柔性电力技术1
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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 华北电力大学 柔性电力技术研究所 2011.3.22
一百年来人类技术领域 最杰出的成就？ 最杰出的成就？
电力工程
电能利用在人类能量利用 中的比例？ 中的比例？
30％－40％
发电－输电－配电－用电
电能的利用形态？ 电能的利用形态？
当今世界所 面临的主要问题？ 面临的主要问题？
短片 FACTS & Custom Power
电力电子技术的三个层面
PE系统
PE 电路
PE 器件
电力电子器件的分类
电力电子器件
不可控器件 (Diode)
半控器件 (Thyristor)
全控器件
电平触发 (Level triggered) IGBT MOSFET
脉冲触发 (Pulse triggered) GTO
电能一次经过电力电子 设备的比例？ 设备的比例？
2010：75％ 800GW×50％
电力电子技术应用的 功率范围和领域？ 功率范围和领域？
功率范围：mW－MW 应用领域：
电力电子技术的应用领域
100M 晶闸管 10M （ 控制容量（VA） 1M 100k 10k 1k 100 10 100 1k 10k 100 k 工作频率（ 1M Hz ） MOSFET GTO 产业、交通领域 IGBT 信息处理领域 电力系统
器件体积与损耗
Si
1/5-1/10
SiC
电力电子电路
SOURCE
CONVERTER
DC or AC
PE converter
SINK AC or DC
AC /DC converter (rectifier)
DC/DC converter (DC chopper)
DC/AC converter
AC/AC converter (VFD Cyclo-converter)
L1 L2 L3
220KV 500KV 110KV 10KV 6KV
L5
L4
传统的电力系统—特点
发、供、用必需同时完成 各机组必需严格同步 潮流只能由系统阻抗决定 供电模式单一 电能质量只能实现静态调节 负载电力调节特性差 负载电能利用效率低
现代社会对电力需求的新特点
控制灵活、形式多样的发电系统：
用电设备的柔性化技术
•PQR —Power Quality Regulator,电能质量调节器 •UPS—Uninterruptable Power Supply,交流不间断电源 •F.C. —Frequency Converter,频率变换器 •VFD—Variable Frequency Drive,电机变频调速技术 •EB —Electronic Ballast, 照明电力电子电源 •IH－Induction Heating, 感应加热
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/µs _di/dt: 300A/ µs
全控器件发展历程
IGCT & IEGT
较IGCT导通电阻小，损耗小 驱动控制更为简单
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
•CPLD •FPGA
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
达不到，罚款高达$10-55/MWh) 达不到，罚款高达$10-55/MWh)
欧洲: 欧洲:发展智能电网也有其独特的发 展背景， 展背景，欧洲智能电网的兴起主要 是大力开发可再生能源、清洁能源， 是大力开发可再生能源、清洁能源， 以及电力需求趋于饱和后提高供电 可靠性和电能质量等需求所决定的。 可靠性和电能质量等需求所决定的。
目前寿命 （充放电 回数）
铅酸电池 NaS电池 飞轮储能 超级电容 超导储能
167 780 5-10 10 300
35 100 1.8 3 200
1500 2250 >105 >105 >107
电池与飞轮储能
超导储能(SMES)及其应用
超级电容技术 －电气双层电容蓄能
铅酸电池 电容量 (F) 充电时间 放电时间 能量密度 (wh/kg) 功率密度 (W/kg) 效率 (%) 寿命 (回) 10F以上 1-10h 0.3-3h 10-40 50-130
柔性电力技术 —可对电能进行变换与调节的技术
电力电子技术是 实现智能电网控制功能 的执行单元
智能电网控制技术的构成
柔性电力技术概念图
发电系统的柔性化技术
ASPS－Adjustable Speed Pump Storage,可变速抽
水蓄能
VFD－Variable Frequency Drive,变频调速技
术在火电厂中的应用 风力发电的功率调控 太阳能发电功率变换 燃料电池应用中的功率变换 微型燃气轮机发电中的功率变换
输电系统的柔性化技术
•HVDC—High Voltage DC transmission, 高压直流输电 •UPFC—Uniform 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), 静止无功发生器 •SMES —Super-conducting Magnetic Energy Storage，超导储能
出力动态调节的需求 规模化可在生能源发电技术的发展
潮流可控、安全稳定的输电系统:
电力市场发展的需求 远距离、大功率、高电压电能传输的需求
模式多样、质量可控的配电系统：
分布电源技术发展与应用的需求 动态电能质量控制的需求
可控性好、高效节能的用电系统：
用电设备控制特性的需求 节能与环保的需求
传统电力技术应用及其局限
配电系统的柔性化技术
•A.F.—Active Filter,有源电力滤波器 •DVR—Dynamic 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 SMES，配电系统用超导储能
超级电容 0.01-10000F 0.1-10m 0.1-10m 0.2-10 100-2000 85-98 100000以上
电解电容 0.1以下 1ms以下 1ms以下 0.1以下 100000以下 95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 n±n2=n1=同步转速
柔性电力依赖的技术之三
信息处理技术
•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 • PWM •嵌入式操作系统：RTOS •硬件与软件的通融：CPLD
传统电力技术的应用：
新建电力传送线路； 负荷中心建立电厂；
局限：
电力市场使投资风险增加； 环境资源对新建线路与电厂的限制； 无法应对非线性负荷的快速增长； 无法应对分布电源的作用； 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
