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电力电子学在电力系统中的应用汇总
电力电子技术在电力系统中的应用
中文摘要:
本文就电力电子技术在电力系统应用的主要方面做一介绍,电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。
文章介绍了电力电子技术在电力系统各个环节中的应用及在电力系统中的应用前景。
以风力发电为例子,介绍了风力发电系统及其中应用较多的几种电力电子器件及电力电子技术,分析了各种方法的特点、功用和发展。
关键字:
电力电子技术电力系统应用风力发电
电力电子技术在电力系统中的应用涉及到提高输电能力、改善电能质量、提高电网运行稳定性、可靠性、控制的灵活性及降低损耗等重大问题。
电力系统中电力半导体装置很多,大到直流输电用的整流、逆变装置,小到电视机电源,电池充电器,还包括变频、斩波(直流调压)和交流调压装置等,其应用遍布于电力系统各个电压等级。
1.高压直流输电技术(HVDC)
目前,全世界HVDC工程已达50多个,总设备容量超过36GW。
新一代HVDC技术中
正在考虑使用GTO、IGBT等可关断器件,以及脉宽调制(PWM)等技术。
在国内高压
输电工程建设和国外设备、技术的引进、吸收的基础上,立足国内搞小容量的HVD
C工程的设计和制造,将是可行和必要的。
2.静止无功补偿器(SVC)
SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关,实现快速、频繁地
以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。
SVC可以有不同的回路结构,
按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投
切电抗器(TSR)或闸管控制电抗器(TCR)。
我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105~170Mvar,均为进口设备,
型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。
国内工业应用的TCR装置大约有20套,容量
在10~55Mvar,其中一小半为国产设备。
低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补
偿设备在运行,但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。
3.灵活交流输电系统(FACTS)
近年来FACTS技术受到广泛地关注,电力科研部门纷纷进行FACTS应用的可行性
研究,制造厂商则投入巨资进行开发研究。
表中列出了已投运的部分FACTS控制器。
表已投运的FACTS控制器(到1998年初)
-----------------------------------------------------------------------
英文简称控制器潮流抑制系电压投运首项投运年
名称控制统振荡支持工程数(实施地点)
-----------------------------------------------------------------------
TCSC晶闸管串联影响影响影响41991年
电容补偿器大大小(美国AEP)
STATCOM静止同步影响影响影响31991年
补偿器小中等大(日本犬山)
UPFC统一潮流影响影响影响11997年
控制器大大大(美国AEP)
-----------------------------------------------------------------------
除上述几种FACTS设备外还可以举出很多,但基本上都处于研究开发或初步应
用阶段,例如:
晶闸管控制的制动电阻(TCBR),晶闸管控制的移相器(TCPS),
相间功率控制器(IPC),超导储能器(SMES)等。
4.用户电力技术(CP)
CP技术和FACTS技术是快速发展的姐妹型新式电力电子技术。
采用FACTS的核心
是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力;发展CP的目的是在配电系统
中加强供电的可靠性和提高供电质量。
CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术
,各自的控制器在结构和功能上也相同,其差别仅是额定电气值不同,二者的融合
是一种趋势。
具有代表性的用户电力技术产品有:
动态电压恢复器(DVR),固态
断路器(SSCB),故障电流限制器(FCL),统一电能质量调节器(PQC)等。
5.变频调速技术(SFC)
随着电力电子技术的飞速发展,SFC技术已进入与直流调速相媲美和相竞争的
阶段,并有取而代之的优势。
SFC技术在电力系统的应用主要有两个方面:
①发电
厂的风机、水泵使用变频调速控制,会具有非常大的节电效益。
②抽水蓄能机组采
用SFC技术,可减小机组起动过程对电网的冲击,并且机组在低水头运行时,还可
提高机组的效益。
电力电子技术是电工技术中的新技术,是电力与电子技术(强电和弱电技术的融合,已在国民经济中发挥着巨大作用,对未来输电系统性能将产生巨大影响。
目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面,包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。
一、发电环节
电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备,电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的
(一大型发电机的静止励磁控制。
静止励磁采用晶闸管整流自并励方式,具有结构简单、可靠性高及造价低等优点,被世界各大电力系统广泛采用。
由于省去了励磁机这个中间惯性环节,因而具有其特有的快速性调节,给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。
