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1、柔性电力技术 智能电网环境下的电力电子技术应用 韩民晓华北电力大学柔性电力技术研究所2011 3 22 电能利用在人类能量利用中的比例 电能的利用形态 电力工程 30 40 一百年来人类技术领域最杰出的成就 Questions 发电 输电 配电 用电 当今世界所面临的主要问题 Questions 能源与环境问题 电能高效 高稳定性 高品质的产生 传输与利用 重要解决方案 电力电子技术 电力电子技术 PowerElectronics 基于功率器件构成的电路与系统能够对电能进行变换与控制的技术 电能一次经过电力电子设备的比例 电力电子技术应用的功率范围和领域 计算机 TV 调光灯变频空调 冰箱高压
2、直流输电 电气化铁道 2000 50 2010 75 800GW 50 功率范围 mW MW应用领域 身边的电力电子技术 Questions 电力电子技术的应用领域 电力电子器件技术的应用 电力系统 产业 交通领域 GTO IGBT MOSFET 晶闸管 100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 100 1k 10k 100 k 1M 控制容量 VA 工作频率 Hz 信息处理领域 ScopeandApplications 电力系统 电能的产生 传输交通运输 电力机车 电动汽车航空航天 电源与动力系统节能与环保 照明 电机驱动工业自动化系统 电源与控制加工企业 电焊 电解 电
3、镀 电加热 传统电能的产生输配及应用 传统的电力系统 特点 发 供 用必需同时完成各机组必需严格同步潮流只能由系统阻抗决定供电模式单一电能质量只能实现静态调节负载电力调节特性差负载电能利用效率低 现代社会对电力需求的新特点 控制灵活 形式多样的发电系统 出力动态调节的需求规模化可在生能源发电技术的发展潮流可控 安全稳定的输电系统 电力市场发展的需求远距离 大功率 高电压电能传输的需求模式多样 质量可控的配电系统 分布电源技术发展与应用的需求动态电能质量控制的需求可控性好 高效节能的用电系统 用电设备控制特性的需求节能与环保的需求 传统电力技术应用及其局限 传统电力技术的应用 新建电力传送线路
4、负荷中心建立电厂 局限 电力市场使投资风险增加 环境资源对新建线路与电厂的限制 无法应对非线性负荷的快速增长 无法应对分布电源的作用 无法满足高电能质量的要求 国外智能电网研究概况 驱动因素 美国 年美加大停电后 美国电力行业决心利用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造 开展智能电网研究 以期建设满足智能控制 智能管理 智能分析为特征的灵活应变的智能电网 加州 RE 2010 20 2020 33 如达不到 罚款高达 10 55 MWh 欧洲 发展智能电网也有其独特的发展背景 欧洲智能电网的兴起主要是大力开发可再生能源 清洁能源 以及电力需求趋于饱和后提高供电可靠性和电能质量等需求所决定的
5、 AMR的效益 总体发展目标 以特高压电网为骨干网架 各级电网协调发展的坚强电网为基础 利用先进的通信 信息和控制技术 构建以信息化 数字化 自动化 互动化为特征的自主创新 国际领先的坚强智能电网主要特征 技术上实现信息化 数字化 自动化 互动化 管理上实现集团化 集约化 精益化 标准化基本内涵 坚强可靠 经济高效 清洁环保 透明开放 友好互动基本构架 电网基础 技术支撑 智能应用 标准规范应用环节 发电 线路 变电 配电 用户 调度 中国智能电网的定义 2020 5 29 14 电力电子技术是实现智能电网控制功能的执行单元 柔性电力技术 可对电能进行变换与调节的技术 智能电网控制技术的构成
6、柔性电力技术概念图 ASPS AdjustableSpeedPumpStorage 可变速抽水蓄能VFD VariableFrequencyDrive 变频调速技术在火电厂中的应用风力发电的功率调控太阳能发电功率变换燃料电池应用中的功率变换微型燃气轮机发电中的功率变换 发电系统的柔性化技术 输电系统的柔性化技术 HVDC HighVoltageDCtransmission 高压直流输电UPFC UniformPowerFlowController 统一潮流控制器TCSC ThyristorControlledSeriesCompensator 晶闸管控制串联补偿SVC StaticVarCom
7、pensator 静止无功补偿器SVG StaticVarGenerator STATCOM 静止无功发生器SMES Super conductingMagneticEnergyStorage 超导储能 配电系统的柔性化技术 A F ActiveFilter 有源电力滤波器DVR DynamicVoltageRegulator 动态电压调节器SCB Solid stateCircuitBreaker 固态断路器D SVC DistributionVarCompensator配网静止无功补偿器D SVG DistributionVarGenerator STATCOM 配网静止无功发生器HVDC
8、light 轻型直流输电DSMES DistributionSMES 配电系统用超导储能 用电设备的柔性化技术 PQR PowerQualityRegulator 电能质量调节器UPS UninterruptablePowerSupply 交流不间断电源F C FrequencyConverter 频率变换器VFD VariableFrequencyDrive 电机变频调速技术EB ElectronicBallast 照明电力电子电源IH InductionHeating 感应加热 短片FACTS CustomPower 电力电子技术的三个层面 PE器件 PE电路 PE系统 电力电子器件的分类
9、 Si材料电力电子器件的发展状况 光触发晶闸管LTT 新型光敏区新型门 射极结构优化质子辐射技术 8kV 3 6kALTT 导通压降 2 7V触发功率 8mWdv dt 3000V sdi dt 300A s 全控器件发展历程 IGCT IEGT 晶体管的关断特性与晶闸管的导通特性相结合门极低电感设计 关断发生在变成晶体管之后无需吸收电路 较IGCT导通电阻小 损耗小驱动控制更为简单 Si SiC Si材料的物性极限 SiC结晶体构造多样4H SiC 4层6方体结构 能量禁制带幅高 特别适于电力控制 Si SiC特性对照 SiC材料的耐压水平比Si材料可提高10倍 SiC耐温水平提高2 3倍
10、这表明Si器件的通过电流的能力提高2 倍 SiC材料器件散热设计简单 从而SiC材料器件的综合功率处理能力比Si材料器件可提高一个数量级 速度的提高及热传导性能的改善 工作频率可以提高6 10倍 器件体积与损耗 Si SiC 1 5 1 10 电力电子电路 矩阵换流器 H桥式多电平换流器 波形示例 单元波形 移相最优开关PWM相电压 输出到电机的线电压 模块化多电平换流器 柔性电力依赖的技术之二 能量存储技术 能量缓冲能量平衡能量后备 蓄能技术及其发展 电池与飞轮储能 超导储能 SMES 及其应用 超级电容技术 电气双层电容蓄能 抽水蓄能技术 概要 抽水蓄能电站的出现与发展特点 效率 地理条件 控制方式新进展 可变速抽水蓄能 调节方式 定子频率调节方式调节范围大 容量大 造价高转子励磁调节方式调节范围有限 但容量小 造价低 n n2 n1 同步转速 柔性电力依赖的技术之三 信息处理技术 监测控制数据传输与共享 微控制器技术的发展处理能力的增强 1000MIPS资源的扩充 PWM嵌入式操作系统 RTOS硬件与软件的通融 CPLD 片上系统 SOPC 软件硬件化 高可靠性并行处理 实现高速度现场可编程 高度灵活性 CPLDFPGA 网络技术的发展 单片机网络技术 LONWORKS局域网络技术 LANWORKS广域网络技术 INTERNET 媒介多样化协议规范化 智慧与力量的结合
