传统的电能技术和能量存储技术，对实现智能电网是很重要的技术支持。图1 是电力电子技术在坚强智能电网中的应用示意图图1 电力电子技术在坚强智能电网中的应用示意图从图1中我们可知智能网主要包括：1） 物质网络，物理电网同相互协调的智能电网在各个层次中，不仅是坚强智能电网的物质载体，也是实现智能电网的基础。2） 电网的支持点，支持点主要包括：变电站、能量储蓄站、补偿站、分配网络控制站等等。它们是智能电网实现各种应用的基础，也是支持智能电网的关键站点。3） 智能电网中的设备，坚强智能网中的各种灵活可靠的设备（例如，灵活的AC传输系统、分配灵活交流输电系统、电能存储等等）满足安全经济的运营要求，是智能网获取整体目标的重要途径。4） 智能化运作，电力输送与信息交流的整体是实现智能电网运营模式的灵活调整和改建，并且确保多样化的供应和有着不同特点的电力用户之间的访问。智能化运作是智能电网网的具体表现。电力电子技术在智能电网中的特殊运用如下：1）从大型的能源基地进行的电力传输。从大型的能源基地进行的电力传输有容量大和距离远的特点。晶闸管是常规的电力电子器件，例如，晶闸管控制串联电容器补偿技术（TCSC），晶闸管转换串联电容器补偿技术（TSSC），能有效的提高电力流通的能力；无功率静电变压器(SVC)和可控制分流电阻(CSR) 能持续、快速、动态的补偿电力系统的无功功率，减少无功电流和线路损耗。新一代的电力电子器件是基于充分控制元件，例如，静止同步补偿器(STATCOM)、静止同步串联补偿器(SSSC)、统一潮流控制器(UPFC)、智能潮流控制器(GPFC)、电力中转流量控制器(IPFC)等等，较之前的有很大的提高。它们将会很有希望地在智能电网中得到广泛的应用。2）风能/光电能/存储混合的一代。根据智能电网在我国的发展新蓝图，风能和光电能一代的系统应该满足大型的存取在自适应的需求。由于风能和电能的不稳定性，所以生产电力与电力负载之间的协调是很重要的。可再生资源一代的系统是（那些由风能和太阳能再生产的能量）连接电力系统的大功率变换器。虽然，变换器可以实现能量的转化，能源质量改进，无功功率解耦控制，并且可以与电网完美连接，但是，它们不能保持断断续续的电力波动平稳或者提高系统的稳定性。能量的存储可以扮演减少峰值功率和补偿谷值功率的角色，如此增长对风能和光电能的利用。在高功率电压源和大容量存储设备建立连接，不仅使断断续续的电力保持平稳，而且满足能量存储的要求。同时提高系统稳定性和加强电力资源的质量，而且实现了可再生资源与电力系统的灵活连接。3）电力网运营的安全性和经济性。智能电网的发展趋势是区域性电网和电网在各个水平上的协调控制的连接。这要求一个灵活的操作模式和更多的先进的技术，例如，电流控制，系统阻尼，动态无功补偿，短路电流局限性，过电压抑制，网络重构，自动故障隔离等等。FACTS技术是获得经济牢固的智能电网的重要工具。在FACTS技术的研究和应用方面，中国现在一些方面处在领先地位，例如，固定串联补偿技术（FSC），晶闸管控制串联补偿(TCSC), 无功补偿(SVC), 可控制分流电阻(CSR), 静止同步补偿器(STATCOM),已经被应用于大规模的电网中；故障电流限制(FCL) 和统一电能流量控制 (UPFC)已经在试验阶段。在未来，关键突破点在于发展多功能复合型FACTS设备，例如配置静态转换器（CSC），以全系统综合信息为依据的协调控制技术。他在坚强智能电网的结构中扮演重要角色。4）电能供应分配的即插即用。电力电子变压器（PET）,这能实现分发电源和电网之间的有效隔离，不仅能代替传统的传输技术，而且能同时实现动态无功补偿，FCL,能量质量控制，软切入，软的分割等等。为电能供应分配的即插即用提供了一个重要的技术途径。