電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用課件

1、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第1頁，共28頁。1.電力電子對電力系統(tǒng)變革影響2.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用3.電力電子和電力系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢大綱第2頁，共28頁。19世紀(jì)80年代初初期直流電網(wǎng)住戶式供電系統(tǒng)升壓難度大規(guī)模小19世紀(jì)80年代末交流系統(tǒng) 規(guī)模大、層次復(fù)雜 實時性高潮流由系統(tǒng)阻抗決定 負(fù)荷電能質(zhì)量調(diào)節(jié)差. 20世紀(jì)中期新型交直流系統(tǒng)交直流混聯(lián)系統(tǒng) 潮流可控、安全穩(wěn)定方式多樣、電能可控 經(jīng)濟(jì)節(jié)能 至今Your text多相交流電路原理電力電子技術(shù)汞弧換流閥晶閘管換流器柔性直流輸電換流閥1.1.電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程第3頁，共28頁。1.2.電力電子技術(shù)演變歷程常規(guī)電力電子技術(shù)柔性電力

2、電子技術(shù)變流器超高壓直流輸電變頻器功率開關(guān)多重化單相橋式MMCH橋級聯(lián)直接串聯(lián)三相全橋三相半橋單元串聯(lián)定制電力技術(shù)柔性直流輸電柔性交流輸電不控器件二極管 全控器件（IGBT、IECT等）半控器件晶閘管減少通態(tài)損耗提升效率提升可靠性降低諧波污染靈活調(diào)度運(yùn)行降低成本減小換流器大小及重量第4頁，共28頁。1.3.電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域第5頁，共28頁。發(fā)電機(jī)勵磁可控硅控制的串聯(lián)電容器有源濾波器風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電高壓直流輸電電動汽車充電LED無功補(bǔ)償裝置柔性交流輸電直流輸電靜止同步補(bǔ)償器統(tǒng)一潮流控制器2.電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第6頁，共28頁。(1)(2)(3)(4)電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用電力

3、電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用電力電子技術(shù)在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用2.電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第7頁，共28頁。(1).電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 電子電力技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用的根本目的是改善電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)設(shè)備運(yùn)行效率。電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)設(shè)備主要包括各種型號發(fā)電機(jī)、發(fā)電用水泵及風(fēng)機(jī)、太陽能控制系統(tǒng)等。1.1 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速 當(dāng)前對發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵實現(xiàn)變頻控制一般采用高壓或低壓變頻器，其中低壓變頻已經(jīng)發(fā)展成熟，市場上已經(jīng)由較多型號低壓變頻產(chǎn)品。高壓變頻仍舊處于發(fā)展中，一些高端技術(shù)問題仍有待克服。圖1.1b.風(fēng)機(jī)水泵專用型變頻器圖1.1a.風(fēng)機(jī)水泵第8頁，共28頁。(1).電力

4、電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用1.2 光伏電站 大型光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波器和升壓變壓器構(gòu)成。 對大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，無論其構(gòu)成方式是并網(wǎng)還是獨立，都需要進(jìn)行交直流電轉(zhuǎn)換，因此往往在光伏控制系統(tǒng)中加入逆變器，利用其強(qiáng)大追蹤功能實現(xiàn)對光伏控制系統(tǒng)的控制工作。圖1.2.光伏逆變器第9頁，共28頁。(1).電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用1.3發(fā)電機(jī)組勵磁大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用靜止勵磁技術(shù) 當(dāng)前使用的靜止勵磁具有價格經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，主要采用晶閘管整流自并勵方式展開工作，已廣泛運(yùn)用于各大電力系統(tǒng)中。可節(jié)省傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的勵磁機(jī)，實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。第10頁，共28頁。(1).電力電子在發(fā)電

5、環(huán)節(jié)的應(yīng)用1.3發(fā)電機(jī)組勵磁水力和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵磁 水力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用交流勵磁技術(shù)，通過對勵磁電流頻率的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)對水頭壓力和水流量動態(tài)變化的快速調(diào)節(jié)，改善了發(fā)電品質(zhì)，提升了發(fā)電效率。第11頁，共28頁。(1).電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用1.3發(fā)電機(jī)組勵磁汽輪發(fā)電機(jī)組中的自勵勵磁系統(tǒng) 目前，國內(nèi)自勵勵磁系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)組中已獲得了廣泛的應(yīng)用。由于自勵勵磁系統(tǒng)接線簡單，維護(hù)方便，并具有固有的高起始的快速響應(yīng)特性，故在應(yīng)用上充分顯示出其優(yōu)越性能。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司成套提供的由ABB公司生產(chǎn)的Q5S-0/U251-S6000型發(fā)電機(jī)靜止自并勵勵磁系統(tǒng)。主要由機(jī)

