智能配电网电力电子技术(第十讲)

智能配电网中电力电子技术黄伟教授华北电力大学.电气与电子工程学院报告提纲智能配电网的技术特征及可控性分析电力电子控制的发电技术电力电子控制的配电网运行与控制电力电子控制的能源管理结论一、智能配电网的技术特征及可控性分析智能配电网中电力电子技术智能配电网技术特征及可控性分析可再生能源和微电网的接入1、包括风力发电、太阳能发电、生物质发电、燃料电池、小型燃汽轮机等；2、剩余能量回收及回馈；3、即插即用（PlugandPlay)。信息技术的渗透在发电、输电、配电各个环节中大大增强了系统的可观性和应用数字控制的条件。驱动智能配电网技术的三要素：智能配电网技术特征及可控性分析新应用的开发用户能源管理的开发支持实时（动态）电价，让用户选择用电时间，更好地削峰填谷，适应分布式发电的间歇性特点；支持用户自备分布式发电、储能装置并网；支持电动车的接入选择低电价时段充电可在电价高时向电网送电驱动智能配电网技术的三要素：智能配电网技术特征及可控性分析可靠性方面具有自愈（故障重构）功能，最大程度地减少电网故障对用户的影响；在主网停电时，应用分布式电源微网（Microgrid）保障重要用户的供电。电能质量方面实现电压、无功的优化控制，保证电压合格率；实现敏感用电负荷的不间断连续供电。智能配电网的主要特征：智能配电网技术特征及可控性分析交互性能方面支持大量分布式电源接入，具有即插即用功能；支持用户能源管理，实时电价，支持发电、储能装置、快速充电负荷接入。电网资源优化利用方面合理控制潮流，提高系统容载比，充分利用系统容量；减少投资，减少设备折旧，使用户获得更廉价的电力。智能配电网的主要特征：智能配电网技术特征及可控性分析自动化方面对配电网及其设备进行可视化管理；实现配网设备管理、生产管理的自动化、信息化。智能配电网的主要特征：智能配电网技术特征及可控性分析智能电网的系统结构：智能配电网集成方法的知识要素：智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网技术特征及可控性分析从系统观点理解智能电网：智能配电网1、不同时间尺度下的完全能观；2、不同空间尺度下的完全能观；3、系统状态变量的完全能观；4、网络拓扑结构的完全能观。1、不同时间尺度下的完全能控；2、不同空间尺度下的完全能控；3、系统状态变量的完全能控；4、网络拓扑结构的完全能控。完全能观完全能控智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网的可控性：时间尺度上的能控性：（响应时间的要求）静态能控性智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网的可控性：时间尺度上的能控性：（响应时间的要求）动态能控性闪变改善率K（％）无功补偿度C（％）100806040200020406080100τ=10msτ=20msτ=15msτ=5ms电压闪变改善与无功补偿的动态特性智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网的可控性：空间尺度上的能控性：被控状态变量的灵敏度分析寻求控制设备的最佳安装位置智能配电网可控性研究：1.系统内可控设备资源的综合优化协调作用2.系统内的可控设备的布局及其作用范围3.电力电子设备控制的优势体现智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网的可控性：系统状态变量的能控性：（维持拓扑结构不变的控制方式）确保配电系统安全可靠性指标（机电暂态稳定、电磁暂态稳定）确保配电系统的供电电能质量指标智能配电网可控性研究：1.电能质量范畴内的系统状态变量可控性分析2.有功潮流控制的系统状态变量可控性分析3.电力电子设备的控制能力智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网的可控性：系统拓扑结构的能控性：（系统结构及参数变化的控制方式）提高配电网自愈能力提高配电网的交互性能，适应用户能量管理的需求智能配电网可控性研究：1.故障隔离及重构技术（基于电力电子技术的开断技术，基于电力电子技术的故障限流技术）2.基于网络参数调整的配电网运行与控制3.电力电子设备的控制方式（相控与脉宽调制）电力电子技术应用的性能分析：电力电子技术在电力系统中应用的技术内涵：应用电力电子开关变换器，寻求电能量进行功率化的实现方法，用于解决电力系统运行与控制中存在的任何问题。（但不是万能的）电力电子技术的控制方式：相控方式(以工频相位参考的控制方式）脉宽调制（PWM)控制方式（开关频率依赖于电力电子器件的进步）智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子技术的内容：电力电子器件（晶闸管，IGBT，IGCT）电力电子变流技术（AC-DC，DC-DC，AC-AC，DC-AC）电力电子系统（电力电子变换器与电力系统的结合）智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子器件的进展智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子功率变换器智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子功率变换器智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子功率变换器智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子变换器与电力系统：智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子变换器与电力系统之间关键技术问题：系统可靠性1、在电力电子系统可控范围内，电力电子控制的意义在于确保电力电子装置的可靠性、安全性以及控制的鲁棒性；2、在电力系统可控范围内，电力电子控制的意义在于满足电力系统运行与控制要求的性能指标。智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子变换器与电力系统之间关键技术问题：系统的容错能力在电力电子系统可控范围内，电力电子装置控制系统误码出错后，电力电子装置继续正常运行的能力。