電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用

0電力電子技術(shù)的發(fā)展能源電子技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用于電子技術(shù)、控制技術(shù)和能源技術(shù)的新興學(xué)科。作為一門(mén)學(xué)科,其發(fā)展始于1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶閘管,其后經(jīng)歷了上世紀(jì)六七十年代的整流器時(shí)代(工頻),七八十年代的以0~100Hz的GTR、GTO為主角的變頻調(diào)速、高壓直流輸出、靜止或無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎械皖l范圍應(yīng)用的逆變器、變頻器時(shí)代,至八九十年代以功率MOSFET和IGBT為代表,集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn),表明以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已進(jìn)入以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子時(shí)代。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(qiáng)電和弱電技術(shù))的融合,已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著巨大作用,對(duì)未來(lái)輸電系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大影響。目前電力電子技術(shù)的應(yīng)用已涉及電力系統(tǒng)的各個(gè)方面,包括發(fā)電環(huán)節(jié)、輸配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等等。其有關(guān)最新研究成果介紹如下。1電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用以改善發(fā)電機(jī)組等多種設(shè)備的運(yùn)行特性為主。1國(guó)外電力系統(tǒng)使用晶閘管整流自并勵(lì)靜止勵(lì)磁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高造價(jià)低,已為世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。因省去中間慣性環(huán)節(jié)勵(lì)磁機(jī),故而調(diào)節(jié)快速,利于先進(jìn)的控制規(guī)律充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好的控制效果。2機(jī)組停機(jī)運(yùn)行為獲得水力、風(fēng)力發(fā)電的最大有效功率,應(yīng)使機(jī)組變速運(yùn)行。作為技術(shù)核心的變頻電源通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)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。3交流壓電設(shè)備采用交流糾紛控制方式發(fā)電廠的廠用電率平均為8%,而風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%且運(yùn)行效率低,但若用變頻調(diào)速則可節(jié)能。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟,但可生產(chǎn)高壓大容量變頻器的企業(yè)不多。4最大功率跟蹤功能的變壓器太陽(yáng)能電池陣列直流電轉(zhuǎn)換為交流電的系統(tǒng)核心是具有最大功率跟蹤功能的逆變器,日本以3~4kW的戶用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為主,我國(guó)以10~15kW的獨(dú)立系統(tǒng)居多,美國(guó)則有7.2MW太陽(yáng)能發(fā)電廠的大型系統(tǒng)。2輸電系統(tǒng)2.1可擴(kuò)充電網(wǎng)相關(guān)變量電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合的柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)對(duì)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)控可大幅降低輸電損耗,提高輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定水平。FACTS控制器已有數(shù)十種,包括靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、靜止調(diào)相機(jī)(STATCOM)、串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)、晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(CSC)等,都是通過(guò)快速、精確、有效地控制電力系統(tǒng)中一個(gè)或幾個(gè)變量(如電壓、功率、阻抗、短路電流、勵(lì)磁電流等)來(lái)增強(qiáng)交流輸電或電網(wǎng)的運(yùn)行性能。近年來(lái)柔性交流輸電技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)、日本、瑞典、巴西等國(guó)重要的超高壓輸電工程中得到應(yīng)用,國(guó)內(nèi)也有深入的研究和開(kāi)發(fā),但只有清華大學(xué)和河南省電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的±20MVA新型靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[9,10,11,12,13,14,15]。國(guó)內(nèi)外典型運(yùn)用見(jiàn)表1。2.2直流輸電工程遠(yuǎn)距離高壓直流輸電優(yōu)越性很多:相同的電壓和導(dǎo)線截面下輸出極限功率大(無(wú)電抗壓降,無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題),傳送相同的功率時(shí)損耗小、壓降小,線路投資低。但直流輸電線路首、末端要接入晶閘管(半控型器件)相控整流和有源逆變器,它們都以三相全控橋電路為基本單元,即由多個(gè)三相橋變換器串、并聯(lián)組合成復(fù)合結(jié)構(gòu)變換器,每個(gè)三相橋變換器中的A、B、C三相上下橋臂又由許多晶閘管串聯(lián)組成。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流閥試驗(yàn)工程在瑞典建成標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式用于直流輸電,此后新建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)斷器件及脈寬調(diào)制(PWM)等技術(shù)。因省去了換流變壓器,整個(gè)換流站可以搬遷,可使中型直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競(jìng)爭(zhēng)力。