6、端勵磁變壓器、可控硅整流裝置、自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)、滅磁與過電壓保護(hù)裝置和啟勵裝置等組成。第12頁，共28頁。(2).電力電子在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用2.1 直流輸電 直流輸電包括常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電。常規(guī)直流輸電采用基于晶閘管的換流器；柔性直流輸電采用基于全控器件的換流器。兩者比較模塊化多電平換流器(modular multilevelconverter，MMC)近年來受到了廣泛研。 目前國內(nèi)外有關(guān) MMC 的應(yīng)用研究主要集中在HVDC 輸電領(lǐng)域，包括 Siemens、Alstom、ABB 和中國電力科學(xué)研究院等在內(nèi)的國內(nèi)外公司對基于MMC 技術(shù)的 HVDC 輸電系統(tǒng)工程進(jìn)行了成功的商業(yè)化

7、推廣。第13頁，共28頁。2.2FACTS技術(shù) 柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）：是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。 目前，在我國部分高等院校、電力生產(chǎn)和設(shè)計部門及一些電氣設(shè)備制造廠家都已開始FACTSA技術(shù)方面的規(guī)劃和研究試制工作。如在 靜止無功補(bǔ)償器（ SVC）、 靜止無功發(fā)生器（SVG）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）和可控串聯(lián)電容補(bǔ)償器（ TCSC）等方面均已有較深入的研究。(2).電力電子在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用可控串聯(lián)電容補(bǔ)償器（ TCSC）第14頁，共28頁。(3).電力電子在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 在配電環(huán)節(jié)中，有效地控制是確保電能質(zhì)

8、量的關(guān)鍵。電能質(zhì)量的控制需要 在配電過程中對于頻率、諧波、電壓等要求進(jìn)行有效地滿足，并且對干擾和瞬態(tài)波動問題的干擾進(jìn)行避免。現(xiàn)階段，電力電子技術(shù)應(yīng)用的過程中，基于 DFACTS 的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用，可以有效地對電能質(zhì)量進(jìn)行保證。隨著柔性交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，配電質(zhì)量的控制方式得到了豐富和進(jìn)一步的發(fā)展。DFACTS 技術(shù)可以被視為縮小版的 FACTS 設(shè)備技術(shù)，二者工作原理性能、結(jié)構(gòu)、功能都存在一定的相似性。隨著電力電子器件不斷發(fā)展，市場上電氣設(shè)備出現(xiàn)求過于供的現(xiàn)象，DFACTS 設(shè)備市場前景廣闊，市場需求量。DFACTS 設(shè)備市場介入相對容易。而且該設(shè)備的成本投入比較少，技術(shù)開發(fā)比較

9、簡單。隨著市場不斷發(fā)展，DFACTS 設(shè)備產(chǎn)品將進(jìn)入高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。3.配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用第15頁，共28頁。(4).電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用4.1 減少無功損耗，提高功率因素電氣設(shè)備運(yùn)行過程中既消耗有功功率，又消耗無功功率，由此可見，無功功率在功能性方面與有工功率類似，因此無功電源和有功電源相似，提升無功功率工作效率能夠從根本上提升電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)中減少無功損耗具有重要意義，倘若電力系統(tǒng)中無功電源未達(dá)到平衡將會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，并由此直接導(dǎo)致功率因數(shù)下降，設(shè)備因此遭受損壞，并可能出現(xiàn)更大范圍的停電事故，影響人們正常生活、生產(chǎn)，因此需增加無功補(bǔ)償設(shè)備設(shè)施，當(dāng)電力系統(tǒng)無功功率容量存在不足時便自動補(bǔ)償

10、，以此提升設(shè)備功率。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更多應(yīng)用于增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量問題治理的功率變換裝置，比如用于輸電等級的靜止同步補(bǔ)償器(static-synchronous-compensator，STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(unified-power-factor-controller，UPFC)等。第16頁，共28頁。4.2電能質(zhì)量無功補(bǔ)償： 采用動態(tài)無功補(bǔ)償器對抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)定、解決負(fù)荷電壓閃變和不平衡等問題有重要作用。鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器（STATCOM）可以實現(xiàn)獨立分相補(bǔ)償和模塊化冗余設(shè)計，與靜止無功補(bǔ)償器（SVC）相比，具有無功功率連續(xù)可調(diào)、總諧波畸變