现在电能供应分配主要通过转换器与电网连接。但是，在讲来，低电压转换器技术可能与低消耗存储技术相结合。结果，那些曾经用于连接电能供应与电网的整合储能与转换器设备，将会被发展，去实现分发发电机和储能单位之间的能量转换，和储能单元相能量负荷提供能量。因为智能电网可以减少峰值功率和补偿谷值功率，加强负载效率，减少总安装系统容量。用户可以根据附近的电站按照峰值和谷值调整的价格以低价买进高价卖出，从而获得经济利益。5）常规的电力技术。将来，智能电网可使用户自由参与电力市场的电能和电力贸易标准的制订，并且他们将更多的注意力放在电能质量的问题上。因此，灵活控制智能电网电压和电流电波变得更加重要。现在，为用户提供的普通的电力设备，包括分配静止无功发生器(DSTATCOM), 动态电压恢复器(DVR), 有源电力滤波器(APF), 固态转换开关(SSTS), 统一电能质量调节器(UPQC)等等。这些设备曾经用于控制电力质量问题，例如，谐波，无功功率，扰乱负载造成的闪烁和不平衡，系统错误造成电压骤降和膨胀，刚开始的大型发电机或者是电气铁路。为了最大化控制设备的效益，满足智能电网对可靠的经济运营模式的要求和用户对电能质量的定制化的需求，各种各样的定制电力设备的整合协调控制技术，以及对应正规的平台，电能质量专家级系统在未来的研究中得到解释说明。 表一是电力电子技术在坚强智能网中的应用摘要。电力系统中的问题解决方案可再生能源的断续性和波动性整合储能的STATCOM an和 SMES技术同负荷变化的电压波动SSSC, SVC, TCSC, STATCOM, UPFC, CSR故障造成的低电压SSSC, SVC, STATCOM, TCPR, CSR传输线或变压器的超负荷SSSC, TCSC, TCPAR, UPFC电力流量调节SSSC, UPFC, TCSC, TCPAR故障以后的的负荷分配TCPAR, UPFC, SSSC, TCSC, STATCOM, CSC限制故障电流的超过SCCL, UPFC, SSSC, TCSC 次同步涡轮的共鸣或发电机轴SSSC, TCSC松驰的暂态稳定网状网络SSSC, TCSC, UPFC, TCPAR， HVDC远程的功率振荡发电机和径向线SVC, STATCOM, SSSC, TCSC, UPFC, TCPAR意外之后电压控制松散网状网络SSSC, SVC, STATCOM, UPFC地区的联系，弥合或放纵网状网络的电压稳定SVC, STATCOM, UPFC, TCPR, MCSR, CCSR电力质量的控制DSTATCOM, DVR, APF, UPQC,PET电力供应分发的通路PET,整合储能和转换器对连接的分布式发电表1 电力电子技术解决的问题4.关键技术在工程上的运用4.1 并联补偿的工程应用 由于超大产量的无功补偿工程来自联众不锈钢公司，C-EPRI Science & Technology Co., Ltd完成了无功补偿设备的关键技术的研究，这一设备是中国装机容量最大的无功补偿设备，而且成功的将无功补偿技术用于运营之中。图2,展现了联众不锈钢公司将无功补偿设备运用在实际中。这些设备有效的解决了由设备中的脉动负载（像熔炉的特高压电动）引起的电力质量的问题（问题包括无功功率影响，电压波动和闪烁，将大量的逆序列和谐波注入电网中）。因此设备确保工程安全运营，联众不锈钢公司每年有2千万的经济利益。图2 应用于联众不锈钢公司的SVC表2列出应用于联众不锈钢公司的SVC的主要技术参数主要参数参数值额定容量/Mvar180额定电压/kV35额定频率/Hz50额定电流/A2969触发模式-工作电压的范围 /pu0.9-1.1过滤器的装机容量/Mvar300基波的能力/Mvar180表2 SVC的主要技术参数4.2 串联补偿中的工程应用 图3展示的是伊冯500kV TCSC项目，该项目是国家发改委批准的国家级科学研究项目。