电力电子技术在电力系统中的应用

1、电力电子技术在电力系统中的应用,1.,电力电子对电力系统变革影响,2.,电力电子技术在电力系统中的应用,3.,电力电子和电力系统中的发展趋势,大纲,19世纪80年代初,初期直流电网,住户式供电系统 升压难度大 规模小,19世纪80年代末,交流系统,规模大、层次复杂 实时性高 潮流由系统阻抗决定 负荷电能质量调节差.,20世纪中期,新型交直流系统,交直流混联系统 潮流可控、安全稳定 方式多样、电能可控 经济节能,至今,Your text,多相交流电路原理,电力电子技术,汞弧换流阀,晶闸管换流器,柔性直流输电换流阀,1.1.电力系统的发展历程,1.2.电力电子技术演变历程,常规电力电子技术,柔性电

2、力电子技术,变流器,超高压直流输电,变频器,功率开关,多重化,单相桥式,MMC,H桥级联,直接串联,三相全桥,三相半桥,单元串联,定制电力技术,柔性直流输电,柔性交流输电,不控器件二极管,全控器件 （IGBT、IECT等）,半控器件晶闸管,减少通态损耗提升效率,提升可靠性,降低谐波污染,灵活调度运行,降低成本,减小换流器大小及重量,1.3.电力电子技术应用领域,发电机励磁,可控硅控制的串联电容器,有源滤波器,风力发电,太阳能发电,高压直流输电,电动汽车充电,LED,无功补偿装置,柔性交流输电,直流输电,静止同步补偿器,统一潮流控制器,2.电力电子在电力系统中的应用,(1),(2),(3),(4

3、),电力电子技术在发电环节的应用,电力电子技术在输电环节的应用,电力电子技术在配电环节的应用,电力电子技术在节能环节的应用,2.电力电子在电力系统中的应用,(1).电力电子在发电环节的应用,电子电力技术在发电环节应用的根本目的是改善电力系统发电环节设备运行效率。电力系统发电环节设备主要包括各种型号发电机、发电用水泵及风机、太阳能控制系统等。,1.1 发电厂风机水泵的变频调速,当前对发电厂风机水泵实现变频控制一般采用高压或低压变频器，其中低压变频已经发展成熟，市场上已经由较多型号低压变频产品。高压变频仍旧处于发展中，一些高端技术问题仍有待克服。,图1.1b.风机水泵专用型变频器,图1.1a.风机

4、水泵,(1).电力电子在发电环节的应用,1.2 光伏电站,大型光伏电站由光伏阵列组 件、汇流器、逆变器组、滤波器和升压变压器构成。 对大功率光伏发电系统而言，无论其构成方式是并网还是独立，都需要进行交直流电转换，因此往往在光伏控制系统中加入逆变器，利用其强大追踪功能实现对光伏控制系统的控制工作。,图1.2.光伏逆变器,(1).电力电子在发电环节的应用,1.3发电机组励磁,大型发电机组应用静止励磁技术 当前使用的静止励磁具有价格经济、结构简单、稳定性强等优点，主要采用晶闸管整流自并励方式展开工作，已广泛运用于各大电力系统中。可节省传统电力系统的励磁机，实现快速调节。,(1).电力电子在发电环节的

5、应用,1.3发电机组励磁,水力和风力发电机的变速恒频励磁 水力发电机组应用交流励磁技术，通过对励磁电流频率的动态调整，实现了发电系统对水头压力和水流量动态变化的快速调节，改善了发电品质，提升了发电效率。,(1).电力电子在发电环节的应用,1.3发电机组励磁,汽轮发电机组中的自励励磁系统 目前，国内自励励磁系统在汽轮发电机组中已获得了广泛的应用。由于自励励磁系统接线简单，维护方便，并具有固有的高起始的快速响应特性，故在应用上充分显示出其优越性能。发电机励磁系统采用上海汽轮发电机有限公司成套提供的由ABB公司生产的Q5S-0/U251-S6000型发电机静止自并励励磁系统。主要由机端励磁变压器、可

6、控硅整流装置、自动电压调节器(AVR)、灭磁与过电压保护装置和启励装置等组成。,(2).电力电子在输电环节的应用,2.1 直流输电,直流输电包括常规直流输电和柔性直流输电。常规直流输电采用基于晶闸管的换流器；柔性直流输电采用基于全控器件的换流器。,两者比较,模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)近年来受到了广泛研。 目前国内外有关 MMC 的应用研究主要集中在HVDC 输电领域，包括 Siemens、Alstom、ABB 和中国电力科学研究院等在内的国内外公司对基于MMC 技术的 HVDC 输电系统工程进行了成功的商业化推广。,2.2FACTS技术

7、,柔性交流输电系统（FACTS）：是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。 目前，在我国部分高等院校、电力生产和设计部门及一些电气设备制造厂家都已开始FACTSA技术方面的规划和研究试制工作。如在 静止无功补偿器（ SVC）、 静止无功发生器（SVG）、统一潮流控制器（UPFC）和可控串联电容补偿器（ TCSC）等方面均已有较深入的研究。,(2).电力电子在输电环节的应用,可控串联电容补偿器（ TCSC）,(3).电力电子在配电环节的应用,在配电环节中，有效地控制是确保电能质量的关键。电能质量的控制需要 在配电过程中对于频率、谐波、电