(二水力、风力发电机的变速恒频励磁。
水力发电的有效功率取决于水头压力和流量,当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组,机组的最佳转速亦随之发生变化。
风力发电的有效功率与风速的三次方成正比,风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。
为了获得最大有效功率,可使机组变速运行,通过调整转子励磁电流的频率,使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。
此项应用的技术核心是变频电源。
(三发电厂风机水泵的变频调速。
发电厂的厂用电率平均为8%,风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%,且运行效率低。
使用低压或高压变频器,实施风机水泵的变频调速,可以达到节能的目的。
低压变频器技术已非常成熟,国内外有众多的生产厂家,并有完整的系列产品,但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多,国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。
(四太阳能发电控制系统。
开发利用无穷尽的洁净新能源———太阳能,是调整未来能源结构的一项重要战略措施。
大功率太阳能发电,无论是独立系统还是并网系统,通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电,所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。
日本实施的阳光计划以3~4kW的户用并网发电系统为主,我国实施的送电到乡工程则以10~15kW的独立系统居多,而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂(7.2MW等。
二、输电环节
(一柔性交流输电技术(FACTS
柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术,近年来在世界上发展迅速。
柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合,以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗、相位角、功率潮流的连续调节控制,从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平,降低输电损耗。
传统的调节电力潮流的措施,如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等,只能实现部分稳态潮流的调节功能,而且,由于机械开关动作时间长、响应慢,无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。
因此,电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。
到目前,FACTS控制器已有数十种,按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类,但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量(如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等,从而增强交流输电或电网的运行性能。
已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器(SVC、静止调相机(STATCON、静止快速励磁器(PSS、串联补偿器(SSSC等。
近年来,柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。
国内也对FACTS进行了深入的研究和开发,每年都有数篇论文发表,但是具有自主知识产权的FACTS设备只有清华大学和河南省电力公司联合开发的±20Mvar新型静止无功发生器(ASVG
(二高压直流输电技术(HVDC
1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成,取代了原有的汞弧阀换流器,标志着电力电子技术正式应用于直流输电。
从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。
新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件,以及脉宽调制(PWM等技术。
省去了换流变压器,整个换流站可以搬迁,可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。
此外,可关断器件组成的换流器,由于采用了可关断的电力电子器件,可避免换相失败,对受端系统的容量没有要求,故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛供电,今后还可用于城市配电系统,并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。
目前,全球已建成的直流输电工程超过60项,其中具有代表性的工程有:
1.天生桥—广州直流输电工程(2001年±500kV,1800MW,980km
2.三峡—常州直流输电工程(2003年±500kV,3000MW,890km
3.三峡—广州直流输电工程(2004年±500kV,3000MW,962km
近年来,直流输电技术又有新的发展,轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器,应用脉宽调制技术进行无源逆变,解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。
