電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域中的應用

電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域中的應用

0電力電子技術(shù)的發(fā)展能源電子技術(shù)是一項應用于電子技術(shù)、控制技術(shù)和能源技術(shù)的新興學科。作為一門學科,其發(fā)展始于1956年貝爾實驗室發(fā)明晶閘管,其后經(jīng)歷了上世紀六七十年代的整流器時代(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、靜止或無功補償?shù)戎械皖l范圍應用的逆變器、變頻器時代,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體復合器件的出現(xiàn),表明以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已進入以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子時代。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)(強電和弱電技術(shù))的融合,已在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著巨大作用,對未來輸電系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大影響。目前電力電子技術(shù)的應用已涉及電力系統(tǒng)的各個方面,包括發(fā)電環(huán)節(jié)、輸配電系統(tǒng)、儲能系統(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)的應用以改善發(fā)電機組等多種設備的運行特性為主。1國外電力系統(tǒng)使用晶閘管整流自并勵靜止勵磁結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高造價低,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)勵磁機,故而調(diào)節(jié)快速,利于先進的控制規(guī)律充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好的控制效果。2機組停機運行為獲得水力、風力發(fā)電的最大有效功率,應使機組變速運行。作為技術(shù)核心的變頻電源通過調(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。3交流壓電設備采用交流糾紛控制方式發(fā)電廠的廠用電率平均為8%,而風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%且運行效率低,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,我國以10~15kW的獨立系統(tǒng)居多,美國則有7.2MW太陽能發(fā)電廠的大型系統(tǒng)。2輸電系統(tǒng)2.1可擴充電網(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,包括靜止無功補償器(SVC)、靜止調(diào)相機(STATCOM)、串聯(lián)補償器(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)換靜止補償器(CSC)等,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)來增強交流輸電或電網(wǎng)的運行性能。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用,國內(nèi)也有深入的研究和開發(fā),但只有清華大學和河南省電力公司聯(lián)合開發(fā)的±20MVA新型靜止無功發(fā)生器(ASVG)具有自主知識產(chǎn)權(quán)[9,10,11,12,13,14,15]。國內(nèi)外典型運用見表1。2.2直流輸電工程遠距離高壓直流輸電優(yōu)越性很多:相同的電壓和導線截面下輸出極限功率大(無電抗壓降,無穩(wěn)定性問題),傳送相同的功率時損耗小、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,即由多個三相橋變換器串、并聯(lián)組合成復合結(jié)構(gòu)變換器,每個三相橋變換器中的A、B、C三相上下橋臂又由許多晶閘管串聯(lián)組成。1970年世界上第一項晶閘管換流閥試驗工程在瑞典建成標志著電力電子技術(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爭力。而且可關(guān)斷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)、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60項,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個換流站)直流輸電工程;挪威—丹麥直流輸電工程有世界最長的242km海底電纜。我國的直流輸電工程發(fā)展迅速,已投入運行的大型工程有: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,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)無源逆變,可向無交流電流的負荷點送電,同時大幅度簡化設備,降低造價。世界首個IGBT電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗工程1997年投運。2.3u3000t-svc的生產(chǎn)SVC以晶閘管為基本元件的固態(tài)開關(guān)替代電氣開關(guān)快速、頻繁地控制電抗器和電容器來改變輸電系統(tǒng)導納。不同回路結(jié)構(gòu)的SVC可按控制的對象及方式不同分為晶閘管設切電容器(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)5個500kV變電站所用SVC型式為TCR加TSC或機械投切電容器組,容量105~170MVA,均非國產(chǎn);工業(yè)應用TCR約20套,容量在10~55MVA,小半國產(chǎn)。低壓380V系統(tǒng)有各類TSC型國產(chǎn)無功補償設備運行,但至今我國的輸變電系統(tǒng)仍無國產(chǎn)SVC運行。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)加強其可控性,增大其傳輸能力;前者用于配電系統(tǒng),加強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)品有動態(tài)電壓恢復器(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其他應用程序4.1電子開關(guān)取代機械開關(guān)同步開斷是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合,使由操作過電壓決定的電力設備絕緣水平可大為降低,操作引起設備(包括斷路器本身)的損壞也大為減少。目前高壓開關(guān)均為機械開關(guān),不能準確定相開斷,同步開斷的優(yōu)勢沒有發(fā)揮,用電子開關(guān)取代機械開關(guān)才是根本出路。美國西屋公司生產(chǎn)GTO元件組成的13kV、600A固態(tài)開關(guān)已在新澤西州的變電站運行,GTO開斷時間可短至1/3ms。目前固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的電容器組配電系統(tǒng)“軟開關(guān)”已問世。4.2可恢復明確的效率世界上發(fā)電總量的20%~30%以直流電形式消費(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)電機其效率僅30%,質(zhì)量達200~300kg;用晶閘管的效率達75%,質(zhì)量約100kg;而用IGBT高頻逆變則效率>85%,質(zhì)量僅20~30kg,且其控制特征好,可實現(xiàn)恒流、恒壓、脈沖等焊接的工藝要求,保證焊接質(zhì)量。4.3高頻電源開關(guān)損耗增加程控交換、計算機、醫(yī)療設備、航天、航海、家電等廣泛應用的開關(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,開關(guān)電源應高頻化,為減少高頻所致開關(guān)損耗增加,則發(fā)展了各種軟開關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)開關(guān)頻率達10MHz的產(chǎn)品已有應用,為滿足1.5V供電的新一代計算機的需要,美、日等國采用高頻軟開關(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)電機效率僅40%,250~350kHz高頻電子管振蕩器效率亦僅50%。目前我國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和日本分別已有15~600kHz、1000MW功率MOSEFT和200kHz、1MW,400kHz、0.4MW靜電感應晶閘管(SIT)的加熱裝置,效率均>90%;國內(nèi)已研制出200kHz、75kW的SIT感應加熱裝置。5電力器件高頻化當前,電力電子技術(shù)已進入高頻化,標準模塊化,集成化和智能時代。理論和實驗證明電氣產(chǎn)品的體積與質(zhì)量反比于供電頻率的平方根,頻率提高對其設備的制造省材,運行節(jié)能和系統(tǒng)性能改善(尤其對航天工業(yè))意義十分深遠。電力電子器件高頻化是其創(chuàng)新的主導方向,硬件結(jié)構(gòu)的標準模塊是器件發(fā)展的必然趨勢。目前先進模塊已和包