8、压等要求进行有效地满足，并且对干扰和瞬态波动问题的干扰进行避免。现阶段，电力电子技术应用的过程中，基于 DFACTS 的电能质量调节装置的应用，可以有效地对电能质量进行保证。随着柔性交流输电系统的发展和成熟，配电质量的控制方式得到了丰富和进一步 的发展。DFACTS 技术可以被视为缩小版的 FACTS 设备技术，二者工作原理性能、结构、功能都存在一定的相似性。随着电力电子器件不断发展，市场上电气设备出现求过于供的现象，DFACTS 设备市场前景广阔，市场需求量。DFACTS 设备市场介入相对容易。而且该设备的成本投入比较少，技术开发比较简单。随着市场不断发展，DFACTS 设备产品将进入高速发

9、展状态。,3.配电环节的应用,(4).电力电子在节能环节的应用,4.1 减少无功损耗，提高功率因素,电气设备运行过程中既消耗有功功率，又消耗无功功率，由此可见，无功功率在功能性方面与有工功率类似，因此无功电源和有功电源相似，提升无功功率工作效率能够从根本上提升电能质量。电力系统中减少无功损耗具有重要意义，倘若电力系统中无功电源未达到平衡将会导致系统电压下降，并由此直接导致功率因数下降，设备因此遭受损坏，并可能出现更大范围的停电事故，影响人们正常生活、生产，因此需增加无功补偿设备设施，当电力系统无功功率容量存在不足时便自动补偿，以此提升设备功率。,随着电力电子技术的发展，出现了更多应用于增强电网

10、稳定性和电能质量问题治理的功率变换装置，比如用于输电等级的静止同步补偿器(static-synchronous-compensator，STATCOM)、统一潮流控制器(unified-power-factor-controller，UPFC)等。,4.2电能质量,无功补偿： 采用动态无功补偿器对抑制系统功率振荡、保持母线电压稳定、解决负荷电压闪变和不平衡等问题有重要作用。链式静止同步补偿器（STATCOM）可以实现独立分相补偿和模块化冗余设计，与静止无功补偿器（SVC）相比，具有无功功率连续可调、总谐波畸变率小、响应速度快、效率与可靠性高、易于扩展和占地面积小等优点。 谐波治理: 谐波治理分

11、为从谐波源本身出发抑制谐波的主动谐波治理和增加额外谐波治理装置的被动谐波治理。主动谐波治理采用多重化技术和脉宽调制技术，降低变流装置注入电网的谐波。被动谐波治理采用混合型、级联型有源电力滤波器（APF）和统一电能质量调节器（UPQC）等在谐波源外部进行动态谐波治理，可以减少网侧电流谐波含量，提高电力设备效率和利用率。 电压暂降抑制: 在中低压电力系统中，电压暂降可引起企业的生产中断、设备损坏和产品报废。动态电压恢复器（DVR）是一种基于电压源逆变技术的串联型电能质量控制器，可以动态补偿正序、负序和零序电压，抑制不平衡的电压暂降。目前，采用从电网提取能量、无串联变压器的多电平逆变器方案是动态电压

12、恢复器的发展方向。,(4).电力电子在节能环节的应用,2016年3月10日，日本东京讯全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社（TSE：6723），于今日宣布推出第八代G8H系列绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的六款新产品，其可将用于太阳能发电系统的功率调节器中的转换损耗降至最低，并减少不间断电源（UPS）系统中的逆变器应用,新型第八代IGBT的主要特点包括： （1）切换更快，具有业界领先的超低功耗特性，是反相电路的理想选择 （2）得益于低开关噪声，无需安装外部栅极电阻 （3）TO-247封装具有优异的散热性；可确保在175的高温下运行 （4）TO-247plus离散封装类型中首个带内置二

13、极管的1250 V IGBT，可用于额定功率为100C的75A电流环,3.电力电子技术的发展趋势,3.电力电子技术的发展趋势,3.电力电子器件的发展趋势,高频化、集成化、标准模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方向。,（1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的应用领域，以上要求更为迫切。 （2）未

14、来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高和改善，Coolmos、各种改进型IGBT和IGCT均有相当的生命力和竞争力。 （3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的IPM智能化功率模块，结构简单、功能齐全、运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。 （4）新型高频器件碳化硅和氮化镓器件正在迅速发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化,3.电力电子技术在新能源汽车中的应用,新能源汽车三大核心技术：整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统(BMS)是

15、最重要的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响,VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过监测车辆状态(车速、温度等)信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。,3.电力电子技术在新能源汽车中的应用,MCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电

16、能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能。,3.电力电子技术在新能源汽车中的应用,电池包主体。模块化的结构设计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。,3.能源互联网全景展望图,3.电力电子技术对能源互联网的支撑,电网运行安全关键技术 支撑 建设调相机解决无功与电压问题 支撑 建设抽蓄电站解决有功与频率问题 突破 跨洲际互联的特高压输变电技术 突破 特殊环境下特高压核心装备制造及应用 突破 交流半波长输电技术 突破 适应复杂电网结构和大规模清洁能源接入的先进控制保护技术 突破 风电、光伏等清洁能源发电自同步技术,高端装备器件 1.高压大直流压接型IGB