電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用課件

1、電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用第1頁，共28頁。1.電力電子對電力系統(tǒng)變革影響2.電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用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80年代初初期直流電網住戶式供電系統(tǒng)升壓難度大規(guī)模小19世紀80年代末交流系統(tǒng) 規(guī)模大、層次復雜 實時性高潮流由系統(tǒng)阻抗決定 負荷電能質量調節(jié)差. 20世紀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 經濟節(jié)能 至今Your text多相交流電路原理電力電子技術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.電力電子技術演變歷程常規(guī)電力電子技術柔性電力

2、電子技術變流器超高壓直流輸電變頻器功率開關多重化單相橋式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度運行降低成本減小換流器大小及重量第4頁，共28頁。1.3.電力電子技術應用領域第5頁，共28頁。發(fā)電機勵磁可控硅控制的串聯(lián)電容器有源濾波器風力發(fā)電太陽能發(fā)電高壓直流輸電電動汽車充電LED無功補償裝置柔性交流輸電直流輸電靜止同步補償器統(tǒng)一潮流控制器2.電力電子在電力系統(tǒng)中的應用第6頁，共28頁。(1)(2)(3)(4)電力電子技術在發(fā)電環(huán)節(jié)的應用電力

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

4、電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應用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成。 對大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，無論其構成方式是并網還是獨立，都需要進行交直流電轉換，因此往往在光伏控制系統(tǒng)中加入逆變器，利用其強大追蹤功能實現(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)的應用1.3發(fā)電機組勵磁大型發(fā)電機組應用靜止勵磁技術 當前使用的靜止勵磁具有價格經濟、結構簡單、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，主要采用晶閘管整流自并勵方式展開工作，已廣泛運用于各大電力系統(tǒng)中?？晒?jié)省傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的勵磁機，實現(xiàn)快速調節(jié)。第10頁，共28頁。(1).電力電子在發(fā)電

5、環(huán)節(jié)的應用1.3發(fā)電機組勵磁水力和風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁 水力發(fā)電機組應用交流勵磁技術，通過對勵磁電流頻率的動態(tài)調整，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)對水頭壓力和水流量動態(tài)變化的快速調節(jié)，改善了發(fā)電品質，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)的應用1.3發(fā)電機組勵磁汽輪發(fā)電機組中的自勵勵磁系統(tǒng) 目前，國內自勵勵磁系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機組中已獲得了廣泛的應用。由于自勵勵磁系統(tǒng)接線簡單，維護方便，并具有固有的高起始的快速響應特性，故在應用上充分顯示出其優(yōu)越性能。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用上海汽輪發(fā)電機有限公司成套提供的由ABB公司生產的Q5S-0/U251-S6000型發(fā)電機靜止自并勵勵磁系統(tǒng)。主要由機

6、端勵磁變壓器、可控硅整流裝置、自動電壓調節(jié)器(AVR)、滅磁與過電壓保護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。 目前國內外有關 MMC 的應用研究主要集中在HVDC 輸電領域，包括 Siemens、Alstom、ABB 和中國電力科學研究院等在內的國內外公司對基于MMC 技術的 HVDC 輸電系統(tǒng)工程進行了成功的商業(yè)化

7、推廣。第13頁，共28頁。2.2FACTS技術 柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）：是綜合電力電子技術、微處理和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術。 目前，在我國部分高等院校、電力生產和設計部門及一些電氣設備制造廠家都已開始FACTSA技術方面的規(guī)劃和研究試制工作。如在 靜止無功補償器（ 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)的應用可控串聯(lián)電容補償器（ TCSC）第14頁，共28頁。(3).電力電子在配電環(huán)節(jié)的應用 在配電環(huán)節(jié)中，有效地控制是確保電能質

8、量的關鍵。電能質量的控制需要 在配電過程中對于頻率、諧波、電壓等要求進行有效地滿足，并且對干擾和瞬態(tài)波動問題的干擾進行避免?，F(xiàn)階段，電力電子技術應用的過程中，基于 DFACTS 的電能質量調節(jié)裝置的應用，可以有效地對電能質量進行保證。隨著柔性交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，配電質量的控制方式得到了豐富和進一步的發(fā)展。DFACTS 技術可以被視為縮小版的 FACTS 設備技術，二者工作原理性能、結構、功能都存在一定的相似性。隨著電力電子器件不斷發(fā)展，市場上電氣設備出現(xiàn)求過于供的現(xiàn)象，DFACTS 設備市場前景廣闊，市場需求量。DFACTS 設備市場介入相對容易。而且該設備的成本投入比較少，技術開發(fā)比較

