【圖文】電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用匯總

1、 大綱 電力電子對(duì)電力系統(tǒng)變革影響 2.1 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 電力電子和電力系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì) 1.1.電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程 19 世紀(jì) 80 年代初 多相交灣電踣JK理 19 世紀(jì) 80 年代末 I 20 世紀(jì)中期 I 0 新型交直流系統(tǒng)新型交直流系統(tǒng) 住戶式供電系統(tǒng) 升壓難度大 規(guī)刪 汞弧換流閥一晶閘管換流器 柔性直流輸電 | 規(guī)模大、戻次負(fù)雜 實(shí) W 性高 潮流由系統(tǒng)陽(yáng)坑決定 負(fù)荷電能質(zhì)武調(diào)節(jié)差 交直流混聯(lián)系統(tǒng) 潮流可控、安全喲定 方式多樣、電能可控 經(jīng)濟(jì)節(jié)能 12 電力電子技術(shù)演變歷程 變流器 超高壓直流輸電 女重化 變頻器 功率開關(guān) 三相全橋 常規(guī)電力 w 電子技術(shù) 不控器

2、件 二極管 單相橋式三相半橋 H 橋級(jí)聯(lián) 直接串聯(lián) 柔性電力 電子技術(shù) 半控器件 晶閘管 MMC 單元串聯(lián) 柔性交流輸電 柔性直流輸電 電力電子a* 全控器件 IGBT、IECT 等 定制電力技術(shù) 至今 減少通態(tài)損 耗提升效率 提升可靠 性 降低諧波 污染 靈活調(diào)度 運(yùn)行 降低成木 減小換流 器人小及 13.電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 2 電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 變頻器 電力機(jī)車 電力系統(tǒng) 變壓器 鳳力發(fā)電 太陽(yáng)能發(fā)電 高壓逹流輸電無(wú)功補(bǔ)償裝呂電動(dòng)汽車充電 LED 2 電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 1、 ( (1) ) 電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 (2) 電力電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 e (3)

3、 電力電子技術(shù)在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 & (4) 電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用 & (1 )電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 電子電力技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用的根本I的是改善電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié) 用水泵及風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能控制系統(tǒng)等。 1.1發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速 當(dāng)前對(duì)發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵實(shí)現(xiàn)變頻控 制般采用離壓或低壓變頻器，其中低 壓變頻已經(jīng)發(fā)展成熟，市場(chǎng)上已經(jīng)由較 多創(chuàng)號(hào)低壓變頻產(chǎn)品。高壓變頻仍IH處 于發(fā)展中，一些高端技術(shù)問(wèn)題仍有待克設(shè)備運(yùn)行效率。屯丿J系統(tǒng)發(fā)屯環(huán)節(jié)設(shè)備主要包括各種型號(hào)發(fā)電機(jī)、發(fā)電 服。 圖1lb風(fēng)機(jī)水泵專用型 變頻器 圖.la風(fēng)機(jī)水泵 (1) .電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 1.2 光伏電

4、站 大型光伏電站由光伏陣列組 件.匯流器、 逆變器組、濾波器 和升壓變壓器構(gòu)成。 對(duì)大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)而言, 無(wú)論其構(gòu)成方式是并網(wǎng)還是獨(dú)立, 都需要進(jìn)行交苴流電轉(zhuǎn)換，因此 往往在光伏控制系統(tǒng)中加入逆變 器，利用其強(qiáng)大追蹤功能實(shí)現(xiàn)對(duì) 13 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁 (1).電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用靜止勵(lì)磁技術(shù) 圖 12 光伏逆變器 當(dāng)前使用的靜止勵(lì)磁具有價(jià)格經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.穩(wěn)怎性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，主要采用 晶閘管整流自并勵(lì)方式展開工作，已廣泛運(yùn)用于各大電力系統(tǒng)中。可節(jié)省傳統(tǒng) 電力系統(tǒng)的勵(lì)磁機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。 光伏控制系統(tǒng)的控制工作。 (1).電力電子在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 13 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁 水力和風(fēng)力

