电力电子的技术应用与成功案例

实用标准文案精彩文档电力电子技术的应用范畴以及成功案例电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。下文是从电力电子技术的应用范畴以及成功案例两个方面来介绍电力电子技术一：电力电子技术的应用范畴1.1电力有源滤波器传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;1.2不间断电源(UPS)不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。实用标准文案精彩文档现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。1.3通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。1.4直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。实用标准文案精彩文档通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。1.5变频器电源变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。1.6高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此实用标准文案精彩文档高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。1.7大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。二：应用电力电子技术的成功案例2.1电力自动化补偿技术电力电子技术、智能控制技术和信息通信技术的不断发展，带动了许多电力新技术、新设备的不断出现，近年来随着城乡电网改造的进行，智能无功补偿技术在各地低压配电网的公用配变被广泛应用，它集低压无功补偿、综合配电监测、配实用标准文案精彩文档电台区的线损计量、电压合格率的考核、谐波监测等多种功能于一身；同时还充分考虑了与配电自动化系统的结合。传统的低压无功补偿技术采集单一信号，采用三相电容器，三相共补这种补偿方式适用于负荷主要是三相负载（电动机）的场合，但假如当前的负载主要为居民用户，三相负荷很可能不平衡。那么各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。投切开关多采用交流接触器其缺点是响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。无功控制策略控制物理量多为电压、功率因数、无功电流，投切方式为：循环投切、编码投切。这种策略没有考虑电压的平衡关系与区域的无功优化。通常不具备配电监测功能采用智能型无功控制策略采集三相电压、电流信号，跟踪系统中无功的变化，以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考限量，依据模糊控制理论智能选择电容器组合，智能投切是针对星—角结合情况。电容投切控制采用智能控制理论，自动及时地投切电容补偿，补偿无功功率容量。根据配电系统三相中每一相无功功率的大小智能选择电容器组合，依据“取平补齐”的原则投入电网，实现电容器投切的智能控制，使补偿精度高。2.3.1科学的电压限制条件可设定的过、欠压保护值，可设置禁投（低谷高电压）、禁切（高峰低电压）电压值，具缺相保护功能，以无功功率为投切门限值。2.3.2可设置投切延时延时时间可调（既可支持快速跟踪无功补偿，也可支持稳态补偿），同组电容投切动作时间间隔可设置，对快速跟踪补偿可设置为零。集成综合配电监测功能综合配电监测功能集配电变压器电气参数测量、记忆、通信于一体，是一套比较完整的配电运行参数测量机构，是低压配电电网中考核单元线损的理想手段。它能随时为电网治理人员提供所需要的各类数据，是为电网的安全运行和经济运行提供可靠的治理依据，是配电电网自动化系统的基本组成部分。主要功能如下：实时监测配变三相数据：电压、电流、功率、功率因数、频率（1～3次谐波）；累计数据记录、整点数据记录和统计数据记录功能，累计计量有功、无功电量；查询统计分析功能并根据输入条件生成各种报表、曲线、棒图、饼图。一般都配有相关的后台处理软件，大多数可实现网络多机操作与数据共享。集成电压监测功能根据电压检测仪标准进行采样与数据统计处理，便于用户考核电压合格率，可用于电压监测考核。集成在线谐波监测功能较好一点的监测终端采用DSP作为CPU，应用FFT快速傅立叶算法，可精确计算测量出电压、电流、功率因数、有功及无功电量等配电参数，还可以分析1～3次谐波，从而实现在线的谐波监测功能，该数据可根据用户要求在后台软件上进行分析处理。总之，随着科技的快速发展进步，高科技企业的增加，电力企业在如何更好地满实用标准文案精彩文档足用户不断提高的需求的同时，还要对用户电网进行更全面的治理、监控，在这个过程中，将有各种新技术、新设备发展起来，未来的无功补偿技术将会更加经济有效。2.2：电力设备远程监测控制系统设计电力设备监控系统能把本地必要的运行信息提供给远方监控系统，特别是关于开关以及保护等行为的信息，以便使当时的值班人员和相应的系统调度人员对其进行实时分析，及时把握安全控制和设备故障处理等隐藏信息，还可以使变配电的损失得到降低，同时也使供电的质量得到了提高。随着电力行业相关领域的技术发展及管理水平的逐日提高，多数变电站的配电室也都已经有了配套的电力监控系统，但多是集中柜式的，可靠性和维护等方面都不尽如人意，人机控制界面也并不像想象中的那么友好，还有处理数据的能力较差等一系列的问题，所以，新型的分布式网络形式的变电站电力设备监控系统的研发和应用变得十分有必要，从而使变电站电力设备的综合控制功能得到较好的改善。1分布式电力监控系统的基本结构框架分布式的电力设备监控系统是指，把电力线路监控仪采用网络化的组合形式进行整合，主机采用的是IBMPC586工业控制机。分布式电力设备监控系统的主要设备有：若干台线路监控仪、IBMPC586工业控制机、网络通信接口和调制解调器。此分布式电力设备监控系统维护起来比较简单，充分的利用了主机软、硬件等资源，并可与调度中心取得联系。2线路监控仪---监控功能的实现机理电力设备监控系统具有遥控和遥测的功能，完成了对电力设备的监测控制任务，可以将电力设备的关于地理分布、运行控制和性能状态等内容的数据集合到一处，然后经过远程网络传输到电力系统的控制中心，并建立起相应的实时数据库，还可以连接到互联网上任意一台计算机，实时地监控电力设备的运行状况。电力设备