电力电子技术在电力系统中的应用

信息科学与技术学部电力电子技术论文 题目： 电力电子技术在电力系统中的应用 专业年级：14级自动化 学号： 姓名： 指导教师：张晓丹 2023年 5 月 4 日【摘要】电力电子技术是应用于电力领域的电子技术,它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。本文概括性的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。1 引言电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。其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。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张的说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。2 电力电子技术在电力系统各个环节中的应用2.1 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征为主要目的。（1） 大型发电机的静止励磁控制。在我国范围内乃至全球范围内的各个大型电厂发电机组中，运用的最为普遍的静止励磁系统，电力电子技术的发展，使电子技术取代了励磁控制中的励磁机环节，使静止励磁实现了简单的控制构造和高性能低成本的运作。同时由于电子技术代替了励磁机的环节，使静止励磁能够对自身进行迅速有效的调节，提高电力系统的运行效率。（2） 变频调速。以发电厂风机水泵的变频调速为例。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。（3） 在太阳能发电的控制系统中，电子技术的作用尤为突出，太阳能作为21世纪被广泛重视的新型能源，发展太阳能发电产业是整个国家乃至远世界的战略目标。然而由于太阳能发电本身的功率过大，在使用太阳能发电机组发电的时候，需要将生产出来的电能进行转换，这个时候就需要大功率的电流转换器。而电子技术能够很好的解决这一问题。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34kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以1015kW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。2.2 输电环节电力电子技术在输电线路中的应用主要体现在柔性交流电技术、高压直流电技术以及静止无功补偿器等上。（1） 柔性交流输电技术（FACTS）产生于上世纪80年代，主要以柔性的交流输电设备为代表方式广泛的应用于输电线路中。在电力的输送过程中，由于传统电力功率的控制方法过于粗糙，无法实现在输电过程中对电能的调整，使输电过程中产生大量的电力损耗和高昂的输送成本。而柔性交流输电技术的主要内容是在输电线路的重要部位使用电力电子控制装置，对输电系统中的各项参数进行适时的控制。以实现输送过程中电能功率的合理分配，降低输电过程中的输送成本和电能消耗，大幅度的提高电力系统的稳定性和可靠性。（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。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。近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电（HVDC Light）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。（3） 静止无功补偿器（SVC）于20世纪70年代兴起，现在已经发展成为很成熟的FACTS装置，其被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿（电压和无功补偿），在大功率电网中，SVC被用于电压控制或用于获得其它效益，如提高系统的阻尼和稳定性等；这类装置的典型代表有：晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105170Mvar，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1055Mvar，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。2.3 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。2.4 节能环节电子技术在电力系统节能方面的应用主要体现在两个方面，分别是：变负荷电动机调速运行方面和提高电能使用率方面。（1） 变负荷电动机调速运行。电动机节电主要是表现在两个方面：一个是电动机本身挖掘节电潜力;另一个是通过变负荷电动机的调速技术。只有将二者结合起来，才使得电动机节电方面变得较完善。交流调速目前在矿山和冶金等行业的电力系统中应用较为广泛。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，产生高次谐波污染电网。（2） 减少无功损耗，提高功率因数。在电气设备中，其器具包括变压器在内的主要设备都是属于感性负载。他们在运行时，不但消耗电气设备的有功功率，还消耗它的无功功率。无功电源和有功电源是一样的，是用来保证电能质量的重要环节。所以，当电气设备中的无用功的容量比较小时，应该增装无功补偿设备，从而使得设备功率因数得到很大的提高电力电子技术在电力系统中的应用文章电力电子技术在电力系统中的应用。3 总结根据世界上较为发达的国家进行的预测和判断，今后将有百分之九十以上的电能需要利用电力电子技术进行处理之后，才可以进行使用。电力电子技术与百分之九十五的现代的工业以及各种民用的机电设备有很大的关系。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，已经在国民经济中发挥着巨大的作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。电力系统发达国家在用户最终使用的电能中,有六成以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中,是离不开电力电子技术的。电力电子技术发展是以电力电子器件为核心,伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。在可预见的未来，随着各学科新理论、新技术的发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，及计算机技术和控制技术的不断发展，电力电子技术在未来智能电网电力系统中必将具有更为广阔的应用前景。