该项目是由C-EPRI Science & Technology Co., Ltd建立，将伊冯500kV TCSC项目的限定功率由1460000kW提高至2500000kW，用于该项目的TCSC设备，都是由中国独立设计，发展，组装和调试的。这个设备的成功运营表明中国已经精通了适应高寒地区的全套大容量可控串补的技术，并实现了HV TCSC的工业化应用。图3 伊冯500kV TCSC项目 表3是伊冯500kV TCSC项目的主要参数主要参数参数值额定电压/kV500额定频率/Hz50额定电流/A2330额定容量/Mvar544.3(FSC),326.6(TCSC)工程模式MOV+GAP+Thyristor额定容量变化(MJ/three phase)137.39(FSC),114.48(TCSC)补偿度30%(FSC)+15%(TCSC)电容量集/pu2.25(FSC),2.35(TSCS)表3 伊冯500kV TCSC项目的主要参数4.3 常规电力技术的工程应用 北京大型航空公司的电力负载对电压骤降和短期的电源中断造成的短暂的电力质量问题很敏感。这个公司的产品因为这些问题受到好几次冲击。由于这家公司的实际情况CEPRI Science & Technology Co., Ltd.安置两个常规的电力设备(SSTS 和DVR)通过常规的电力技术解决电力质量问题。在成功的运营后，这些设备有效地消除了这特有的电力质量问题。图4北京某大型航天企业中的10kV DVR。表4列出北京某大型航天企业中的10kV DVR设备的主要参数图4北京某大型航天企业中的10kV DVR主要参数参数值额定电压/kV10额定电流/A300额定频率/Hz50补偿电压范围/pu0.1-0.5补偿响应时间/ms5补偿时间/s1表4 10kV DVR设备的主要参数5 总结 这篇论文中先进的电力电子技术是智能电网的重要支撑性技术。它们由灵活的传输技术、常规的电力技术和能量存储技术所代表。在智能网未来的建设期间，电力电子技术将有助于获取跨区域经济的电讯和优化资源分配。它可以用于获得反干扰和迅速自愈的能力。使用电力电子技术，电力供应商和用户之间的可靠的通路可以有保证了，可以满足发电用户和电力用户的多样化服务要求参考文献1 Zheng Jianchao未来电力技术的发展趋势浅析EB/OL中国电力科学研究院，2006/forum/opinion/99021_07.HTM2 国家电网公司建设运行部，中国电力科学研究院灵活交流输电技术在国家骨干网中的工程应用M北京：中国电力出版社，2008:152-188.电力电子技术的发展趋势与前景电力电子设备已经通过应用新的技术如晶闸管，IGBT, 微处理器而具有很高的性能。 近年，响应与信息技术，工厂自动化，家庭自动化的发展趋势，在这些电力电子设备的传统应用领域，如工厂生产，传输系统，电力系统，办公室，仓库存储设施管理正在变得一体化。在家庭里，电器包括感应加热和逆变器的数量在不断增加。电力电子技术的基本功能包括电力控制的应用与额定的电压、电流、频率和波形的电能传输。基本功能也包括电力控制的其他能量的转换，例如：电磁能量、螺线管和高频率的感应加热。我们希望电力电子技术在高速的信息时代在准确的管理和电能控制扮演日趋重要的地位。这篇论文论述了电力电子技术的发展趋势和目前的研究和发展水平。电力电子技术当前的形式和问题 电力电子设备的通常特征是低消耗因为它们由半导体控制开关状态。然而，由于我们也可以用电磁干扰控制开关，将设备的优势最大化或将缺点最小化是比要的。电力电子技术在节约能源的高速控制设备有灵活和广泛的应用，适当的应用满足于要求的条件。