电力电子技术在电力系统中的应用.docx

河 北 联 合 大 学毕 业 论 文论文题目 电力电子技术在电力系统中的应用姓 名所学专业_ _班 级_学 号_ _指导教师_ _完成时间_年_月_日摘要：电力电子技术是目前发展较为迅速的一门学科,是高新技术产业发展的主要基础技术之一,是传统产业改革的重要手段。电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、运算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。文中概速性地介绍电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。 关键词：直流输电；电力电子；发电机 第一章 前言1第二章 电力电子技术的应用22.1在发电环节中的应用22.1.1大型发电机的静止励磁控制22.1.2水力、风力发电机的变速恒频励磁22.1.3发电厂风机水泵的变频调速22.1.4太阳能发电控制系统22.2在输电环节中的应用32.2.1直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDC Light)技术32.2.2柔性交流输电(FACTS)技术32.2.3高压直流输电技术（HVDC）42.2.4静止无功补偿器（SVC）42.3在配电环节中的应用42.4在节能环节的运用52.4.1变负荷电动机调速运行52.4.2减少无功损耗，提高功率因数52.5其它应用52.5.1同步开断技术52.5.2直流电源52.5.3不间断电源（UPS）和各种ACDC、DCAC开关电源62.5.4各种频率的全固态化交流电源6第三章 结论7参考文献8第一章 前言电力电子技术是应用于电力领域的电子技术,它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。电力电子技术可以懂得为功率强大,可供诸如电力系统那样大的电流、高电压场合应用的电子技术,它与传统的电子技术相比,其特别之处不仅仅是因为它能够通过大电流和承担高电压,而且要考虑在大功率情形下,器件发热、运行效率的问题。电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、运算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继显现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。第二章 电力电子技术的应用自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继显现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。2.1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。 2.1.1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剂，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制成效的有利条件。 2.1.2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(特别是抽水蓄能机组)，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。 2.1.3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。 2.1.4太阳能发电控制系统开发利用无穷尽的干净新能源太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以3-4KW的用户并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以10-15KW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂（7.2MW）等。 2.2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固运行特性。 2.2.1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、稳固性好、控制调剂灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有特殊的优势。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。 2.2.2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剂的输电技术，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固水平。近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调剂控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳固水平，降低输电损耗。传统的调剂电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调剂功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调剂电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。到目前，FACTS控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量（如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等），从而增强交流输电或电网的运行性能。已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器（SVC）、静止调相机（STATCON）、静止快速励磁器（PSS）、串联补偿器（SSSC）等。 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。近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。国内也对FACTS进行了深入的研究和开发，每年都有数篇论文发表，但是具有自主知识产权的FACTS设备只有清华大学和河南省电力公司联合开发的20Mvar新型静止无功发生器（ASVG）。2.2.3高压直流输电技术（HVDC）1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，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。新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件，以及脉宽调制（PWM）等技术。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，由于采用了可关断的电力电子器件，可避免换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛） 供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。目前，全球已建成的直流输电工程超过60项，其中具有代表性的工程有：1天生桥广州直流输电工程（2001年）500kV，1800MW，980km2三峡常州直流输电工程（2003年）500kV，3000MW，890km3三峡广州直流输电工程（2004年）500kV，3000MW，962km近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。2.2.4静止无功补偿器（SVC）SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）或晶闸管控制电抗器（TCR）。我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105170Mvar，均为进口设备，型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。国内工业应用的TCR装置大约有20套，容量在1055Mvar，其中一小半为国产设备。低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。2.3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设备懂得为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求庞大，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。 2.4在节能环节的运用 2.4.1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。第一是风机、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成效。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畴广，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，节电率一样可达30左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。 2.4.2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稳，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。2.5其它应用2.5.1同步开断技术实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。美国西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3ms，这是一样机械开关无法比拟的。现在，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。2.5.2直流电源许多负载必须使用直流电源，世界上发电总量的2030%以上直流电形式消费，如电镀、电解等需要大容量可控整流电源。有些是可以提高产品质量而用直流电源如直流电弧炉炼钢，直流电焊机。以直流焊机为例，过去直接电焊供电电源是电焊用直流发电机其特别构造可以实现电流的陡降情形，但它的效率只有30%，重200300kg，以后晶闸管供电的直流焊机效率可达75%重在100kg左右，而采用IGBT高频逆变的直流焊机，效率在85%以上，重量只有2030kg，且其控制特点好，可以实现恒流、恒压焊接，脉冲焊接等工艺要求，保证了焊接质量。2.5.3不间断电源（UPS）和各种ACDC、DCAC开关电源程控交换站，运算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上，都广泛应用开关电源，这些开关电源都采用高频化技术，使其体积重量大大减小，能耗和材料也大为降低。为提高电源的单位功率密度，开关电源高频化是发展的方向。为减少由于频率提高而使开关损耗增加的问题，从而发展了各种软开关技术。2.5.4各种频率的全固态化交流电源这是为各种工业需要的变频电源。在20世纪80年代末，我国约有20万台60200KW的高频设备，现在用晶闸管中频感应加热装置已完全取代了中频发电机，国内已形成2008000Hz，功率为1003000KW的系列产品。在高频电源方面则用功率MOSEFT制造出1000KW/15600KHz（比利时），用SIT（静电感应晶闸管）制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz（日本）的感应加热装置，效率都在90%以上。国内已研制出75KW/200KHz的SIT感应加热装置。这样采用全固态高频感应加热装置可以大大节能。第三章 结论电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术（强电与弱电技术）的融合，已经在国民经济中发挥着庞大的作用，对未来输电系统性能将产生庞大影响。电力系统发达国家在用户最终使用的电能中,有六成以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中,是离不开电力电子技术的。高压直流输电,其送电端的整流和受电端的逆变装置都是采用晶闸管变流装置,它从根本上解决了长距离、大容量输电系统无功损耗问题。电力电子技术是目前发展较为迅速的一门学科,是高新技术产业发展的主要基础技术之一,是传统产业改造的重要手段。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心,相伴变换技术和控制技术的发展而发展的。可以预言,随着各学科新理论、新技术的发展,电力电子技术的应用具有十分广泛的前景。电力电子技术正在不断发展，新材料，新结构器件的连续产生，运算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在各行各业中的应用越来越广泛。电力电子技术在电力系统中的应用研究与实际工程也取得了可喜成绩。参考文献1林渭勋.现代电力电子技术M.机械工业出版社,2007.2徐德鸿,马皓.电力电子技术M.科学出版社,2006.3余岳辉,梁琳.电力电子器件发展综述J.江苏建筑,2004(6).4纪圣勇.电力电子及电源技术的发展J.电子信息职业技术学院学报,2006(3).5陈坚.电力电子技术在电力系统中的应用专辑.华中科技大学.湖北 武汉 4300746许昊.电力电子技术在电力系统中的应用.沿海企业与科技.2005年第8期7 陈建业 蒋晓华 于歆杰 储旭.电力电子技术在电力系统中的应用.ISBN（书号）：978-7-111-22816-58