电力电子技术在电力系统中的应用.doc
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电力电子技术在电力系统中的应用
摘要
近年来,新能源发电的大量出现,以水力、风力、核能、干热岩等为代表,使得电力系统中的绿色能源比例正在逐步增加。
同时,在新能源发电的过程中不乏电力电子的影子。
从一定程度上讲,电力电子技术的出现和发展,为电力系统改革提供了动力。
在电力系统的发电、输电、配电等阶段,都面临着众多技术难题。
通过借助电力电子技术,都得到有效地改善。
但是,国家电网涉及的问题比较复杂,改革进程略显缓慢,仍需开展大量工作,提升电力电子技术在电力系统的应用范围和深度。
但结合电力系统发展的趋势来讲,电力电子技术的推广和应用是必然的。
本文结合现阶段电力电子技术在电力系统中的应用情况,以及未来发展形势作出简要分析,希望能够为相关方面的研究提供一些参考。
首先,本文简要介绍了电力电子技术的技术特点,并结合电力系统各领域的实际应用状况,进行系统性的阐述。
然后结合风电的实际情况,深入剖析电力电子技术在可再生能源发电中的应用,并分析当前的发展前景、技术难题、不足之处。
最后,结合电力电子技术的现状,分析了其在智能电网中的应用趋势,为未来的发展提供了方向。
关键词:
电力电子技术;发展趋势;应用现状电力系统;
目录
第一章绪论 1
1.1引言 1
1.2研究目的和意义 1
第二章电力电子技术的应用 3
2.1发电部分的应用 3
2.2输电部分的应用 4
2.3配电部分的应用 5
2.4节能部分的应用 6
2.4其他部分的应用 7
2.5电力电子技术在电力系统中应用前景 8
第三章风力发电中的电力电子技术 9
3.1双馈风力发电机系统——电力电子变频器 9
3.2风电并网——电力电子变频器 10
3.3风电输送——轻型直流输电 11
3.4风力发电中其它电力电子技术应用 12
第四章在智能电网中的应用 14
第五章结论 15
参考文献 16
致谢 17
17
第一章绪论
1.1引言
1.1.1研究背景
电子信息技术具有较长的发展历程,发展的高峰始于二战末。
战后社会需求的增长,为电子信息技术的发展和应用提供了广阔的空间。
在电子信息技术行业,晶闸管是最早的大众化产品。
随着晶闸管的市场化应用,有力地推动了电子信息技术的发展。
而电子信息技术不断的突破和创新,也为晶闸管的应用提供了技术支持。
在此之后,可控硅整流装置的出现,更是电子信息技术发展中的重大突破。
电力电子技术的出现,是在原有电工技术基础上的突破,具备卓越的经济和实用价值,对未来输电系统性能具备深远的影响。
现阶段,电力电子技术在电力系统的应用范围和深度都显著提升,能够有助于改善输电能力和电能质量,确保电网运行的稳定性和可靠性,并大幅降低损耗。
本文结合当前电力系统中电力电子技术的应用情况,进行全面系统的阐述。
现阶段,对新能源发电的认识逐步提升。
作为国家能源战略的重要组成,新能源发电在电力系统中的地位逐步提升。
而风力发电的技术更加成熟,是当前最具商业化和工业化条件的低碳新能源。
风力发电能够利用以往被忽视的大量风力资源,发电过程不产生废弃物,是典型的清洁无污染能源,具备卓越的经济和社会效益显著。
而且风力发电设施比较简便,不需要占据大量的土地资源,能够大幅简化施工周期和投资,其具备的优势受到广泛的认可。
现阶段,人们对生产生活需求逐步丰富,需要更为完善的发电效率和电能质量。
而风力发电仍存在技术难题,需要不断地突破和完善。
为实现这一宏伟目标,需要充分吸收各领域的技术突破。
而电力电子和控制技术作为关键的技术支持,必然会发挥出更加重要的作用。
本文结合风力发电的实际情况,系统分析电力电子技术应用中存在的各类技术难题,以及仍需改进的的地方。
并结合电力电子技术的发展情况,系统地论述了其在可再生能源发电中的应用前景。
1.2研究目的和意义
随着科学技术不断地发展和完善,电力电子技术的推广和应用,有效地推动了电力系统改革。
借助电子信息技术的技术保障,有助于电力系统的不断发展和创新。
而且,科技成果是共享的。
