電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

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山東科技學(xué)院畢

業(yè)

論

文

論文題目電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用姓名所學(xué)專業(yè)________________

_班

級_____________________學(xué)

號_________________

指導(dǎo)教師___________________

完成時間_________2012年_3月8日

摘要：電力電子技術(shù)是目前發(fā)展較為迅速的一門學(xué)科,是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要基礎(chǔ)技術(shù)之一,是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改革的重要手段。電力電子技術(shù)是一個以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺。文中概速性地介紹電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的各類應(yīng)用，重點在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用。關(guān)鍵詞：直流輸電；電力電子；發(fā)電機.-.第一章前言 1第二章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 22.1在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用 22.1.1大型發(fā)電機的靜止勵磁控制 22.1.2水力、風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁 22.1.3發(fā)電廠風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速 22.1.4太陽能發(fā)電控制系統(tǒng) 22.2在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用 32.2.1直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)技術(shù) 32.2.2柔性交流輸電(FACTS)技術(shù) 32.2.3高壓直流輸電技術(shù)（HVDC） 42.2.4靜止無功補償器（SVC） 42.3在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用 42.4在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用 52.4.1變負(fù)荷電動機調(diào)速運行 52.4.2減少無功損耗，提高功率因數(shù) 52.5其它應(yīng)用 52.5.1同步開斷技術(shù) 52.5.2直流電源 52.5.3不間斷電源（UPS）和各種AC—DC、DC—AC開關(guān)電源 62.5.4各種頻率的全固態(tài)化交流電源 6第三章結(jié)論 7參考文獻(xiàn) 8.-.第一章前言電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù),它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)可以理解為功率強大,可供諸如電力系統(tǒng)那樣大的電流、高電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù),它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比,其特殊之處不僅僅是因為它能夠通過大電流和承受高電壓,而且要考慮在大功率情況下,器件發(fā)熱、運行效率的問題。電力電子技術(shù)是一個以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電(HVDC)。自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用。第二章電力電子技術(shù)的應(yīng)用自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。2.1在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運行特性為主要目的。2.1.1大型發(fā)電機的靜止勵磁控制靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。2.1.2水力、風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)水頭的變化幅度較大時(尤其是抽水蓄能機組)，機組的最佳轉(zhuǎn)速便隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。2.1.3發(fā)電廠風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速發(fā)電廠的廠用電率平均為8％，風(fēng)機水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65％，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。2.1.4太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)開發(fā)利用無窮盡的潔凈新能源—太陽能，是調(diào)整未來能源結(jié)構(gòu)的一項重要戰(zhàn)略措施。大功率太陽能發(fā)電，無論是獨立系統(tǒng)還是并網(wǎng)系統(tǒng)，通常需要太陽能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所以具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統(tǒng)的核心。日本實施的陽光計劃以3-4KW的用戶并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為主，我國實施的送電到鄉(xiāng)工程則以10-15KW的獨立系統(tǒng)居多，而大型系統(tǒng)有在美國加州的西門子太陽能發(fā)電廠（7.2MW）等。2.2在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性。2.2.1直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)技術(shù)直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。2.2.2柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)FACTS技術(shù)的概念問世干20世紀(jì)80年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。近年來在世界上發(fā)展迅速。柔性交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)（如線路阻抗）、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負(fù)荷調(diào)變壓器抽頭、開關(guān)投切電容和電感、固定串聯(lián)補償裝置等，只能實現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機械開關(guān)動作時間長、響應(yīng)慢，無法適應(yīng)在暫態(tài)過程中快速柔性連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)發(fā)展的需求促進了柔性交流輸電這項新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。到目前，F(xiàn)ACTS控制器已有數(shù)十種，按其安裝位置可分為發(fā)電型、輸電型和供電型3大類，但共同的功能都是通過快速、精確、有效地控制電力系統(tǒng)中一個或幾個變量（如電壓、功率、阻抗、短路電流、勵磁電流等），從而增強交流輸電或電網(wǎng)的運行性能。已應(yīng)用的FACTS控制器有靜止無功補償器（SVC）、靜止調(diào)相機（STATCON）、靜止快速勵磁器（PSS）、串聯(lián)補償器（SSSC）等。20世紀(jì)90年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。近年來，柔性交流輸電技術(shù)已經(jīng)在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應(yīng)用。國內(nèi)也對FACTS進行了深入的研究和開發(fā)，每年都有數(shù)篇論文發(fā)表，但是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的FACTS設(shè)備只有清華大學(xué)和河南省電力公司聯(lián)合開發(fā)的±20Mvar新型靜止無功發(fā)生器（ASVG）。2.2.3高壓直流輸電技術(shù)（HVDC）1970年世界上第一項晶閘管換流閥試驗工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧閥換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。新一代HVDC技術(shù)采用GTO、IGBT等可關(guān)斷器件，以及脈寬調(diào)制（PWM）等技術(shù)。省去了換流變壓器，整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力。此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，由于采用了可關(guān)斷的電力電子器件，可避免換相失敗，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)（海上石油平臺、海島）供電，今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。目前，全球已建成的直流輸電工程超過60項，其中具有代表性的工程有：1．天生橋—廣州直流輸電工程（2001年）±500kV，1800MW，980km

