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1、精选优质文档-倾情为你奉上电力系统与脉冲功率技术姓名： 学号：专心-专注-专业摘要：所谓脉冲功率技术是指将很大的能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳)储存在储能元件中(通常为电容器、电感器等)， 然后通过快速开关(动作时间在毫微秒左右)将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上， 以得到极高的功率(特瓦左右)。正如我国著名科学家王淦昌院士所说的: 脉冲功率技术是许多高科技的基础，也在许多方面有着重要的应用。本文主要探讨脉冲功率技术在电力系统中的应用。其应包括开关技术、在电力电子装置中的应用、脉冲功率绝缘技术。关键词：开关技术 绝缘技术 电力电子装置中的应用 科学创新技术正文：一、开关技术：开关技术
2、在电力系统脉冲功率技术中占有极其重要的地位，新的开关概念在不断开拓和完善。以下是各种可能在电力系统中得到应用的开关技术：1.爆炸断路开关：这是一种由炸药驱动的开关，它可以在小于1S的时间内切断百万安倍级的电流。2.等离子体压缩断路开关：这种开关可以切断几百千安培的电流。试验证明：用它可以切断的电流密度为0.15MA / cm2( 总电流为10 M A ) , 绝缘恢复时间小于0 .5 S。3.熔丝：麦克斯威尔实验室成功地用熔丝断路开关将1MJ的能量转移给负载， 上升时间达亚微秒级。4.金属箔熔片：洛斯阿拉莫斯实验室用金属箱作熔丝开断电流，时间为1S。它们有希望用这一技术切断更大的电流, 美国空
3、军武器实验室也在进行这一工作。5.低压反射开关：美国物理国际公司研制了一种反射开关，它由一个厚度为2.5 nm 的塑料阳极与不同大小的真空磁室所成。一组10 k V电容器和一个触发气体开关向反射开关的高压阳极提供充电电流。典型的平均反射电压为40kV到50kV。这种开关曾用作电感储能系统的断路开关。他们还在Pulscrad 1150装置上试验开关在高压情况下( 4 MV ) 的脉冲削尖能力。6.利用栅极控制等离子体的大功率断路开关新墨西哥大学进行了栅极控制的大功率断路闭合两用开关的原理性试验。这种开关具有快速开闭特性。7.等离子体融蚀开关美国海军研究实验室、麦克斯威尔实验室及日本大阪大学都在研
4、究等离子体融蚀开关。美国海军研究实验室在第四届脉冲功率技术会议后， 等离子融蚀开关的研究又有了新的进展。他们深入地研究了发生器的极性、等离子体源的参数、负载阻抗、开关尺寸等与等离子体融蚀开关特性的关系。还将这种开关应用于压制予脉冲、 加快上升时间、压缩脉冲、以及电压倍增、功率放大等不同领域。当然，每种应用都有它的不同设计及特性要求。8.反箍缩等离子体开关：这种开关不仅能消除等离子体的Z箍缩，还利用J B 以降低电流密度。试验证明，这种开关一般火花隙开关有很多优越性。9.磁开关是一种由非饱和电抗器和复位线路所组成的阻抗变换系统。它用于高功率、长寿命、高重复率的脉冲功率装置。10.光导半导体开关：
5、用它可以产生微秒的上升时间和散度。此外，在闸流管方面、火花隙开关方面、激光触发开关方面、真空开关方面、以及表面放电开关方向都有相当大的进展。二、绝缘技术脉冲功率绝缘技术近年来也得到很大的发展，绝缘技术在电力系统中应用广泛。值得提出的是J.C.Martin关系及E . E . kunhardt的击穿过程的计算机模拟。著文介绍了真空中绝缘击穿的J.C.Martin关系的“统计解释”。文章指出：脉冲功率装置将由实验室阶段过渡到实用阶段，真空绝缘体往往是整个脉冲功率装置能量传输中的薄弱环节，它将影响整个系统的可靠性。文章讨论了应用Wejbtll分布描述真空绝缘击穿及故障的或然率。根据这些方法可以设计出
