电力电子技术在电力系统中的应用—柔性电力技术

潮流可控、安全稳定的输电系统:


模式多样、质量可控的配电系统：


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
传统电力技术应用的应用及其局限

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； 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；
•SVG— Static Var Generator (STATCOM), 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
•DVR—Dynamic Voltage Regulator, 动态电压调节器
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
FEED依赖的技术之三
信息处理技术
•监测 •控制 •数据传输与分享
微控制器技术的发展
•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
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
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：

出力动态调节的需求 分布式发电技术的发展 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 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
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
理论能 量密度 (Wh/kg) 目前能 量密度 (Wh/kg)
效率 （%) 80 87
目前寿命 （充放电 回数）
167 780
35 100
1500 2250
飞轮储能
超级电容 超导储能
5-10
10 300
1.8
3 200
80
85-98 90
>105
>105 >107
可变速抽水蓄能技术
可变速抽水蓄能技术
观看短片！ FACTS & Custom Power
FEED依赖的技术之一
对电能进行 变化与控制 的基本手段
电力电子技术
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 变送领域
SCB HVDC Light 6KV
L5
SVC
SMES
D.G.
A.F.
ASPS
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
•
•
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。
器件体积与损耗
Si
1/5-1/10
SiC
FEED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 铅酸电池 NaS电池
—概要
—特点
—新进展
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 70-85 200-1000
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

局限：



解决之道!
柔性电力技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
—可对电能进行变换与调节的技术
FACTS CUSTOM POWER
柔性电力技术概念图
UPFC 110KV 220KV
SVG
DVR 380V SCB 10KV
D-SVG D-SVC
VFD
UPQR UPS
L1 L1 L3 L4
TCTC
F.C.
220KV
TCSC HVDC 110KV
电力电子器件技术的应用
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
集成门极换相晶闸管 IGCT


晶体管的关断特性与晶闸管的导通特性完美结合 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；
电力电子技术在电力系统中的应用 —柔性电力技术
Flexible Electric Technologies
韩民晓
华北电力大学
2006.4.19
传统电力系统—构成
220KV 110KV 10KV 380V
L1 L2 L3
220KV 500KV 110KV 10KV 6KV
L5
L4
传统的电力系统—特点
•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
实时操作系统内核---RTOS
等待
闲置
就绪
运行
中断服务
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