例：直流输电系统（HVDC）存在偶尔的换相失败现象，一般情况下，系统能承受这种换相失败而继续运行。智能配电网面向网络化的数字控制，更需要电力电子装置系统需要具备这样的能力。智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子变换器与电力系统之间关键技术问题：低电压穿越特性在电力电子装置外部的电力系统出现故障时，甚至负荷的突变，都有可能引起接入电网的系统电压降低。对于复杂拓扑结构的电力电子装置，装置内部的低电压动态过程是值得关注的，也是影响电力电子装置安全可靠工作的重要因素之一。智能配电网技术特征及可控性分析电力电子技术应用的性能分析：电力电子变换器与电力系统之间关键技术问题：电磁兼容问题在电力电子系统可控范围之外，电力电子装置面临着非常复杂的电磁环境，来自电力系统的以及电力电子装置自身产生的内部瞬态过电压也是威胁电力电子装置安全的重要因素之一。而且电力电子装置内部过电压没有很好建模方法与计算，实际中如何避免和消除过电压一直困扰阻碍电力电子技术的推广应用。智能配电网技术特征及可控性分析智能配电网中电力电子技术二、电力电子控制的发电技术（分布式发电技术及微电网）分布式发电系统与微电网：分布式发电系统（DG）：利用各种分散存在的能源进行发电的系统，如风能、太阳能等可再生能源发电系统天然气为燃料的冷/热/电联供系统电力电子控制的发电技术优点：可利用丰富的清洁和可再生能源缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性分布式发电系统与微电网：分布式电源并网运行面对的问题：电源特性决定：不可调度（可再生能源）功率波动（电源间歇性）需要备用（不提供备用）双向潮流导致：电压调节保护协调能量优化电力电子控制的发电技术分布式发电系统与微电网：微电网（Microgrid）：包含各种能源输入（光、风、氢、天然气、余热等）各种转换单元（光/电、热/电、风/电，直流/交流）可以独立运行，也可以并网运行。电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电能转换控制：风力发电系统1、双馈电机的变流器(实现转差功率的转移）2、直驱式交直交变流器电力电子控制的发电技术向大功率、直驱式、变转速、变桨距、永磁电机和最优控制方向发展。电力电子技术的应用：电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电力电子控制的发电技术双馈电机系统电力电子技术的应用：电能转换控制：2、光伏发电系统3、燃料电池功率系统电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电力电子控制的发电技术光伏发电电力电子技术的应用：电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电能转换控制中关注的研究内容：1、最大功率跟踪问题任何可再生能源发电系统，由于其电源容量非无穷大，必然存在最大功率跟踪控制问题。2、低电压穿越特性电压降落处于一定范围时，再生能源发电系统必须具备保持与电网相连的能力，甚至起到无功功率支持作用，这就是低电压穿越特性。3、微电网内电力电子装置的控制针对并网的微电网运行与控制，大电网的控制不能对微电网内部任何元件起作用，相对于大电网，微电网内元件不可观，也不可控。因此电力电子装置设计时要适应自稳定的要求。电力电子控制的发电技术电力电子技术的应用：电能质量控制：适应再生能源发电系统的功率波动，需要安装无功补偿装置。无功补偿装置：静态的开关投切电容补偿装置（SC）静止无功补偿装置（SVC）磁控电抗器（MCR）静止同步补偿器（STATCOM）电力电子控制的发电技术智能配电网中电力电子技术三、电力电子控制的配电网运行与控制与电力电子相关的配电网运行控制：有功潮流控制电压与无功控制电能质量控制故障隔离与网络重构电力电子控制的配电网运行与控制相关概念：1、定制电力技术（Custompower):用户第一，为用户提供电能质量满足其特定需求的电力。配电网运行控制的电力电子设备：配电系统用的统一潮流控制器（UPFC）柔性直流输电技术（HVDC-light）无功补偿装置（SC、SVC、MCR、STATCOM）动态电压恢复器（DVR）有源电力滤波器（APF）统一电能质量调节器（UPQC）固态断路器（SSCB）故障电流限制器电力电子控制的配电网运行与控制有功潮流控制：电力电子控制的配电网运行与控制X可控串联补偿ControlledSeriesCompensation短路电流限制器ShortCircuitCurrentLimiterXt正常状态故障,增大阻抗故障时刻sin(21PUUX12)系统1系统21U12U2XP可控高抗UUI静止无功补偿器StaticVarCompensator电力电子装置在其中仅仅起到一个功率转换作用，等效地改变网络参数或者系统状态。有功潮流控制（柔性直流输电系统）：电力电子控制的配电网运行与控制柔性直流输电系统结构示意图有功潮流控制（柔性直流输电系统）：电力电子控制的配电网运行与控制有功潮流控制（柔性直流输电系统）：电力电子控制的配电网运行与控制有功潮流控制（柔性直流输电系统）：电力电子控制的配电网运行与控制连接分散小发电厂作为风电与电网接入系统实现海上供电构筑城市直流输配电网统一电能质量调节器（UPQC）：电力电子控制的配电网运行与控制静止同步补偿器（STATCOM）：电力电子控制的配电网运行与控制ILUinverterUsystemILSVGSystemSTATCOM的基本原理：将电压源型逆变器经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。静止同步补偿器（STATCOM）：电力电子控制的配电网运行与控制10KV逆变器主电路结构逆变器1逆变器2逆变器N逆变器1逆变器2逆变器N逆变器1逆变器2逆变器NA相C相B相10KV10KV10KVdiu1iSoiu2iS3iS4iS无变压器，直接与高压连接无启动回路占地小绝缘要求高需要冗余单元调整算法程序，可以实现谐波、无功统一补偿静止同步补偿器（STATCOM）：电力电子控制的配电网运行与控制链式STATCOM的某钢厂现场应用有源电力滤波器（APF）：电力电子控制的配电网运行与控制=+电源非线性负载I.电源I.负