6、更可靠的真空绝缘结构。纽约多科性技术大学的E . E . Kunhardt根据气体的击穿过程(流柱理论) 建立物理模型，用计算机描述整个过程。有意义的是：通过计算发现了以前用试验方法没有发现的现象。进一步通过试验证明这种现象是存在的，这将促进气体绝缘击穿理论的发展。试验是用负电性气体进行的，气体为SF6-N2 的混合体， SF6的比例在0-30 % 的范围。在电容器绝缘研究方面，麦克斯威尔实验室有了很大进展，储能密度提高近一个数量级， 还希望在近期内再提高一个数量级。可以想象，他们不管在绝缘材料研究上，或在绝缘结构都做了大量工作。但由于涉及军事用途，这届会议中并没有提出数据。开关绝缘方面，海军
7、地面武器中心研究了带空间电荷的SF6的开关过程。桑地亚国家实验用模型方法研究SF6的击穿过程。这个模型可将开关现象分为两个区域直流击穿及流柱发展，可以对它们分别研究，还将大大有利于发展高压脉冲开关的研究程序。另外，他们对在重复电场作用下去离子水局部放电的形成与击穿，双极性电场作用下的真空界面闪络方面也作了不少工作。绝缘技术在电力系统和电气设备中得到广泛使用，尤其应用在高压输电中。所以脉冲功率技术的进步对电力系统的好处显著。三、在电力电子装置中的应用电力电子技术从上世纪八十年代开始发展迅速，现在在电力系统中应用广泛。其中有源滤波器、PWM开关型并联无功功率发生器、动态电压恢复器、统一潮流控制器、
8、统一（综合）电能质量控制器、储能系统中的电力电子变换器在电力系统中应用广泛。而脉冲功率技术在电力电子技术中得到重要应用。下面简单的介绍各电力电子技术在电力系统中的应用：1）有源滤波器指的就是有源电力滤波器，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。2）PWM开关型并联无功功率发生器（静止同步补偿器）静止同步补偿器简称STATCOM。是当今无功补偿领域最新技术的代
9、表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。3）动态电压恢复器（DVR）DVR相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，如电压跌落、电压不平衡及谐波等。当直流侧能量通过从系统整流获得时，在系统侧即使发生单相故障，其它两相仍可以提供电能来维持DVR的正常运行，补偿长期的电压跌落也成为可能。如果在直流侧电容两端并联蓄电池，或采用大容量电容储
10、能，该装置还可起到UPS的作用，即在系统侧发生短期故障时可以向负荷提供一定时间的功率。采用合适的拓扑结构，DVR可以综合地治理配电系统中的动态电压质量问题如跌落、浪涌和稳态电压质量问题如谐波、波动、三相不平衡，是一个多目标的电压质量综合治理装置。4）统一潮流控制器统一潮流控制器是一种功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置，也是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。UPFC可以控制线路的潮流分布,有效地提高电力系统的稳定性。5）统一电能质量控制器统
11、一电能质量调节器是有源滤波家族中的重要代表。它将串联有源滤波器和并联有源滤波器组合起来,从而可以充分发挥串、并联有源滤波器在电力系统应用中的优势,具备综合的电能质量调节功能。在电能质量问题日益严重的今天,这无疑是一种有着广阔应用前景的装置。6）储能系统中的电力电子变换器超导储能和飞轮储能用变换器及储能系统。多功能柔性功率调节器就是按照主动致稳的思路，将目前已取得较大研究进展的飞轮储能方式用于电力系统稳定性控制，并充分利用飞轮储能和电力系统传统的同步调相机的相似性提出的一种新型FACTS装置。FPC具有储能、发电、调相等多种功能，且便于分散安装，可以实现有功功率和无功功率同时双向大范围调节，增强