美国:２００３年美加大停电后， 美国:２００３年美加大停电后， 年美加大停电后 美国电力行业决心利用信息技术 对陈旧老化的电力设施进行彻底 改造，开展智能电网研究， 改造，开展智能电网研究，以期 建设满足智能控制、智能管理、 建设满足智能控制、智能管理、 智能分析为特征的灵活应变的智 能电网. 加州： E-2010:20%,2020:33%,如 能电网.(加州：R E-2010:20%,2020:33%,如
电力电子器件技术的应用
Scope and Applications
电力系统：电能的产生、传输 交通运输：电力机车、电动汽车 航空航天：电源与动力系统 节能与环保：照明、电机驱动 工业自动化系统：电源与控制 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
220KV 110KV 10KV 380V
矩阵换流器
H 桥式多电平换流器
波形示例
单元波形
输出到电机的线电压
移相最优开关 PWM相电压
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
能量存储技术
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 （%) 80 87 80 85-98 90
AMR的效益 的效益
中国智能电网的定义
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、 以特高压电网为骨干网架 的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术， 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、 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 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； 技术上实现信息化 理上实现集团化、集约化、精益化、 理上实现集团化、集约化、精益化、标准化 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、 坚强可靠 互动 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、 电网基础 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、
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 电路与系统 能够对电能进行变换与控制的技术
计算机、TV、调光灯
身边的电力电子技术？ 身边的电力电子技术？
变频空调、冰箱 高压直流输电、电气化铁道 2000：50％
晶体管的关断特性与晶闸 管的导通特性相结合 门极低电感设计、关断发 生在变成晶体管之后 无需吸收电路
Si--->SiC Si材料的 物性极限
SiC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2 ～ 3 倍，这表明Si 器件的通过电流的能 力提高2 ～３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6～ 10倍。
—智能电网环境下的电力电子技术应用
韩民晓 华北电力大学 柔性电力技术研究所 2011.3.22
一百年来人类技术领域 最杰出的成就？ 最杰出的成就？
电力工程
电能利用在人类能量利用 中的比例？ 中的比例？
30％－40％
发电－输电－配电－用电
电能的利用形态？ 电能的利用形态？
当今世界所 面临的主要问题？ 面临的主要问题？
短片 FACTS & Custom Power
电力电子技术的三个层面
PE系统
PE 电路
PE 器件
电力电子器件的分类
电力电子器件
不可控器件 (Diode)
半控器件 (Thyristor)
全控器件
电平触发 (Level triggered) IGBT MOSFET
脉冲触发 (Pulse triggered) GTO
电能一次经过电力电子 设备的比例？ 设备的比例？
2010：75％ 800GW×50％
电力电子技术应用的 功率范围和领域？ 功率范围和领域？
功率范围：mW－MW 应用领域：
电力电子技术的应用领域
100M 晶闸管 10M （ 控制容量（VA） 1M 100k 10k 1k 100 10 100 1k 10k 100 k 工作频率（ 1M Hz ） MOSFET GTO 产业、交通领域 IGBT 信息处理领域 电力系统
器件体积与损耗
Si
1/5-1/10
SiC
电力电子电路
SOURCE
CONVERTER
DC or AC
PE converter
SINK AC or DC
AC /DC converter (rectifier)
DC/DC converter (DC chopper)
DC/AC converter
AC/AC converter (VFD Cyclo-converter)
L1 L2 L3
220KV 500KV 110KV 10KV 6KV
L5
L4
传统的电力系统—特点
发、供、用必需同时完成 各机组必需严格同步 潮流只能由系统阻抗决定 供电模式单一 电能质量只能实现静态调节 负载电力调节特性差 负载电能利用效率低
现代社会对电力需求的新特点
控制灵活、形式多样的发电系统：
用电设备的柔性化技术
•PQR —Power Quality Regulator,电能质量调节器 •UPS—Uninterruptable Power Supply,交流不间断电源 •F.C. —Frequency Converter,频率变换器 •VFD—Variable Frequency Drive,电机变频调速技术 •EB —Electronic Ballast, 照明电力电子电源 •IH－Induction Heating, 感应加热
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/µs _di/dt: 300A/ µs
全控器件发展历程
IGCT & IEGT
较IGCT导通电阻小，损耗小 驱动控制更为简单
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
•CPLD •FPGA
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
达不到，罚款高达$10-55/MWh) 达不到，罚款高达$10-55/MWh)