随着电子技术的快速革新,逐步被引进和融入到其他领域,并取得了诸多有益的成果。
电力电子技术不仅包含了传统技术的长处,还以实际情况为基础进行了合理的调整,对于电力系统来说它的重要性也越来越高。
首先,借助先进的电力电子技术,有效地协调电力系统中繁杂的资源,并进行合理的配置和使用,提升电能的应用效果。
其次,借助电力电子技术对传统产业进行革新,促进了新型机电一体化的实现,确保电力系统的高效运行。
除此之外,机电设备在电力电子技术的辅助下,实现了高频化与变频化的突破。
最后,电力系统应紧跟电力电子技术发展趋势,走向高效、智能、信息化的道路。
第二章电力电子技术的应用
电子信息技术是在各领域技术成果的基础上,充分吸取计算机信息、电路、半导体材料、数控等多项技术的优势,进而创新发展而来的新技术。
在电力技术发展的各个阶段,电力生产、储存、运输等方面都得到了一定程度的发展,新能源技术和电力使用更是实现了跨越式的变化,这些均对电子技术有所裨益。
2.1发电部分的应用
电力系统的发电环节并非孤立存在的,而需要在发电机组的各种设备的共同协作下实现。
就本质来讲,电力电子技术的引入,直接改善了设备的运行特性。
(1)大型发电机的静止励磁控制。
此种模式下,静止励磁应用晶闸管整流自并励方式。
该方式的应用,能够便于优化设备,改善了设备的运行状况,并且无需过多资金投入,经济性比较突出。
而且,该方法摒弃了常用的励磁机,能够在运行时直接进行调控,提升了调控的精度和效率。
(2)水力、风力发电机的变速恒频励磁。
结合发电的特点来看,风力发电功率和风速的关系比较密切,而水力发电的有效功率主要与流量和水头有关。
如在抽水蓄能电站,不同的水头对应着各自的机组最佳转速。
若水头出现增减,必然会导致机组最佳转速的变化。
而风力发电也与此类似,与风速的变化密切相关。
因此,电站若想提高有效功率,需要结合外部动力条件让机组变速运行。
应结合情况调整调整转子励磁电流的频率,在和转子转速叠加后,实现恒定的输出频率。
(3)发电厂风机水泵的变频调速。
在发电厂的日常生产中,通常厂用电率约为8%。
相较于火电设备耗电量,风机水泵耗电量比较少,一般仅为65%左右。
应用低压或高压变频器,进行风机水泵的变频调速,能够显著地降低能耗,具有突出的经济价值。
而且,低压变频器技术发展态势良好,国内外众多企业都掌握了该技术,并研发出系列配套产品。
但是,对于技术含量较高的高压大容量变频器,普遍尚难以工厂化,仍有较长的路要走。
(4)太阳能发电控制系统。
太阳能作为储量巨大新能源,是未来能源的重要来源之一,具有无穷的发展潜力。
就大功率太阳能发电的技术角度来看,无论应用独立系统还是并网系统,都应该将太阳能电池阵列发出的直流电进行处理,转换为交流电。
因此,具备最大功率跟踪功能的逆变器,是整个系统的关键。
日本实施的阳光计划,主要采用3~4kW的户用并网发电系统;而我国实施的送电到乡工程,则主要采用10~15kW的独立系统,大型系统通常采用西门子太阳能发电厂(7.2MW)。
2.2输电部分的应用
在高压输电系统中引入电力电子器件,被业内誉为硅片引起的第二次革命”,显著提升了电力网的稳定运行特性。
(1)柔性交流输电技术(FACTS)
柔性的交流输电技术自上世纪80年代发明以来,呈现出高速发展的态势。
该技术有效地融合了电力电子技术与现代控制技术,能够有效地连续调节控制电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流,显著增强输电线路运输能力,有效改善电力系统稳定水平,并大幅减少输电损耗。
通常调节电力潮流的措施,诸如带负荷调变压器抽头、固定串联补偿装置、机械控制的移相器等手段,仅能发挥部分稳态潮流的调节功能。
而且在调解过程中,机械开关动作不灵敏,耗时长、响应慢,难以达到在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的需求。
结合电网发展的实践需要,经过不懈努力探索出柔性交流输电这项新技术。
而且,自FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)提出以来,深受业内人士的高度关注。