9、簡單。隨著市場不斷發(fā)展，DFACTS 設備產品將進入高速發(fā)展狀態(tài)。3.配電環(huán)節(jié)的應用第15頁，共28頁。(4).電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應用4.1 減少無功損耗，提高功率因素電氣設備運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)中無功電源未達到平衡將會導致系統(tǒng)電壓下降，并由此直接導致功率因數(shù)下降，設備因此遭受損壞，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，因此需增加無功補償設備設施，當電力系統(tǒng)無功功率容量存在不足時便自動補償

10、，以此提升設備功率。 隨著電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了更多應用于增強電網穩(wěn)定性和電能質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電能質量無功補償： 采用動態(tài)無功補償器對抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)定、解決負荷電壓閃變和不平衡等問題有重要作用。鏈式靜止同步補償器（STATCOM）可以實現(xiàn)獨立分相補償和模塊化冗余設計，與靜止無功補償器（SVC）相比，具有無功功率連續(xù)可調、總諧波畸變

11、率小、響應速度快、效率與可靠性高、易于擴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和脈寬調制技術，降低變流裝置注入電網的諧波。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)一電能質量調節(jié)器（UPQC）等在諧波源外部進行動態(tài)諧波治理，可以減少網側電流諧波含量，提高電力設備效率和利用率。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)的生產中斷、設備損壞和產品報廢。動態(tài)電壓恢復器（DVR）是一種基于電壓源逆變技術的串聯(lián)型電能質量控制器，可以動態(tài)補償正序、負序和零序電壓，抑制不

12、平衡的電壓暫降。目前，采用從電網提取能量、無串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動態(tài)電壓恢復器的發(fā)展方向。(4).電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應用第17頁，共28頁。2016年3月10日，日本東京訊全球領先的半導體解決方案供應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）的六款新產品，其可將用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的功率調節(jié)器中的轉換損耗降至最低，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的高溫下運行（4）TO-247plus離散封裝類型中首個帶內置二極管的1250 V IGBT，可用于額定功率為100C的75A電流環(huán)3.電力電子技術的發(fā)展趨勢第18頁，共28頁。3.電力電子技術的發(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、標準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）隨著電力電子技術應用的不斷發(fā)展，對電力電子器件性能指標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、更快的開關時間，而對于航天和軍事應用，還要求有更強的抗輻射能力

14、和抗振動沖擊能力。特別是航天、航空、艦船、輸變電、機車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應用領域，以上要求更為迫切。（2）未來幾年中，盡管以硅為半導體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨于成熟，但是各種新結構和新工藝的引入，仍可使其性能得到進一步提高和改善，Coolmos、各種改進型IGBT和IGCT均有相當?shù)纳透偁幜?。?）電力電子器件的智能化應用也在不斷研究中取得了實質成果。一些國外制造企業(yè)已經開發(fā)出了相應的IPM智能化功率模塊，結構簡單、功能齊全、運行可靠性高，并具有自診斷和保護的功能。（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的將來實現(xiàn)商品化第20頁，共28頁。

15、3.電力電子技術在新能源汽車中的應用新能源汽車三大核心技術：整車控制器(VCU)、電機控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力性、經濟性、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)故障診斷保護與存儲功能。第21頁，共28頁。3.電力電子技術在新能源汽車中的應用

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，控制電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實現(xiàn)把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。同時，MCU具有電機系統(tǒng)故障診斷保護和存儲功能。第22頁，共28頁。3.電力電子技術在新能源汽車中的應用 電池包主體。模塊化的結構設計實現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優(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)網全景展望圖第24頁，共28頁。3.電力電子技術對能源互聯(lián)網的支撐電網運行安全關鍵技術支撐 建設調相機解決無功與電壓問題支撐 建設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突破 特殊環(huán)境下特高壓核心裝備制造及應用突破 交流半波長輸電技術突破 適應復雜電網結構和大規(guī)模清潔能源接入的先進控制保護技術突破 風電、光伏等清潔能源發(fā)電自同步技術高端裝備器件1.高壓大直流壓接型IGBT、SiC混合模塊等核心器件設備技術，以具備支撐