同时大幅度简化设备,降低造价。
世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。
(三静止无功补偿器(SVC
SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关,实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。
SVC可以有不同的回路结构,按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器(TSC、晶闸管投切电抗器(TSR或晶闸管控制电抗器(TCR。
我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105~170Mvar,均为进口设备,型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。
国内工业应用的TCR装置大约有20套,容量在10~55Mvar,其中一小半为国产设备。
低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行,但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。
三、配电环节
配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。
电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求,还要抑制各种瞬态的波动和干扰。
电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用,即用户电力(CustomPower技术。
用户电力技术(CP技术和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。
采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力;发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。
CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术,各自的控制器在结构和功能上也相同,其差别仅是额定电气值不同,目前二者已逐渐融合于一体,即所谓的DFACTS技术。
具有代表性的用户电力技术产品有:
动态电压恢复器(DVR,固态断路器(SSCB,故障电流限制器(FCL,统一电能质量调节器(PQC等。
四、其他应用
(一同步开断技术
实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。
美国西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件组成的固态开关,安装在新泽西州的变电站中使用。
GTO开断时间可缩短到1/3ms,这是一般机械开关无法比拟的。
现在,由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。
(二直流电源
许多负载必须使用直流电源,世界上发电总量的20—30%以上直流电形式消费,如电镀、电解等需要大容量可控整流电源。
有些是可以提高产品质量而用直流电源如直流电弧炉炼钢,直流电焊机。
以直流焊机为例,过去直接电焊供电电源是电焊用直流发电机其特殊构造可以实现电流的陡降情况,但它的效率只有30%,重200—300kg,以后晶闸管供电的直流焊机效率可达75%重在100kg左右,而采用IGBT高频逆变的直流焊机,效率在85%以上,重量只有20—30kg,且其控制特征好,可以实现恒流、恒压焊接,脉冲焊接等工艺要求,保证了焊接质量。
(三不间断电源(UPS和各种AC—DC、DC—AC开关电源
程控交换站,计算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上,都广泛应用开关电源,这些开关电源都采用高频化技术,使其体积重量大大减小,能耗和材料也大为降低。
为提高电源的单位功率密度,开关电源高频化是发展的方向。
为减少由于频率提高而使开关损耗增加的问题,从而发展了各种软开关技术。
(四各种频率的全固态化交流电源
这是为各种工业需要的变频电源。
在20世纪80年代末,我国约有20万台60—200KW的高频设备,现在用晶闸管中频感应加热装置已完全取代了中频发电机,国内已形成200—8000Hz,功率为100—3000KW的系列产品。
在高频电源方面则用功率MOSEFT制造出1000KW/15—600KHz(比利时,用SIT(静电感应晶闸管制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz(日本的感应加热装置,效率都在90%以上。
国内已研制出75KW/200KHz的SIT感应加热装置。
这样采用全固态高频感应加热装置可以大大节能。
以风力发电机系统为例
由于简易性以及鲁棒性,失速或者主动失速控制的定速风力发电机系统是2003年以前最常见的系统,该系统的主要结构如图1所示。
主动失速控制主要运用在额定功率超过1MW的大机组,其标准组成是一个齿轮变速箱和无功补偿电容器组。
但是此系统也有一定的缺点,例如输出功率高度不稳定性及其在变速箱的消耗。
图1定速风力发电机系统
当定速风力发电机系统的缺点被描述出来后开始倾向于使用变速恒频风力发电机系统,它的优点在于:
(1)变速运行放宽对桨距调节响应速度的要求,降低桨距调节系统的复杂性.变速恒频风力发电机系统可以和当时风速相协调控制,即:
低风速时桨距角固定,高风速时调节桨距角限制最大输出功率.
(2)变速恒频风力发电机可以减小低风速下的空气动力干扰,使噪声降低.
(3)变速恒频风力发电机以最佳的叶尖速比最大的功率点运行,提高了风力机的运行效率。
(4)变速恒频风力发电机系统可以减少转矩脉动,从而减少了输出功率的波动.
(5)变速恒频风力发电机可以减少叶片和驱动轴上机械应力.
