1、.柔性电力技术 智能电网环境下的电力电子技术应用韩民晓韩民晓华北电力大学华北电力大学柔性电力技术研究所柔性电力技术研究所2011.3.22.电能利用在人类能量利用电能利用在人类能量利用中的比例？中的比例？电能的利用形态？电能的利用形态？电力工程3040一百年来人类技术领域一百年来人类技术领域最杰出的成就？最杰出的成就？发电输电配电用电.当今世界所当今世界所面临的主要问题？面临的主要问题？能源与环境问题！电能高效、高稳定性、高品质的产生、传输与利用重要解决方案：电力电子技术！.电力电子技术（Power Electronics)基于功率器件构成的基于功率器件构成的电路与系统电路与系统能够对电能进行
2、变换与控制的技术能够对电能进行变换与控制的技术.电能一次经过电力电子电能一次经过电力电子设备的比例？设备的比例？电力电子技术应用的电力电子技术应用的功率范围和领域？功率范围和领域？计算机、TV、调光灯变频空调、冰箱高压直流输电、电气化铁道2000：502010：75800GW50功率范围：mWMW应用领域：身边的电力电子技术？身边的电力电子技术？.电力电子技术的应用领域 电力电子器件技术的应用电力电子器件技术的应用 电力系统 产业、交通领域 GTO IGBT MOSFET 晶闸管 100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 100 1k 10k 100 k 1M 控制容量（V
3、A） 工作频率（Hz ） 信息处理领域 .Scope and Applicationsn电力系统：电能的产生、传输 n交通运输：电力机车、电动汽车n航空航天：电源与动力系统n节能与环保：照明、电机驱动n工业自动化系统：电源与控制n加工企业：电焊、电解、电镀、电加热.传统电能的产生输配及应用L 1L 2L 3L 4L 52 2 0 K V5 0 0 K V2 2 0 K V1 1 0 K V1 1 0 K V1 0 K V1 0 K V3 8 0 V6 K V .传统的电力系统特点n发、供、用必需同时完成n各机组必需严格同步n潮流只能由系统阻抗决定n供电模式单一n电能质量只能实现静态调节n负载电
4、力调节特性差n负载电能利用效率低.现代社会对电力需求的新特点n控制灵活、形式多样的发电系统：n出力动态调节的需求n规模化可在生能源发电技术的发展n潮流可控、安全稳定的输电系统:n电力市场发展的需求n远距离、大功率、高电压电能传输的需求n模式多样、质量可控的配电系统：n分布电源技术发展与应用的需求n动态电能质量控制的需求n可控性好、高效节能的用电系统：n用电设备控制特性的需求n节能与环保的需求.传统电力技术应用及其局限n传统电力技术的应用：n新建电力传送线路；n负荷中心建立电厂；n局限：n电力市场使投资风险增加；n环境资源对新建线路与电厂的限制；n无法应对非线性负荷的快速增长；n无法应对分布电源
5、的作用；n无法满足高电能质量的要求；.国外智能电网研究概况驱动因素 .AMR的效益的效益n总体发展目标：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网领先的坚强智能电网n主要特征：技术上实现信息化、数字化、自动化、互动化；管技术上实现信息化、数字化、自动化、互动化；管理上实现集团化、集约化、精益化、标准化理上实现集团化、集约化、精
6、益化、标准化n基本内涵：坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动互动n基本构架：电网基础、技术支撑、智能应用、标准规范电网基础、技术支撑、智能应用、标准规范n应用环节: 发电、线路、变电、配电、用户、调度发电、线路、变电、配电、用户、调度中国智能电网的定义中国智能电网的定义2022-6-214.电力电子技术是实现智能电网控制功能的执行单元柔性电力技术可对电能进行变换与调节的技术.智能电网控制技术的构成.柔性电力技术概念图.nASPSAdjustable Speed Pump Storage,可变速抽水蓄能nVFDVariable Freque
7、ncy Drive,变频调速技术在火电厂中的应用n风力发电的功率调控n太阳能发电功率变换n燃料电池应用中的功率变换n微型燃气轮机发电中的功率变换发电系统的柔性化技术.输电系统的柔性化技术HVDCHigh Voltage DC transmission, 高压直流输电UPFCUniform Power Flow Controller,统一潮流控制器TCSC Thyristor Controlled Series Compensator,晶闸管控制串联补偿SVC Static Var Compensator , 静止无功补偿器SVG Static Var Generator (STATCOM),