5、發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁 水力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用交流勵(lì)磁技術(shù)，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了 發(fā)電系統(tǒng)對(duì)水頭壓力和水流量動(dòng)態(tài)變化的快速調(diào)節(jié)，改善了發(fā)電品質(zhì)，提升了 發(fā)電效率。 13 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁 汽輪發(fā)電機(jī)組中的自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) II 前，國(guó)內(nèi)自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)組中已獲得了廣泛的應(yīng)用。由十自 勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，并具有固有的高起始的快速響應(yīng)特性，故在 應(yīng)用上充分顯示出其優(yōu)越性能。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司 成套提供的由 ABB 公司生產(chǎn)的 Q5S-0/U251-S6000 型發(fā)電機(jī)靜止口并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。 主要由機(jī)端勵(lì)磁變壓器、可控硅整流裝置、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)、滅磁與

6、過(guò)電 壓保護(hù)裝置和啟勵(lì)裝置等組成。 （2）.電力電子在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 2直流輸電 直流輸電包插常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電。常規(guī)直流輸電采用基于晶閘管的 換流器：柔性直流輸電采用肚于全控器件的換流器。 兩者比較 傳統(tǒng)高壓宜流輸電 柔性宜流輸電 韶牛 晶閘管（半控） IGBT（全控） 運(yùn)行范圍 兩相限 四相限 潮流翻轉(zhuǎn) 電壓方向改變 電流方向迤 占地面積 大 小 換相失敗 有 無(wú) 傳輸功率 8GW ABB 和中國(guó)電力科學(xué)研究院等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外公司對(duì)基于 MMC 技術(shù)的 HVDC 輸電系統(tǒng)工程進(jìn)行了成功的商業(yè)化推廣。 （2）.電力電子在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 2.2FACTS 技術(shù) 柔性交流輸電系統(tǒng)（FACT

7、S）:是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、 通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。 冃前，在我國(guó)部分高等院校、電力生產(chǎn)和設(shè)計(jì)部門及一些電氣設(shè)備制造廠家 都已開始 FACTSA 技術(shù)方面的規(guī)劃和研究試制工作。如在靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、 靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）.統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）和可控串聯(lián)電容補(bǔ)償器（TCSC） 等方面均己有較深入的研究。 輸電網(wǎng)SVC設(shè)備。 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償器（TCSC） (3) .電力電子在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 3.配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用 在配電壞節(jié)中，有效地控制是確保電能質(zhì)量的關(guān)鍵。電能質(zhì)量的控制需要 在配電過(guò)程中對(duì)于頻率.諧波.電壓等要求進(jìn)行有效地

8、滿足，并且對(duì)干擾和瞬 態(tài)波動(dòng)問(wèn)題的干擾進(jìn)行避免。現(xiàn)階段，電力電子技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，基于 DFAC7TS 的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用，可以有效地對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行保證。隨著 柔性交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，配電質(zhì)量的控制方式得到了豐富和進(jìn)一步 的發(fā)展。DFACTS技術(shù)可以被視為縮小版的 FACTS 設(shè)備技術(shù)，二者工作原理性 能、結(jié)構(gòu)、功能都存在一疋的相似性。隨著電力電于貉件不斷發(fā)展，市場(chǎng)上電 氣設(shè)備出現(xiàn)求過(guò)于供的現(xiàn)象，DFACTS 設(shè)備市場(chǎng)前景廣闊，市場(chǎng)需求量。 DFACTS 設(shè)備市場(chǎng)介入相對(duì)容易。而且該設(shè)備的成本投入比較少，技術(shù)開發(fā)比 較簡(jiǎn)單。隨著市場(chǎng)不斷發(fā)展，DFACTS 設(shè)備產(chǎn)品將進(jìn)入高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)

9、。 (4) .電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用 44減少無(wú)功損耗，提高功率因素 電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中既消耗有功功率，又消耗無(wú)功功率，由此可見，無(wú)功功 率在功能性方而與有工功率類似，因此無(wú)功電源和有功電源相似，提升無(wú)功功 率工作效率能夠從根本上提升電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)中減少無(wú)功損耗具有逍耍意 義，倘若電力系統(tǒng)屮無(wú)功電源未達(dá)到平衡將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓卜降，并由此直接 導(dǎo)致功率因數(shù)卜降，設(shè)備因此遭受損壞，并町能出現(xiàn)更大范圉的停電事故，彫 響人們正常生活.生產(chǎn)，因此需增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備設(shè)施，當(dāng)電力系統(tǒng)無(wú)功功率 容量存在不足時(shí)便自動(dòng)補(bǔ)償，以此提升設(shè)備功率。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更名應(yīng)用于耆強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)怎性和電能質(zhì)量