11、率小、響應(yīng)速度快、效率與可靠性高、易于擴(kuò)展和占地面積小等優(yōu)點。諧波治理: 諧波治理分為從諧波源本身出發(fā)抑制諧波的主動諧波治理和增加額外諧波治理裝置的被動諧波治理。主動諧波治理采用多重化技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)，降低變流裝置注入電網(wǎng)的諧波。被動諧波治理采用混合型、級聯(lián)型有源電力濾波器（APF）和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）等在諧波源外部進(jìn)行動態(tài)諧波治理，可以減少網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，提高電力設(shè)備效率和利用率。電壓暫降抑制: 在中低壓電力系統(tǒng)中，電壓暫降可引起企業(yè)的生產(chǎn)中斷、設(shè)備損壞和產(chǎn)品報廢。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是一種基于電壓源逆變技術(shù)的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器，可以動態(tài)補(bǔ)償正序、負(fù)序和零序電壓，抑制不

12、平衡的電壓暫降。目前，采用從電網(wǎng)提取能量、無串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動態(tài)電壓恢復(fù)器的發(fā)展方向。(4).電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用第17頁，共28頁。2016年3月10日，日本東京訊全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社（TSE：6723），于今日宣布推出第八代G8H系列絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的六款新產(chǎn)品，其可將用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器中的轉(zhuǎn)換損耗降至最低，并減少不間斷電源（UPS）系統(tǒng)中的逆變器應(yīng)用新型第八代IGBT的主要特點包括：（1）切換更快，具有業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗特性，是反相電路的理想選擇（2）得益于低開關(guān)噪聲，無需安裝外部柵極電阻（3）TO-247封裝具有優(yōu)異

13、的散熱性；可確保在175的高溫下運(yùn)行（4）TO-247plus離散封裝類型中首個帶內(nèi)置二極管的1250 V IGBT，可用于額定功率為100C的75A電流環(huán)3.電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢第18頁，共28頁。3.電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢第19頁，共28頁。3.電力電子器件的發(fā)展趨勢高頻化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化和智能化是電力電子器件未來的主要發(fā)展方向。（1）隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，對電力電子器件性能指標(biāo)和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言，要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強(qiáng)的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態(tài)壓降、更快的開關(guān)時間，而對于航天和軍事應(yīng)用，還要求有更強(qiáng)的抗輻射能力

14、和抗振動沖擊能力。特別是航天、航空、艦船、輸變電、機(jī)車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域，以上要求更為迫切。（2）未來幾年中，盡管以硅為半導(dǎo)體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨于成熟，但是各種新結(jié)構(gòu)和新工藝的引入，仍可使其性能得到進(jìn)一步提高和改善，Coolmos、各種改進(jìn)型IGBT和IGCT均有相當(dāng)?shù)纳透偁幜?。?）電力電子器件的智能化應(yīng)用也在不斷研究中取得了實質(zhì)成果。一些國外制造企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的IPM智能化功率模塊，結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、運(yùn)行可靠性高，并具有自診斷和保護(hù)的功能。（4）新型高頻器件碳化硅和氮化鎵器件正在迅速發(fā)展，一些器件有望在不遠(yuǎn)的將來實現(xiàn)商品化第20頁，共28頁。

15、3.電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用新能源汽車三大核心技術(shù)：整車控制器(VCU)、電機(jī)控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS)是最重要的核心技術(shù)，對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響 VCU是實現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理后，向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時控制車載附件電力系統(tǒng)的工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲功能。第21頁，共28頁。3.電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用

16、 MCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過接收VCU的車輛行駛控制指令，控制電動機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動車輛行駛。實現(xiàn)把動力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時，MCU具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲功能。第22頁，共28頁。3.電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用 電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設(shè)計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實現(xiàn)了控制系統(tǒng)對電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。第23頁，共28頁。3.能源互聯(lián)網(wǎng)全景展望圖第24頁，共28頁。3.電力電子技術(shù)對能源互聯(lián)網(wǎng)的支撐電網(wǎng)運(yùn)行安全關(guān)鍵技術(shù)支撐 建設(shè)調(diào)相機(jī)解決無功與電壓問題支撐 建設(shè)抽蓄電站解決有功與頻率問題突破 跨洲際互聯(lián)的特高壓輸變電技術(shù)突破 特殊環(huán)境下特高壓核心裝備制造及應(yīng)用突破 交流半波長輸電技術(shù)突破 適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和大規(guī)模清潔能源接入的先進(jìn)控制保護(hù)技術(shù)突破 風(fēng)電、光伏等清潔能源發(fā)電自同步技術(shù)高端裝備器件1.高壓大直流壓接型IGBT、SiC混合模塊等核心器件設(shè)備技術(shù)，以具備支撐