欧洲: 欧洲:发展智能电网也有其独特的发 展背景， 展背景，欧洲智能电网的兴起主要 是大力开发可再生能源、清洁能源， 是大力开发可再生能源、清洁能源， 以及电力需求趋于饱和后提高供电 可靠性和电能质量等需求所决定的。 可靠性和电能质量等需求所决定的。
目前寿命 （充放电 回数）
铅酸电池 NaS电池 飞轮储能 超级电容 超导储能
167 780 5-10 10 300
35 100 1.8 3 200
1500 2250 >105 >105 >107
电池与飞轮储能
超导储能(SMES)及其应用
超级电容技术 －电气双层电容蓄能
铅酸电池 电容量 (F) 充电时间 放电时间 能量密度 (wh/kg) 功率密度 (W/kg) 效率 (%) 寿命 (回) 10F以上 1-10h 0.3-3h 10-40 50-130
柔性电力技术 —可对电能进行变换与调节的技术
电力电子技术是 实现智能电网控制功能 的执行单元
智能电网控制技术的构成
柔性电力技术概念图
发电系统的柔性化技术
ASPS－Adjustable Speed Pump Storage,可变速抽
水蓄能
VFD－Variable Frequency Drive,变频调速技
术在火电厂中的应用 风力发电的功率调控 太阳能发电功率变换 燃料电池应用中的功率变换 微型燃气轮机发电中的功率变换
输电系统的柔性化技术
•HVDC—High Voltage DC transmission, 高压直流输电 •UPFC—Uniform 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), 静止无功发生器 •SMES —Super-conducting Magnetic Energy Storage，超导储能
出力动态调节的需求 规模化可在生能源发电技术的发展
潮流可控、安全稳定的输电系统:
电力市场发展的需求 远距离、大功率、高电压电能传输的需求
模式多样、质量可控的配电系统：
分布电源技术发展与应用的需求 动态电能质量控制的需求
可控性好、高效节能的用电系统：
用电设备控制特性的需求 节能与环保的需求
传统电力技术应用及其局限
配电系统的柔性化技术
•A.F.—Active Filter,有源电力滤波器 •DVR—Dynamic 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 SMES，配电系统用超导储能
超级电容 0.01-10000F 0.1-10m 0.1-10m 0.2-10 100-2000 85-98 100000以上
电解电容 0.1以下 1ms以下 1ms以下 0.1以下 100000以下 95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 n±n2=n1=同步转速
柔性电力依赖的技术之三
信息处理技术
•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 • PWM •嵌入式操作系统：RTOS •硬件与软件的通融：CPLD
传统电力技术的应用：
新建电力传送线路； 负荷中心建立电厂；
局限：
电力市场使投资风险增加； 环境资源对新建线路与电厂的限制； 无法应对非线性负荷的快速增长； 无法应对分布电源的作用； 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
美国:２００３年美加大停电后， 美国:２００３年美加大停电后， 年美加大停电后 美国电力行业决心利用信息技术 对陈旧老化的电力设施进行彻底 改造，开展智能电网研究， 改造，开展智能电网研究，以期 建设满足智能控制、智能管理、 建设满足智能控制、智能管理、 智能分析为特征的灵活应变的智 能电网. 加州： E-2010:20%,2020:33%,如 能电网.(加州：R E-2010:20%,2020:33%,如
电力电子器件技术的应用
Scope and Applications
电力系统：电能的产生、传输 交通运输：电力机车、电动汽车 航空航天：电源与动力系统 节能与环保：照明、电机驱动 工业自动化系统：电源与控制 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
220KV 110KV 10KV 380V
矩阵换流器
H 桥式多电平换流器
波形示例
单元波形
输出到电机的线电压
移相最优开关 PWM相电压
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
能量存储技术
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 （%) 80 87 80 85-98 90
AMR的效益 的效益
中国智能电网的定义
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、 以特高压电网为骨干网架 的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术， 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、 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 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； 技术上实现信息化 理上实现集团化、集约化、精益化、 理上实现集团化、集约化、精益化、标准化 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、 坚强可靠 互动 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、 电网基础 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、
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 电路与系统 能够对电能进行变换与控制的技术
计算机、TV、调光灯
身边的电力电子技术？ 身边的电力电子技术？
变频空调、冰箱 高压直流输电、电气化铁道 2000：50％
晶体管的关断特性与晶闸 管的导通特性相结合 门极低电感设计、关断发 生在变成晶体管之后 无需吸收电路
Si--->SiC Si材料的 物性极限
SiC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2 ～ 3 倍，这表明Si 器件的通过电流的能 力提高2 ～３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6～ 10倍。