目前,拥有双馈感应电机的变速恒频变桨距调节系统(DFIG)非常流行,在风力发电机系统中将占有重要的地位。
它与定速风力发电机系统相比节省了静止无功补偿器,可以获取更多的电能和提高电网电能质量。
风力发电既可独立运行,也可并网运行。
对于独立运行的风电系统,其可靠性和稳定性不如并网运行的风电,因此风电并网运行成为发展趋势。
风电并网运行与电力电子技术有着密切的关系。
通常有两种与电网连接方式:
一是直接与电网相连,二是通过电力电子器件组成的变换器与电网联接。
直接与电网相连的风电场,为了限制异步发电机在并网瞬间出现较大的冲击电流,配有软并网装置,即在异步发电机定子与电网之间每相串人一只双向晶闸管,并网后由一个接触器的动合触头将其短接。
此外在异步发电机的出口处还装有无功补偿设备。
另外,除了并网联接用的电力电子设备,在风电系统中还有一些并联补偿装置,比如超导储能系统、固定电容器组无功补偿器、静止无功补偿器、静止无功发生器等,这些装置中电力电子技术在其中也起着关键作用。
在下面章节中将对风电系统中的这些电力电子器件所起的作用作一定的论述。
电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展,而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。
一、IGBT
在二十多年的发展历程中,除了保持IGBT基本结构、基本原理的特点不变之外,它经历了六代有各自特色的演变。
迄今为止GIBT仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件。
在风力发电中,因为风速经常变化,IGBT模块在很短的时间内温度波动起伏大,会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热一机械应力,所以提高模块应力十分重要。
此外,在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题,提高模块功率密度也不容忽视。
文献[2]采用IGBT的电压源换流器,具有关断电流的能力,可以应用脉宽调制技术(PWM进行无源逆变,解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。
文献[3]针对风力系统特点而设计了一种采用由GITB组成的“H”型SPWM逆变器,通过控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形,可以控制输出电流;通过控制SPWM的起始角θ,可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源,并使谐波因数、畸变因数达到设计要求。
二、交直交变频器
在变速恒频风力发电系统中,需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。
交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多,输入侧功率因数低,使用功率元件数量多等缺点,易于控制策略的实现和双向变流,特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。
此外,海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制,使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。
三、矩阵变换器
矩阵变换器是一种交交直接变频器,没有中间直流环节,功率电路简单,可输出幅值、频率均可控的电压,谐波含量较小。
应用于风力发电中的矩阵式变换器,通过调节其输出频率、电压、电流和相位,以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解藕控制等,目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法。
因风能是不可直接储存的能源,对于离网型风力发电系统,为了保证供电的稳定可靠,可在多风期间将风能储存起来,以供其他装置使用。
即使在风能资源丰富的地区,若以风力发电作为获得电能的主要方式,也必须配有适当的储能系统。
再者,在风力和其他能源联合供电时,也需要储能技术的介入。
一、蓄电池
风力发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。
在风力一柴油发电系统联合运行中,采用配备蓄电池短时储能的措施,可避免由于风力及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。
此外,蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行,使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。
同样的,在风光互补发电中,也使用蓄电池作为主要的储能方式。
文献[4]中描述了在独立运行风力发电系统中,蓄电池可以决定风力发电系统除了满足负载使用外的输出的功率调整。
文献[5]对于蓄电池在独立运行风力发电系统中的选型及容量确定等作了更深入的研究。