10、 問(wèn)題治理的功率變換裝置, syn chr on ous-compensator, controller, UPFC）等 o .電力電子在節(jié)能環(huán)節(jié)的應(yīng)用 4.2 電能質(zhì)量 無(wú)功補(bǔ)償： 采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)定.解決負(fù)荷電圧 閃變和不平衡等問(wèn)題有車要作用。鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器（STATCOM）可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立 分相比如用 J：輸電等級(jí)的靜上同步補(bǔ)償器(static- STATCOM).統(tǒng)一潮流控制器(unified-power-factor- 補(bǔ)償和模塊化兀余設(shè)計(jì)，與靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）相比，具有無(wú)功功率連續(xù)可 調(diào)、總諧波畸變率小、響應(yīng)速度快.效率與可靠性高.易于擴(kuò)展

11、和占地面積小等優(yōu) 點(diǎn)： 諧波治理： 諧波治理分為從諧波源本身出發(fā)抑制諧波的主動(dòng)諧波治理和增加額外諧波治理 裝置的被動(dòng)諧波治理。主動(dòng)諧波治理采用笫匝化技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)，降低變流裝 置注入電網(wǎng)的諧波。被動(dòng)諧波治理采用混合型.級(jí)聯(lián)型有源電力濾波器（APF）和統(tǒng) 一電能質(zhì)雖調(diào)節(jié)器（UPQC）等在諧波源外部進(jìn)行動(dòng)態(tài)諧波治理，可以減少網(wǎng)側(cè)電流 諧波含量，提高電力設(shè)備效率和利用率。 電壓暫降抑制： 在中低壓電力系統(tǒng)中，電壓暫降可引起企業(yè)的生產(chǎn)中斷.設(shè)備損壞和產(chǎn)品報(bào)廢。 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是一種基于電壓源逆變技術(shù)的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器，可 以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償正序.負(fù)序和零序電壓，抑制不平衡的電壓暫降。目前，采

12、用從電網(wǎng)提 取能疑.無(wú)串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的發(fā)展方向。 3.電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 2016 年 3 月 10B, 0 本東京訊一一全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電了株 式會(huì)社（TSE： 6723）,于今口宜布推出第八代 G8H 系列絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT）的八款新產(chǎn)甜，其可將用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器中的轉(zhuǎn)換損 耗降至最低，并減少不間斷電源（UPS）系統(tǒng)中的逆變器應(yīng)用 新書第八代 IGBT 的主要特點(diǎn)包括： （1） 切換更快，具有業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗特性，是反相電路的理想選擇 （2） 得益于低開關(guān)噪聲，無(wú)需安裝外部柵極電阻 （3） TO-247 封裝具有

13、優(yōu)異的散熱性；可確保在 175 C 的高溫下運(yùn)行 （4） TO-247plus 離散封裝類羽中首個(gè)帶內(nèi)置二極管的 1250VIGBT,町用于額定功率 為 100C 的 75A 電流環(huán) Renesas 8th-GenerMkx) )IGBTt IMuee Power LOM CAuted By Power Conversion 3.電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 表1先進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展路段圖 Tab. 1 Development routine chart for advanced power electi onks 電電子技術(shù) ”10年 血0年 2030年 全I(xiàn)II煩紈醸眥股技利駐 燦狀酗及鈾主醴

14、諭電IU裝酗 于血電邨電財(cái)， 僦 實(shí)如橄柔性讎馳T鞋蔽 般 吐颯產(chǎn)權(quán);柔性克?謚電緻的技術(shù)比熟并饑赭電技術(shù)祖發(fā)啊領(lǐng)伽. 馳乳 瞄岐暫電的馳 a全毗田內(nèi)推廣應(yīng)用新型曲進(jìn)電迄入漏 m. 娥特緬業(yè)啊控串札戰(zhàn)電技獻(xiàn)剜FACTS我世佛馳咧啲廣及電加l! f技術(shù)及其產(chǎn)仙如躲 小靂.騎舸釋的工酥狙完成聊覘實(shí)現(xiàn)FACTS技材身及販用酬紈化、單元化、融仏 牡完郵系 FACT渕胃棉能化火復(fù)技術(shù)側(cè)益購(gòu). 址理齢系. 完成噥化配物松制電熾硝代 脫能眈網(wǎng)畝mu旄戌刪血 完全標(biāo)準(zhǔn)化的綁電力產(chǎn)品和誡 您弋啊刪究；完成上贈(zèng)制電力產(chǎn)刪技電網(wǎng)解能仏實(shí)號(hào)制電力產(chǎn)帥贈(zèng)弓1帥龍分刪益大彌觸耽純力 沖如 術(shù)痂媲 完淞妣力國(guó)區(qū)紅龍姒im