而且可關(guān)斷電力電子器件可避免換相失敗,對(duì)受端系統(tǒng)的容量沒(méi)有要求,故可用于向孤立小系統(tǒng)(海上石油平臺(tái)、海島)、城市配電系統(tǒng)供電以及接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。目前全球已建直流輸電工程超過(guò)60項(xiàng),其典型工程有:巴西伊泰普直流輸電工程,±600kV電壓、6300MW輸送功率,均為已投運(yùn)工程的世界之最;魁北克—新英格蘭直流輸電工程是世界最大的多端(5個(gè)換流站)直流輸電工程;挪威—丹麥直流輸電工程有世界最長(zhǎng)的242km海底電纜。我國(guó)的直流輸電工程發(fā)展迅速,已投入運(yùn)行的大型工程有:1990年葛洲壩—上海直流輸電工程,±500kV,1200MW,1064km;2001年天生橋—廣州直流輸電工程,±500kV,1800MW,980km;2003年三峽—常州直流輸電工程,±500kV,3000MW,890km;2004年三峽—廣州直流輸電工程,±500kV,3000MW,962km。近年來(lái),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并用脈寬調(diào)制技術(shù)無(wú)源逆變,可向無(wú)交流電流的負(fù)荷點(diǎn)送電,同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備,降低造價(jià)。世界首個(gè)IGBT電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程1997年投運(yùn)。2.3u3000t-svc的生產(chǎn)SVC以晶閘管為基本元件的固態(tài)開(kāi)關(guān)替代電氣開(kāi)關(guān)快速、頻繁地控制電抗器和電容器來(lái)改變輸電系統(tǒng)導(dǎo)納。不同回路結(jié)構(gòu)的SVC可按控制的對(duì)象及方式不同分為晶閘管設(shè)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(guó)輸電系統(tǒng)5個(gè)500kV變電站所用SVC型式為T(mén)CR加TSC或機(jī)械投切電容器組,容量105~170MVA,均非國(guó)產(chǎn);工業(yè)應(yīng)用TCR約20套,容量在10~55MVA,小半國(guó)產(chǎn)。低壓380V系統(tǒng)有各類(lèi)TSC型國(guó)產(chǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行,但至今我國(guó)的輸變電系統(tǒng)仍無(wú)國(guó)產(chǎn)SVC運(yùn)行。3電力電子技術(shù)150用戶電力(CP)技術(shù)是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用,它和FACTS技術(shù)是快速發(fā)展的姊妹型新技術(shù),二者的共同基礎(chǔ)技術(shù)是電力電子技術(shù),各自的控制器在結(jié)構(gòu)和功能上也相同,其判別僅是額定電氣值不同。后者用于交流輸電系統(tǒng)加強(qiáng)其可控性,增大其傳輸能力;前者用于配電系統(tǒng),加強(qiáng)供電可靠性和提高供電質(zhì)量,目前二者已逐漸融合于一體,即所謂的DFACTS技術(shù)。典型的CP產(chǎn)品有動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR),固態(tài)斷路器(SSCB)、故障電流限制器(FCL),統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(PQC)等。4其他應(yīng)用程序4.1電子開(kāi)關(guān)取代機(jī)械開(kāi)關(guān)同步開(kāi)斷是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開(kāi)或閉合,使由操作過(guò)電壓決定的電力設(shè)備絕緣水平可大為降低,操作引起設(shè)備(包括斷路器本身)的損壞也大為減少。目前高壓開(kāi)關(guān)均為機(jī)械開(kāi)關(guān),不能準(zhǔn)確定相開(kāi)斷,同步開(kāi)斷的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有發(fā)揮,用電子開(kāi)關(guān)取代機(jī)械開(kāi)關(guān)才是根本出路。美國(guó)西屋公司生產(chǎn)GTO元件組成的13kV、600A固態(tài)開(kāi)關(guān)已在新澤西州的變電站運(yùn)行,GTO開(kāi)斷時(shí)間可短至1/3ms。目前固態(tài)開(kāi)關(guān)構(gòu)成的電容器組配電系統(tǒng)“軟開(kāi)關(guān)”已問(wèn)世。4.2可恢復(fù)明確的效率世界上發(fā)電總量的20%~30%以直流電形式消費(fèi)(電鍍、電解等),直流煉鋼,直流電焊等提高產(chǎn)品質(zhì)量亦需大容量可控整流電源。如直流電焊電源,用直流發(fā)電機(jī)其效率僅30%,質(zhì)量達(dá)200~300kg;用晶閘管的效率達(dá)75%,質(zhì)量約100kg;而用IGBT高頻逆變則效率>85%,質(zhì)量?jī)H20~30kg,且其控制特征好,可實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、脈沖等焊接的工藝要求,保證焊接質(zhì)量。4.3高頻電源開(kāi)關(guān)損耗增加程控交換、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、航天、航海、家電等廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電源發(fā)展方向是高頻化以使其體積、質(zhì)量、能耗、材料均大為降低:為提高電壓的單位功率密度,開(kāi)關(guān)電源應(yīng)高頻化,為減少高頻所致開(kāi)關(guān)損耗增加,則發(fā)展了各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率達(dá)10MHz的產(chǎn)品已有應(yīng)用,為滿足1.5V供電的新一代計(jì)算機(jī)的需要,美、日等國(guó)采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、同步整流技術(shù)、平面變壓器技術(shù)以及許多新工藝,已研制出1.5V、200A效率>80%的開(kāi)關(guān)電源模塊并放在主板上。4.4高頻電源系統(tǒng)各種工業(yè)需要的變頻電源有中、高頻感應(yīng)加熱電源,超聲波電源,各種波形發(fā)生器等。但0.15~8kHz的中頻發(fā)電機(jī)效率僅40%,250~350kHz高頻電子管振蕩器效率亦僅50%。目前我國(guó)晶閘管中頻電源已形成0.2~8kHz,0.1~0.3MW的系列產(chǎn)品。高頻電源方面比利時(shí)和日本分別已有15~600kHz、1000MW功率MOSEFT和200kHz、1MW,400kHz、0.4MW靜電感應(yīng)晶閘管(SIT)的加熱裝置,效率均>90%;國(guó)內(nèi)已研制出200kHz、75kW的SIT感應(yīng)加熱裝置。5電力器件高頻化當(dāng)前,電力電子技術(shù)已進(jìn)入高頻化,標(biāo)準(zhǔn)模塊化,集成化和智能時(shí)代。理論和實(shí)驗(yàn)證明電氣產(chǎn)品的體積與質(zhì)量反比于供電頻率的平方根,頻率提高對(duì)其設(shè)備的制造省材,運(yùn)行節(jié)能和系統(tǒng)性能改善(尤其對(duì)航天工業(yè))意義十分深遠(yuǎn)。電力電子器件高頻化是其創(chuàng)新的主導(dǎo)方向,硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前先進(jìn)模塊已和包