鉴于蓄电池成本考虑,在风力发电系统中,多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。
二、超导储能器(SMES)
开发超导线圈储能的可行性,美国在20世纪90年代就开始研究了。
超导线圈可在超导温度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能,是储存电能的最佳选择之一。
利用超导储能可以吸收或发出有功和无功功率,响应快,容量大,大大减少了电路的损耗。
使用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定,从而使电网稳定。
在详细介绍了超导储能SMES的调节原理及其最优控制方法的基础上,提出在并网型风力发电系统中,建立了SMES模型,同时用基因算法对SMES的控制参数进行寻优,仿真结果表明,SMES单元用于并网形风力发电系统可实现对电压和频率的同时控制,提高了输出稳定性。
指出风电系统中配备储能设备可以提高风电并入电网的容量。
三、不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是指当交流输入电源发生异常或断电时,还能继续向负载供电,并能保证供电质量,使负载供电不受影响的装置。
现代UPS普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率MOSFEI,等现代电力电子器件,效率和可靠性得以提高。
并引入微处理器软硬件技术,实现了智能化管理,可进行远程维护和远程诊断。
风能的随机性较大,发电的稳定性也受到限制,对较偏远地区或者单独运行的风电场来说,不间断电源的使用很有必要。
风力发电场的建立选取风力资源丰富的地区,一般都远离城镇,线路的输送能力也成为风力发电的重要考虑因素。
现在主要采用的是交流输电方式,但存在很多缺点,HVDC已经开始进入风电输电领域。
高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。
它的优点是:
可以用来实现异步联网,线路造价和运行费用较低,一般不需要增加额外装置,更易于实现地下或海底电缆输电等。
新一代HVDC技术采用GTO、GIBT等可关断器件,以及脉宽调制《PWM等技术,它的采用进一步改善了性能、大幅度地简化了设备、减少了换流站的占地、而且降低了造价,使直流输电更有竞争力。
目前,全世界HVDC工程已达60多个,总设备容量超过4OGW。
4.在低浓度0.13~4.6ppm时可闻到臭蛋味。
当浓度高于4.6ppm时,人的嗅觉会钝化而感觉不到H2S的存在。
三、H2S的危害
一)对人的危害
H2S被吸入人体后,通过呼吸道,经肺部由血液运送到人体各个器官。
它首先刺激呼吸道,使人嗅觉钝化、咳嗽,严重时将灼伤呼吸道;刺痛眼睛,严重时将失明。
H2S既而刺激神经系统,导致头晕,丧失平衡、呼吸困难,使心脏加速跳动,严重时因心脏缺氧而死亡。
H2S进入人体,将与血液中的溶解氧发生化学反应。
当H2S浓度极低时,它将被氧化,对人体威胁不大。
而H2S浓度较高时,将夺去血液中的氧,使人体器官缺氧而中毒,甚至死亡。
二)硫化氢中毒症状
1.急性中毒H2S气体会导致气喘,脸色苍白,肌肉痉挛;当H2S浓度大于700ppm时,人很快失去知觉,几秒钟后就会窒息,呼吸和心脏停止工作,如果未及时抢救,会迅速死亡。
而当H2S浓度大于2000ppm时,人体只需吸一口气,就很难抢救而立即死亡。
2.慢性中毒。
人体暴露在低浓度H2S环境下,如体积比浓度为50~100ppm,将会慢性中毒,症状是:
头痛、晕眩、兴奋、恶心、口干、昏睡、眼睛感到剧痛,连续咳嗽、胸闷或皮肤过敏等。
长时间在低浓度H2S条件下工作,也可能造成人员窒息死亡。
当人受H2S伤害时,往往反映为神智不清、肌肉痉挛、僵硬、随之重重的摔倒、碰伤和摔死。
二)对其它物件的腐蚀
1.H2S易溶于水而形成弱酸,对金属进行腐蚀。
对金属的腐蚀形式有:
电化学失重腐蚀,氢脆和硫化物应力开裂腐蚀,一般通称为“氢脆”破坏;
2.加速非金属的变化,它能使橡胶、石棉、浸油石墨等变硬、变脆和失去弹性;
3.对钻井液(特别是水基)有较大的污染,它会使钻井液的密度和pH值下降,粘度上升,以致形成不能流动的胶状,颜色变为墨绿、瓦灰和黑色。
第二节硫化氢的监测及预防
一、H2S的监测
1.在井场H2S易聚集的场所,安装H2S监测仪及音响报警器;
2.在含H2S地区钻井,井场必须配备便携式的H2S监测仪5个、安装固定式硫化氢监测仪1套,防毒面具不少于12套,正压式空气呼吸器不少于12套,备用气瓶5个,充气泵1台;
3.在井场入口、钻台边、震动筛、座岗房、远控台生活基地设置风向标,一旦发生紧急情况,人员可根据风向标的指示,确保朝上风口疏散;
4.钻入油气层后定时对钻井液进行含硫测试;
5.定时对H2S监测器进行标定和校验。
二、井控设备的选材
1.根据地层压力选配相应等级的防喷器和井控管线,并按要求安装和试压;
2.井口的套管及防喷管线不许焊接;
3.放喷管线和压井管线必须有两条,以保证在井喷时放喷在下风,压井时在上风方向;
4.所用管材要在含H2S介质的环境中试验,保证其具有抗H2S腐蚀,在H2S环境中使用不能失效和开裂。
三、井场H2S防护演习
1.现场所有人员要会配戴和使用正压式呼吸器,按应急计划进行定
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