15、姒標(biāo)紈涯國(guó)綁胖廣便用定技術(shù)。 示鼠 制電力收. 實(shí)酬冰渤出動(dòng)電機(jī)T蘇戀完刪 埶大峨儲(chǔ)潺綁朋訓(xùn)能齡照$形成M化4諛的;H腿驟化 能熱換處 用電力電子技術(shù)姒大戕恥并忖雉現(xiàn)千兆慚恥場(chǎng)髙和涮忖1業(yè)做處裝帳塊;花雜中紂應(yīng)用大說(shuō)飄電接 技棉航 靜濰化生產(chǎn). 入技札 3.電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì) 高頻化.集成化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化和智能化是電力電子器件耒來(lái)的主耍發(fā)展力向。 （1） 隨肴電力電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，對(duì)電力電子器件性能指標(biāo)和可靠性的 要求也日益苛刻。具體而言，耍求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工 作溫度.更強(qiáng)的散熱能力.更高的工作電壓、更低的通態(tài)壓降.更快的開關(guān)時(shí)間, 而對(duì)丁航天和軍韋應(yīng)用，還要求

16、有更強(qiáng)的抗輻射能力和抗振動(dòng)沖擊能力。特別是 航天、航空.艦船.輸變電.機(jī)車.裝甲車輛等使用條件惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域，以上 要求更為迫切。 （2） 未來(lái)幾年中，盡管以硅為半導(dǎo)體材料的雙極功率器件和場(chǎng)控功率器件己趨 于成熟，但是各種新結(jié)構(gòu)和新工藝的引入，仍可使其性能得到進(jìn)一步提高和改善, Coolmosx 各種改進(jìn)型 IGBT 和 IGCT 均有相當(dāng)?shù)纳透?jìng)爭(zhēng)力。 （3） 電力電子器件的智能化應(yīng)用也在不斷研究中取得了實(shí)質(zhì)成果。一些國(guó)外制 造企業(yè)己經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的 IPM 智能化功率模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、運(yùn)行可 靠性髙，并具有自診斷和保護(hù)的功能。 （4） 新型高頻器件碳化硅和氮化稼器件正在迅速發(fā)展

17、，一些番件有望在不遠(yuǎn)的 將來(lái)實(shí)現(xiàn)商品化3 .電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用 外殼及 功率1 擔(dān)制 底層 冷卻 電子1 電路 1軟件 擔(dān)制算 法軟件 新能源汽車三大核心技術(shù)：整車控制器(VCU)、電機(jī)控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS) 是最重耍的核心技術(shù)，對(duì)整車的動(dòng)力性.經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響 VCU 是實(shí)現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃 汕車無(wú)需該裝置。VCU通過(guò)采集油門踏板、擋位.剎車踏板等信號(hào)來(lái)判斷駕駛員的駕 駛意圖：通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)(車速.溫度等)信息，由 VCU 判斷處理后，向動(dòng)力系統(tǒng). 動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送午輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時(shí)控

18、制乍載附件電力系統(tǒng)的工作模 式：VCU 具有幣車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能。 3 .電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用 MCU 是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過(guò)接收 VCU 的車輛行駛控制指令, 控制電動(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)連，馳動(dòng)乍輛行駛“實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池的直流電能錢 換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時(shí)，MCU 具有電機(jī)系統(tǒng)故 障診斷保護(hù)和存儲(chǔ)功能。 DIEV, con 第一電動(dòng) M C U DIEV .COM 第一電云力 VCU 外殼 硬件 底層 電路 軟件 3 電力電子技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用 NARI GROUP CORPARATION 電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，通過(guò)熱管理設(shè)計(jì)與仿克 優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連 接路徑；通過(guò) BMS 實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。 能源互聯(lián)網(wǎng)是 以旦聯(lián)網(wǎng)