浅谈电力电子技术在电力系统中的应用

1浅谈电力电子技术在电力系统中的应用（东北大学信息科学与工程学院自动化）摘要：电力系统自动化是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、调节和控制，以保证电力系统安全经济的运行和具有合格的电能质量。而电力电子技术对输电有着巨大影响，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。文章首先介绍了电力电子技术在电力系统发电、输电、配电和节能等各个环节的具体应用。然后以风电为例介绍了电力电子技术在可再生能源发电中的应用前景、控制技术及遇到的问题和挑战。最后对电力电子技术在未来智能电网中的应用前景进行了展望。关键字：电力系统直流输电风力发电Abstract:Thepowersystemautomationmeansthatthedeviceautomaticallydetect,controlanddecision-makingfunctionsoftheapplicationofvariouselementseachhavingthepowersystem,thelocalsystemorfullsystemforautomaticmonitoring,locallyorremotely,theregulationandcontroltoensurethesafetyandeconomicpowersystemoperationandwithacceptablepowerquality.Thetransmissionofpowerelectronicstechnologyhasahugeimpactontheapplicationinthepowersystemofthemajorissuesrelatedtoimprovingtransmissioncapacity,improvepowerqualityandimprovegridoperationstability,reliability,flexibilityandcontroltoreducewearandtear.The2articlefirstintroducesthespecificapplicationofpowerelectronicstechnologyinallaspectsofpowersystemgeneration,transmission,distributionandenergyandthelike.Windpower,forexampleandthenintroducedthepowerelectronicstechnologyapplicationsintherenewableenergypowergeneration,thecontroltechnologyandtheproblemsandchallengesencountered.Finally,theapplicationprospectofpowerelectronictechnologyinthefuturesmartgridisdiscussed.Keywords:powersystemHVDCwindpower0引言电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术的融合，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。本文将首先就电力电子技术在电力系统中的应用研究现状进行一个具体阐述。而作为国家能源战略的一部分，新能源发电在电力系统中的发电比重已日益增加，而风力发电无疑是其中的一颗耀眼的新星。由于其清洁无污染、具有良好的社会效应和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。然而随着风力发电技术的发展和应用推广，对风力发电的效率和电能质量的要求越来越高，而应用电力电子技术和控制技术则是实现这些目标的最有效的手段。本文将就电力电子技术在风力发电中的相关应用对电力电子技术在可再生能源发电中的应用前景进行一个较为详细的论述。1电力电子技术在电力系统各个环节中的应用1.1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。1.1.1大型发电机的静止励磁控制。3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。1.1.2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。1.1.3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。1.1.4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。我国实施的送电到乡工程以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。1.2输电环节电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。41.2.1柔性交流输电技术(FACTS)柔性的交流输电技术问世于20世纪80年代后期，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术是一项基于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，自1986年美国专家N·G·Hiogorani提出了FACTS（FlexibleACTransmissionSystem）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视。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)、静止同步补偿器(STATCOM)、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。1.2.2高压直流输电技术(HVDC)直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。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，5全球已建成的直流输电工程超过60项。近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电（HVDCLight）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。1.3配电环节配电系统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，即用户电力技术。用户电力技术（CP）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。1.4节能环节1.4.1变负荷电动机调速运行电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30％左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐6波污染电网。1.4.2减少无功损耗，提高功率因数在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。2电力电子技术在双馈风力发电机组中的应用风力发电综合利用电力电子技术、自动控制等方面研究成果，发展成为电力系统中一个最新的研究领域。风力发电包括两个过程，一个是风能转化为机械能，另一个是机械能转化为电能。变速恒频风力发电系统主要分为双馈异步风力发电机和直驱永磁同步发电机两种。随着大规模电力电子技术的发展，双馈异步发电机的风力发电系统成为发电设备的主要选择方向之一。该类风力发电系统不必使风力机转速保持恒定，而是通过其他控制方式使得频率保持恒定。该类风力发电系统的主要优点如下：(1)采用该风力发电技术运行效率高。由于风轮变速运行，因此，可在较大的风速范围内保持最大功率点和最佳的叶尖速比运行，从而使机组发电效率得到了提高，风力机的运行条件也得到了优化。(2)采用该风力发电技术使得功率因数可调。该类风力发电通过在异步电机的转子侧施加三相低频电流来实现交流励磁，并且控制励磁电流的频率、幅值、相位，从而实现输出电能的恒频恒压。(3)采用该风力发电技术使变桨距调节更加简单。当风速很高时，可以通过调节桨距角来限制最大输出功率，当风速很低时，装距角是固定的。(4)采用该风力发电技术使得风电并网实现了很好的柔性连接，在并网操作及运7行上较普通异步发电系统更容易。2.1双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理双馈电机的结