8、静止无功发生器SMES Super-conducting Magnetic Energy Storage，超导储能.配电系统的柔性化技术A.F.Active Filter,有源电力滤波器DVRDynamic Voltage Regulator, 动态电压调节器SCB Solid-state Circuit Breaker, 固态断路器D-SVC Distribution Var Compensator 配网静止无功补偿器D-SVG Distribution Var Generator (STATCOM)配网静止无功发生器HVDC light 轻型直流输电DSMES Distribution S
9、MES，配电系统用超导储能.用电设备的柔性化技术PQR Power Quality Regulator,电能质量调节器UPSUninterruptable Power Supply,交流不间断电源F.C. Frequency Converter,频率变换器VFDVariable Frequency Drive,电机变频调速技术EB Electronic Ballast, 照明电力电子电源 IHInduction Heating, 感应加热.短片短片FACTS & Custom Power.电力电子技术的三个层面PE 器件PE 电路PE系统.电力电子器件的分类电力电子器件不可控器件(Diode)
10、半控器件(Thyristor)全控器件电平触发(Level triggered)IGBT MOSFET脉冲触发(Pulse triggered)GTO.Si 材料电力电子器件的发展状况.光触发晶闸管 LTT新型光敏区新型门射极结构优化质子辐射技术8kV/3.6kA LTT:_导通压降：2.7V_触发功率：8mW_dv/dt : 3000V/s_di/dt: 300A/ s.全控器件发展历程.IGCT & IEGTn晶体管的关断特性与晶闸管的导通特性相结合n门极低电感设计、关断发生在变成晶体管之后n无需吸收电路n较IGCT导通电阻小，损耗小n驱动控制更为简单.Si-SiCSi材料的 物性极限Si
11、C结晶体构造多样4H-SiC(4层6方体结构）能量禁制带幅高，特别适于电力控制.Si，SiC特性对照SiC材料的耐压水平比Si材料可提高10倍；SiC耐温水平提高23倍，这表明Si器件的通过电流的能力提高2 倍；SiC材料器件散热设计简单，从而SiC材料器件的综合功率处理能力比Si材料器件可提高一个数量级；速度的提高及热传导性能的改善，工作频率可以提高610倍。.器件体积与损耗SiSiC1/5-1/10.SOURCECONVERTERSINKDC or ACAC or DCPE converter AC /DC converter(rectifier)DC/DC converter(DC ch
12、opper)DC/AC converterAC/AC converter(VFD Cyclo-converter)电力电子电路.矩阵换流器.H 桥式多电平换流器.波形示例波形示例单元波形移相最优开关PWM相电压输出到电机的线电压.模块化多电平换流器.柔性电力依赖的技术之二能量缓冲能量平衡能量后备.蓄能技术及其发展蓄能设备理论能量密度(Wh/kg)目前能量密度(Wh/kg)效率（%)目前寿命（充放电回数）铅酸电池16735801500NaS电池780100872250飞轮储能5-101.880105超级电容10385-98105超导储能30020090107.电池与飞轮储能.超导储能(SMES)
13、及其应用.超级电容技术 电气双层电容蓄能铅酸电池超级电容电解电容电容量 (F)10F以上0.01-10000F0.1以下充电时间1-10h0.1-10m1ms以下放电时间0.3-3h0.1-10m1ms以下能量密度 (wh/kg)10-400.2-100.1以下功率密度 (W/kg)50-130100-2000100000以下效率 (%)70-8585-9895以上寿命 (回)200-1000100000以上100000以上.抽水蓄能技术概要：抽水蓄能电站的出现与发展特点：效率，地理条件，控制方式新进展：可变速抽水蓄能.调节方式定子频率调节方式调节范围大，容量大，造价高转子励磁调节方式调节范围有限，但容量小，造价低nn2=n1=同步转速 .柔性电力依赖的技术之三监测控制数据传输与共享.微控制器技术的发展处理能力的增强： 1000MIPS资源的扩充：PWM嵌入式操作系统：RTOS硬件与软件的通融：CPLD.片上系统SOPC软件硬件化：高可靠性并行处理：实现高速度现场可编程：高度灵活性CPLDFPGA.网络技术的发展单片机网络技术：LONWORKS局域网络技术：LANWORKS广域网络技术：INTERNET媒介多样化协议规范化.智慧与力量的结合