2．三峽—常州直流輸電工程（2003年）±500kV，3000MW，890km

3．三峽—廣州直流輸電工程（2004年）±500kV，3000MW，962km近年來，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點送電的問題。同時大幅度簡化設(shè)備，降低造價。世界上第一個采用IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗工程于1997年投入運行。2.2.4靜止無功補償器（SVC）SVC是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開關(guān)替代了電氣開關(guān)，實現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。SVC可以有不同的回路結(jié)構(gòu)，按控制的對象及控制的方式不同分別稱之為晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管投切電抗器（TSR）或晶閘管控制電抗器（TCR）。我國輸電系統(tǒng)五個500kV變電站用的SVC容量在105～170Mvar，均為進口設(shè)備，型式為TCR加TSC或機械投切電容器組。國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，容量在10～55Mvar，其中一小半為國產(chǎn)設(shè)備。低壓380V供電系統(tǒng)有各類TSC型國產(chǎn)無功補償設(shè)備在運行，但至今仍沒有一套國產(chǎn)的SVC在我國的輸變電系統(tǒng)運行。2.3在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力(customPower)技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫FACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發(fā)投入和生產(chǎn)成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進入快速發(fā)展期。2.4在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用2.4.1變負(fù)荷電動機調(diào)速運行電動機本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個方面，通過變負(fù)荷電動機的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是另一個方面，只有將二者結(jié)合起來，電動機節(jié)電方較完善。目前，交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機、泵類等變負(fù)荷機械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的效果。國外變負(fù)荷的風(fēng)機、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國正在推廣應(yīng)用中。變頻調(diào)速的優(yōu)點是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速。在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達(dá)30％左右。其缺點主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。2.4.2減少無功損耗，提高功率因數(shù)在電氣設(shè)備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)懲時會引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時，應(yīng)增裝無功補償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。2.5其它應(yīng)用2.5.1同步開斷技術(shù)實現(xiàn)同步開斷的根本出路在于用電子開關(guān)取代機械開關(guān)。美國西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件組成的固態(tài)開關(guān)，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時間可縮短到1/3ms，這是一般機械開關(guān)無法比擬的?，F(xiàn)在，由固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開關(guān)”已問世。2.5.2直流電源許多負(fù)載必須使用直流電源，世界上發(fā)電總量的20—30%以上直流電形式消費，如電鍍、電解等需要大容量可控整流電源。有些是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量而用直流電源如直流電弧爐煉鋼，直流電焊機。以直流焊機為例，過去直接電焊供電電源是電焊用直流發(fā)電機其特殊構(gòu)造可以實現(xiàn)電流的陡降情況，但它的效率只有30%，重200—300kg，以后晶閘管供電的直流焊機效率可達(dá)75%重在100kg左右，而采用IGBT高頻逆變的直流焊機，效率在85%以上，重量只有20—30kg，且其控制特征好，可以實現(xiàn)恒流、恒壓焊接，脈沖焊接等工藝要求，保證了焊接質(zhì)量。2.5.3不間斷電源（UPS）和各種AC—DC、DC—AC開關(guān)電源程控交換站，計算機、電視、醫(yī)療設(shè)備、航天、航海艦艇及家電上，都廣泛應(yīng)用開關(guān)電源，這些開關(guān)電源都采用高頻化技術(shù)，使其體積重量大大減小，能耗和材料也大為降低。為提高電源的單位功率密度，開關(guān)電源高頻化是發(fā)展的方向。為減少由于頻率提高而使開關(guān)損耗增加的問題，從而發(fā)展了各種軟開關(guān)技術(shù)。2.5.4各種頻率的全固態(tài)化交流電源這是為各種工業(yè)需要的變頻電源。在20世紀(jì)80年代末，我國約有20萬臺60—200KW的高頻設(shè)備，現(xiàn)在用晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了中頻發(fā)電機，國內(nèi)已形成200—8000Hz，功率為100—3000KW的系列產(chǎn)品。在高頻電源方面則用功率MOSEFT制造出1000KW/15—600KHz（比利時），用SIT（靜電感應(yīng)晶閘管）制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz（日本）的感應(yīng)加熱裝置，效率都在90%以上。國內(nèi)已研制出75KW/200KHz的SIT感應(yīng)加熱裝置。這樣采用全固態(tài)高頻感應(yīng)加熱裝置可以大大節(jié)能。第三章結(jié)論電力電子技術(shù)是電工技術(shù)中的新技術(shù)，是電力與電子技術(shù)（強電與弱電技術(shù)）的融合，已經(jīng)在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著巨大的作用，對未來輸電系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大影響。電力系統(tǒng)發(fā)達(dá)國家在用戶最終使