电力电子在电力系统中的应用.doc

电力电子在电力系统中的应用 近年来，随着科学文化的发展和世界文明的进步，新兴科技不断地涌现，尤其以计算机为主的第三次科技革命彻底的颠覆了传统行业的发展模式，而且近年来不断地发展和进步。其中以电力电子技术的发展为例，其新材料、新结构器件不断的涌现，在电力系统中的应用取得了令人瞩目的成绩，本文就对其具体应用现状进行分析。1.电力电子技术 电力电子技术实际上是将电能进行转换,交流电与直流电之间的转换有以下四种情况: 整流电路：整流电路的作用是将交流电变为直流电供给直流用电设备。按组成器件可分为不可控、半控、全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路： 按交流输入相数可分为单相电路和多相电路，按变压器二次电流的方向又可分为单拍电路和双拍电路。典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单向桥式全控整流电路、单相全波整流电路及单相桥式半控整流电路等。三相整流电路用于整流负载容量较大或要求直流电压脉冲较小易滤波的场合，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等。 逆变电路：逆变电路是把直流电变为交流电。当交流侧接上电网，即交流侧接有电源时称有源逆变，当交流侧直接和负载连接时称无源逆变。逆变电路应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电，当需要这些电源向交流负载供电时就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源等装置的核心部分也是逆变电路。 直流直流变流电路：也叫斩波电路。直流直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定的电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直流斩波电路的种类包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。斩波电路广泛应用于地铁列车、无轨电车、电动车中的无级变速和控制，并且具有加速平稳、快速响应的性能，并同时还有节约电能的作用。 交流交流变流电路：交流交流变流电路是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。交流交流变流电路中只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。该技术的发展使现代电子技术不断向高频化发展, 使其性能更加完善可靠,为用电设备的高效节能节材，实现小型轻量化。2.电力电子在电力系统中的应用 电力电子技术在电力系统领域中有着非常广泛和重要的应用。在发达国家有60%以上的电能至少经过一次以上的电力电子变流装置进行处理。直流输电在长距离、大容量输电中有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都使用晶闸管变流装置。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬间停电、瞬间电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。(一)在发电环节中的应用 电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。 （1）大型发电机的静止励磁控制 静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。 （2）水力、风力发电机的变速恒频励磁 水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速便随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。 （3）发电厂风机水泵的变频调速 发电厂的厂用电率平均为8，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。 (二)在输电环节中的应用 电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。 （1）直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDC Light)技术 直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。 （2）柔性交流输电(FACTS)技术 FACTS技术的概念问世干20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。 20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FA CTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。 (三)在配电环节中的应用 配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(custom Power)技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。 (四)在节能环节的运用 （1）变负荷电动机调速运行 电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。 变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。 （2）减少无功损耗，提高功率因数 在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。3.电力电子技术的发展趋势 进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说，当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的IPM智能化功率模块的主要特点是 ： （1）它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。 （2）其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。 （3）在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。 （4）自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施