電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部 電力電子技術(shù)論文 題目： 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 專業(yè)年級： 14級自動化 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師： 張曉丹 2017年 5 月 4 日【摘要】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(jìn)行變換和控制的新興學(xué)科。本文概括性的介紹了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和節(jié)能等各個環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用。1 引言電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。其涉及到提高輸電能力、改善電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、控制的靈活性及降低損耗等重大問題。據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢院敛豢鋸埖恼f，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用2.1 發(fā)電環(huán)節(jié)電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)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(yùn)行特征為主要目的。（1） 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁控制。在我國范圍內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)的各個大型電廠發(fā)電機(jī)組中，運(yùn)用的最為普遍的靜止勵磁系統(tǒng)，電力電子技術(shù)的發(fā)展，使電子技術(shù)取代了勵磁控制中的勵磁機(jī)環(huán)節(jié)，使靜止勵磁實現(xiàn)了簡單的控制構(gòu)造和高性能低成本的運(yùn)作。同時由于電子技術(shù)代替了勵磁機(jī)的環(huán)節(jié)，使靜止勵磁能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行迅速有效的調(diào)節(jié)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。（2） 變頻調(diào)速。以發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速為例。發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，風(fēng)機(jī)水耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風(fēng)機(jī)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，并有完整的系列產(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)。（3） 在太陽能發(fā)電的控制系統(tǒng)中，電子技術(shù)的作用尤為突出，太陽能作為21世紀(jì)被廣泛重視的新型能源，發(fā)展太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)是整個國家乃至遠(yuǎn)世界的戰(zhàn)略目標(biāo)。然而由于太陽能發(fā)電本身的功率過大，在使用太陽能發(fā)電機(jī)組發(fā)電的時候，需要將生產(chǎn)出來的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這個時候就需要大功率的電流轉(zhuǎn)換器。而電子技術(shù)能夠很好的解決這一問題。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)，通常需要將太陽能電池陣列發(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34kW的戶用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為主，我國實施的送電到鄉(xiāng)工程則以1015kW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 輸電環(huán)節(jié)電力電子技術(shù)在輸電線路中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在柔性交流電技術(shù)、高壓直流電技術(shù)以及靜止無功補(bǔ)償器等上。（1） 柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，主要以柔性的交流輸電設(shè)備為代表方式廣泛的應(yīng)用于輸電線路中。在電力的輸送過程中，由于傳統(tǒng)電力功率的控制方法過于粗糙，無法實現(xiàn)在輸電過程中對電能的調(diào)整，使輸電過程中產(chǎn)生大量的電力損耗和高昂的輸送成本。而柔性交流輸電技術(shù)的主要內(nèi)容是在輸電線路的重要部位使用電力電子控制裝置，對輸電系統(tǒng)中的各項參數(shù)進(jìn)行適時的控制。以實現(xiàn)輸送過程中電能功率的合理分配，降低輸電過程中的輸送成本和電能消耗，大幅度的提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。（2） 高壓直流輸電技術(shù)（HVDC）。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。近年來，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電（HVDC Light）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(jìn)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(yùn)行。（3） 靜止無功補(bǔ)償器（SVC）于20世紀(jì)70年代興起，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為很成熟的FACTS裝置，其被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的負(fù)荷補(bǔ)償和輸電線路補(bǔ)償（電壓和無功補(bǔ)償），在大功率電網(wǎng)中，SVC被用于電壓控制或用于獲得其它效益，如提高系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性等；這類裝置的典型代表有：晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。我國輸電系統(tǒng)五個500kV變電站用的SVC容量在105170Mvar，均為進(jìn)口設(shè)備，型式為TCR加TSC或機(jī)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1055Mvar，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(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)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(yùn)行。2.3 配電環(huán)節(jié)配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強(qiáng)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)。用戶電力技術(shù)（CP）技術(shù)和FACTS技術(shù)是快速發(fā)展的姊妹型新式電力電子技術(shù)。采用FACTS的核心是加強(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力；發(fā)展CP的目的是在配電系統(tǒng)中加強(qiáng)供電的可靠性和提高供電質(zhì)量。CP和FACTS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，其差別僅是額定電氣值不同，目前二者已逐漸融合于一體，即所謂的DFACTS技術(shù)。具有代表性的用戶電力技術(shù)產(chǎn)品有：動態(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。2.4 節(jié)能環(huán)節(jié)電子技術(shù)在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面，分別是：變負(fù)荷電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行方面和提高電能使用率方面。（1） 變負(fù)荷電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行。電動機(jī)節(jié)電主要是表現(xiàn)在兩個方面：一個是電動機(jī)本身挖掘節(jié)電潛力;另一個是通過變負(fù)荷電動機(jī)的調(diào)速技術(shù)。只有將二者結(jié)合起來，才使得電動機(jī)節(jié)電方面變得較完善。交流調(diào)速目前在礦山和冶金等行業(yè)的電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。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） 減少無功損耗，提高功率因數(shù)。在電氣設(shè)備中，其器具包括變壓器在內(nèi)的主要設(shè)備都是屬于感性負(fù)載。他們在運(yùn)行時，不但消耗電氣設(shè)備的有功功率，還消耗它的無功功率。無功電源和有功電源是一樣的，是用來保證電能質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。所以，當(dāng)電氣設(shè)備中的無用功的容量比較小時，應(yīng)該增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，從而使得設(shè)備功率因數(shù)得到很大的提高電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用文章電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。3 總結(jié)根據(jù)世界上較為發(fā)達(dá)的國家進(jìn)行的預(yù)測和判斷，今后將有百分之九十以上的電能需要利用電力電子技術(shù)進(jìn)行處理之后，才可以進(jìn)行使用。電力電子技術(shù)與百分之九十五的現(xiàn)代的工業(yè)以及各種民用的機(jī)電設(shè)備有很大的關(guān)系。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)的融合，已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)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)國家在用戶最終使用的電能中,有六成以上的電能至