性能、功能和与我们周围环境保持和谐的基准要求，包括环境的各个方面，技术发展趋势要有明确的见解。减少资源消耗和对环境的压力 粗略地讲，当前电力电子设备的尺寸是约十分之一是20年以前，其重量约五分之一。在努力降低能源消耗，减少二氧化碳含量水平的方面，试图通过减少相关的元素和线路，并已使用再生能源回收能量损失。不断最大化这些努力的效果，系统的运作对新技术的需求超出了局部优化技术，例如，低功耗的循环系统，新的电力设备，尺寸和重量的减少技术等。限制噪声和谐波失真回路中抑制噪声和功率器件开关所造成的谐波失真与结构上阻断噪声辐射对防止其他电子设备故障和错误时很重要的手段。近几年，电磁兼容标准化已取得稳步进展。国际电工委员会颁布了一项指令，限制电压噪声（导电噪声）在150kHz - 30 MHz之间。在日本，准则高压用户和准则对家用电器和通用产品谐波保护措施，随着成立于1994年的国际电工委员会实行自律。因为国内信息处理设备，自律能力的提高在于志愿控制信息处理设备和电子办公机器委员会为消除电磁辐射造成的无线电干扰。设备的发展既符合上述规定也有抑制电源端电压噪声和谐波的电磁清洁技术，先进的线路和技术结构。寻找新的价值观 由于信息变得日益重要我们可以期待于，新的尖端技术创造更多的贡献，其中包括电能控制技术，议案和IT紧密结合，设备性能的发展水平。直至今天，具有惊人水平的性能的实用设备，例如，无功功率控制的几十兆伏安的快速响应型静止无功补偿器的IGBT，提供低电压和大电流的高速的CPU的高速电源供应器，伺服系统-控制纳米级精确技术的机械设备，现正一个接一个的推出。电力电子技术的应用 电力电子设备所需的关键要素是功率器件。可控功率器件与晶闸管，他们一直发展到双极晶体管，门极可关断晶闸管（GTO）和现在的IGBT。 由于它比较容易成为高电压和大容量的IGBT，IGBT被期待于代替晶闸管和GTO。同样重要的是发展有其它优良特性的IGBT功率器件。下面还介绍了功率器件的应用技术。新的功率器件应用技术 富士电机目前正在开发两个新设备，场站的IGBT（FS - IGBT）和反向阻断的IGBT。由于对设备的开发工作仍在继续，应用技术也正在开发中。FS-IGBT这FS-IGBT相对于常规的设备而言更快速，大幅降低正向压降为常规设备的一半，实施优化奠定了IGBT芯片可以承担更高的电流密度和输入/输出端子。当我们评价一个原型变频器栈，包括高性能的冷却风扇，我们得到的结果显示，约20的损失减少。这一结果导致了逆变器和电源设备大量的小型化。反向阻断的IGBT 反向阻断IGBT是一个全新的反向耐压设备。传统的IGBT没有反向耐压，并仅限于开放到关闭的唯一方向。因此，传统的IGBT是不适合应用于有反向电压的电路。甚至是简单的电路，例如晶闸管整流器。新开发的反向阻断的IGBT，由于其专有的耐压结构，成功地经受住有反向不增加电压的正向压降。当两个反向阻断IGBT是连接-反平行连接，双向开关是最理想、最快速和最低损失就能够实现的方法。一个新的动力装置是一个新的应用程序的源泉。随着反向阻断IGBT的到来，我们可以预计电路系统的新发展，包括AC - AC的直接转换、遥感技术在内。在一个安装多个芯片的大容量的电源装置，保证可靠性是一个重大问题。多个IGBT芯片安装在一个封装的设计，使它们之间的负载均衡。平衡是通过降低经营条件从结构和布局到最低限度的差异实现的，然而，当我们试图更严格的检查负载平衡的条件，这不容易衡量每个芯片内的电流与电磁场，而且体积小，高速高精度传感器的要求是很难达到。因此，我们开发出一种可分为压力焊接元件中的微传感器而且成功地观测到芯片中电流微小差异的因素。此过程也验证了负载平衡各方面。我们认为这是可以使用这个技术来提