12、电力系统的稳定性。以上各种电力电子技术实现的根本是对电能进行控制和变换，其中为了实现对电能进行控制和变换通常会对电力电子电路中的器件进行控制。而其控制则需要本文所提出的脉冲功率技术。电力电子器件都采用类似PWM的调制方法以得到所需的电力特性，这种以PWM 调制方法输出的电磁电量表现为脉冲功率序列形式，有效的脉冲功率序列是电力电子变换器中的基本形式。这种脉冲功率序列是电磁瞬态过程的一种形式，该瞬态过程的时间常数在微秒或纳秒之间。这种短时间尺度的电磁瞬态过程对于电力电子变换器的可靠运行起决定性作用：一方面它是电量波形变换的基础(相当于功率采样)；另一方面，若控制不好，它将直接导致器件失效和装置损坏
13、。电力电子变换器的本质又是实施电磁能量的可控变换和定向传输。在变换和传输过程中必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则，这是脉冲功率瞬态过程研究的理论基础。以往电力电子技术中的PWM 技术、软开关技术和吸收缓冲电路等本质上都是从宏观上对变换过程中的瞬态能量的处理，但由于没有从脉冲功率序列的角度来考虑，没有从脉冲的微观特性(例如非理想开关特性)来分析，没有从有效的短时间尺度(微秒或纳秒)来量测，这些技术的应用都不尽人意；尤其在高压大容量或超大容量电力电子变换装置中，由于能量变换特征更是明显，现有电力电子技术凸现出明显的局限性。因此，研究电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列是现代电力电子学的主要基
14、础内容之一。脉冲的定义目前并不唯一，在数学上将单个脉冲分为上升沿、下降沿和脉宽三部，并对脉冲序列规定了一些衡量指标，包括衡量脉冲序列中的脉冲重复频率(prf)和脉冲重复概率（prr）。这样的脉冲定义在实际的电力电子装置运行中有其实际意义。1电力电子器件、拓扑和控制中的瞬态过程电力电子变换器主要由功率器件、线路拓扑和控制模块构成，典型的电力电子装置构成各个子系统的电磁能量变换的时间常数不同，如无源器件及其组成的回路时间常数以毫秒计，功率开关器件子系统和部分控制回路的时间常数以微秒计，某些高频软开关子系统和数字控制系统的时间常数以纳秒计，如果电力电子变换器带机械负载，如电机拖动，则机电能量转换部分
15、的时间常数以秒计。不同时间常数的子系统构成整个电力电子变换系统，系统中的能量在变换、传输和储存中的平衡成为其关键问题。大部分系统或其中的元器件的失效均发生在瞬态(从某个稳态能量分布转向另一个稳态)过程中。在这种瞬态过程中，特别是时间常数不同的各子系统共同工作时，能量分布常有可能失衡，造成破坏性的局部能量集中。具体地说, 这种瞬态过程在电力电子装置中的主要形式有:(1)功率开关的关断过电压、开通过电流(微秒或纳秒级)，续流二极管的反向恢复过程(纳秒级)等等. 广义上即器件运行中的di/dt (1000A/s以上)和dv/dt (500V/s以上)问题。功率开关器件的核心是PN 结及多PN 结之间的关系。其主要载流子为电子和空穴，它们在器件内部发生扩散和漂移运动，分别遵循扩散定律和欧姆定律，在外部保持稳定的条件下，这两种运动保持动态平衡。在外部条件处于不稳定时，平衡被打破，器件内部的载流子运动和分布发生急剧变化，表现出瞬态高电压、大电流、束流效应、擎住效应和局部过热等现象，如没有及时疏导，将发生器件和系统损害。如IGCT在开通与关断状态时分别表现为晶闸管和晶体管特性，其开关过程在1s内完成晶闸管和晶体管的转换，物理特性完全不同。在IGCT关断过程中，如果处理不好，则会发生过大电流引起表面压力分布变化、开关关断损耗过大、束流效应等现象，从而引起器件损坏