现阶段,FACTS取得了长足的发展,推出了数十种控制器。
按照安装位置的差异,通常可划分为发电型、输电型和供电型,且均能够对电力系统中的电压、阻抗、短路电流、功率等变量,进行精准和高效的控制,从而改善交流输电或电网的运行性能。
当前已经市场化的FACTS控制器比较多,主要有静止快速励磁器(PSS)、静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、串联补偿器(SSSC)等。
而且,柔性交流输电技术的市场认可度和应用范围日益提升,在欧美、日本等国家的超高压输电工程发挥着重要的作用。
我国也在对FACTS进行持续探索,重要研究成果不断涌现,但仍存在较大的差距。
如具有自主知识产权的FACTS设备,仅有±20Mvar新型静止无功发生器(ASVG)[1~2]。
(2)高压直流输电技术(HVDC)
与交流输电相比,直流输电的输电容量更大,且稳定性好,并与进行控制调节。
远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网等领域,都具备显著的优势[3]。
1970年,第一项晶闸管换流阀试验工程完工,替代了传统的汞弧阀换流器,是电力电子技术在直流输电的应用开端。
该试验工程的成功,改变了直流输电工程的格局,后期项目全部采用晶闸管换流阀。
最新研发的HVDC技术,采应用GTO、IGBT等可关断器件,及脉宽调制(PWM)等技术,从而无需再用换流变压器,换流站也可较便利的运输,从而有效地提升了中型的直流输电工程在较短的输送距离的技术优势。
而且,可关断器件组成的换流器,通过利用可关断的电力电子器件,能够规避出现换相失败的现象,也不受受端系统容量的束缚。
因此,能够实现向高山、海岛等传输不便的区域供电。
此外,该技术的也在不断的优化,有希望纳入到城市配电系统,并与燃料电池、光伏发电等分布式电源共同发挥作用。
截至目前,世界范围内的直流输电工程达上百项,其中比较典型的项目如下:
1.2012年溪洛渡—浙江±800kV,8000MW,1680km
2.2017年滇西北—广东±800kV,5000MW,1959km
3.2016年昌吉—安徽宣城±1100kV,12000MW,3293km
4.2010年向家坝—上海±800kV,6400MW,1907km
当前时期,直流输电技术不断取得突破,轻型直流输电(HVDCLight)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,有效处理了直流输电向无交流电源的负荷点送电的技术难题。
而且,能够有效地简化设备,降低资金投入。
(3)静止无功补偿器(SVC)
SVC的技术突破在于将电器开关置换为以晶闸管为基本元件的固态开关,借助快速、频繁地控制电抗器和电容器,实现对输电系统的导纳。
SVC的回路结构比较多样,可按控制对象或方式进行划分,通常包括晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)或晶闸管控制电抗器(TCR)等类型。
现阶段,我国输电系统主要的几个变电站,其SVC容量约为105~170Mvar,全部采用进口设备,型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。
国内工业应用的TCR装置接近20套,容量在10~55Mvar范围内,国产设备占较小的比例。
在低压380V供电系统中,大量应用了各类TSC型国产无功补偿设备。
但遗憾的是,在我国输变电系统中仍未应用国产SVC。
2.3配电部分的应用
如何改善供电的可靠性和电能质量,是配电系统发展离不开的重要课题。
电能质量控制,即应处理好对电压、频率、谐波和不对称度的需求,还应合理应对各种瞬态的波动和干扰。
而随着配电系统中逐步引入电力电子技术和现代控制技术,发展成为用户电力(CustomPower
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- 电力 电子技术 电力系统 中的 应用