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目前電力電子在電力系統中應用的主要前沿研究熱點有哪些?

電力系統的發電環節涉及發電機組的各種設備,電力電子技術的應用主要是為了改善這些設備的運行特性。

(1)大型發電機的靜態勵磁控制。靜態勵磁采用晶閘管整流自並勵勵磁方式,具有結構簡單、可靠性高、成本低等優點,廣泛應用於世界各大電力系統。由於省去了激振器這壹中間慣性環節,具有其獨特的快速調節性,為先進控制規律充分發揮作用,產生良好的控制效果提供了有利條件。

(2)水輪發電機和風力發電機的變速恒頻勵磁。水力發電的有效功率取決於水頭壓力和流量。當水頭變化較大時(特別是抽水蓄能機組),機組的最優轉速也會發生變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比,風車捕捉最大風能的速度隨風速而變化。為了獲得最大有效功率,機組可以變速運行。通過調節轉子勵磁電流的頻率,定子頻率即輸出頻率在與轉子轉速疊加後保持恒定。這種應用的技術核心是變頻電源。

(3)電廠風機、水泵的變頻調速。電廠廠用電率平均為8%,風機和水泵用電量約占火電設備總用電量的65%,運行效率較低。使用低壓或高壓變頻器,對風機和水泵實施變頻調速,可以達到節能的目的。低壓變頻器技術非常成熟,國內外有很多廠家,並且有完整的系列產品。

(4)太陽能發電控制系統。開發利用取之不盡、用之不竭的清潔新能源——太陽能是調整未來能源結構的重要戰略措施。大功率太陽能發電,無論是獨立系統還是並網系統,通常都需要將太陽能電池陣列發出的直流電轉換成交流電,因此具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統的核心。日本實施的陽光計劃主要是3 ~ 4 kW的戶用並網發電系統,我國實施的輸電工程多為10 ~ 15 kW的獨立系統,大型系統有美國加州西門子太陽能電站(7.2MW)。

在傳輸鏈路中的應用

(1)靈活交流輸電技術(FACTS)交流輸電或電網的運行性能。應用的FACTS控制器包括靜止無功補償器(SVC)、靜止電容器(STATCON)、靜止快速勵磁機(PSS)和串聯補償器(SSSC)。近年來,柔性交流輸電技術在美國、日本、瑞典、巴西等國家的重要超高壓輸電工程中得到了應用。FACTS在中國也得到了深入的研究和發展。

(2)高壓直流輸電站可以搬遷,這可以使中等規模的高壓直流輸電項目在較短的輸電距離內具有競爭力。此外,由可關斷器件組成的變流器,由於使用了可關斷的電力電子器件,可以避免換相失敗,對接收系統的容量沒有要求,因此可以用於向孤立的小系統(海上石油平臺和島嶼)供電,將來還可以用於城市配電系統和接入。

近年來,DC傳輸技術有了新的發展。在hvdc light中,采用IGBT等可關斷的電力電子器件組成變流器,無源逆變器采用脈寬調制技術,解決了dc輸電向無交流電源的負荷點送電的問題。同時大大簡化了設備,降低了成本。

(3)靜止無功補償器(SVC) SVC是以晶閘管為基本元件而不是電氣開關的固態開關,通過控制電抗器和電容器來快速、頻繁地改變輸電系統的導納。SVC可以有不同的回路結構,根據控制對象和控制方式的不同,分別稱為晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管投切電抗器(TSR)或晶閘管控制電抗器(TCR)。

在配電環節中的應用

如何加強供電可靠性,提高電能質量,是配電系統亟待解決的問題。電能質量控制不僅要滿足電壓、頻率、諧波和不對稱的要求,還要抑制各種暫態波動和幹擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用,即定制電力技術。用戶電力技術(CP)和FACTS技術是正在迅速發展的姐妹新型電力電子技術。采用FACTS的核心是加強交流輸電系統的可控性,增加其輸電能力;發展清潔生產的目的是加強配電系統的可靠性,提高供電質量。CP和FACTS的基礎技術都是電力電子技術,它們的控制器在結構和功能上都是壹樣的,唯壹的區別就是額定電氣值的不同。目前兩種技術已經逐漸融合為壹,也就是所謂的DFACTS技術。代表性的消費類電力技術產品包括:動態電壓恢復器(DVR)、固態斷路器(SSCB)、故障限流器(FCL)、統壹電能質量調節器(PQC)等。

中國電力電子技術的發展

1.配電自動化展望

配電網自動化是智能電網最重要的投資:作為輸配電系統的最後壹環,配電網的自動化程度與電力供需的質量和可靠性密切相關。配電自動化是智能電網的重要基礎之壹。從投資構成來看,我們預測配電自動化將占智能電網投資構成的40%左右,是智能電網投資的重中之重。中國配電自動化處於初級階段:配電自動化在中國處於初級階段。國內城市配電網饋線自動化率不到10%,國外配電自動化比例在項目前已達到60%-70%。中國剛剛開始試點,未來市場空間廣闊。

2.配電自動化簡介

配電自動化是指將現代電子技術、通信技術、計算機和網絡技術與電力設備相結合,將配電網的監視、保護、控制和測量以及正常和事故情況下供電部門的工作管理有機地結合起來,提高供電質量,與用戶建立更密切、更負責任的關系,以合理的價格滿足用戶需求的多樣性,努力實現最佳的供電經濟性和更有效的企業管理。配電自動化是壹項龐大、復雜、綜合性很強的系統工程,包括電力企業配電系統所有相關的功能數據流和控制。從保證向用戶供電質量、提高服務水平和降低運行成本的角度來看,配電自動化是壹個統壹的整體。

配電自動化包括以下四個方面:①饋線自動化。饋線自動化完成饋線的監測、控制、故障診斷、故障隔離和網絡重構。其主要功能有:運行狀態監視、遠程控制和本地自治控制、故障區域隔離、負荷轉移和供電恢復、無功補償和電壓調節。②變電站自動化。變電站自動化是指利用自動控制技術和信息處理與傳輸技術,通過計算機軟硬件系統或自動化裝置代替人工對變電站進行監視、測量和操作的自動化系統。以信號數字化和計算機通信技術為標誌的變電站自動化進入了傳統的變電站二次設備領域,使變電站運行和監控發生了巨大的變化,取得了顯著的效益。變電站自動化的基本功能包括:數據采集、數據計算和處理、越限和狀態監視、開關操作控制和閉鎖、與繼電保護的信息交換、自動控制的協調與配合、與變電站其他自動化裝置的信息交換以及與調度控制中心或集控中心的通信。變電站自動化技術是配電自動化的重點之壹。③配電管理系統。配電管理系統(DMS)是指利用現代計算機、信息處理和通信技術及相關設備對配電網的運行進行監視、管理和控制。它是配電自動化系統的神經中樞,是整個配電自動化系統的監視、控制和管理中心。主要功能有:數據采集與監控(SCADA)、配電網運行管理、用戶管理與控制、自動繪圖/設備管理/地理信息系統(AM/FM/GIS)等。④需求側管理。供需雙方通過壹系列經濟政策和技術措施參與電力供需管理。包括負荷管理、用電管理和需求側發電管理。DSM的幾項內容既涉及電力供需雙方,甚至關系到電力管理體制,必須通過立法和相應的規則來規範,最終由電力市場來規範。可見,電力供需雙方不僅僅是壹種電力買賣關系,更是壹種以雙方利益為紐帶的合作夥伴關系。在電力市場環境下,需求側管理將受到重視。

3.配電自動化的發展趨勢

根據對國內外發展趨勢的研究,配電自動化技術的發展呈現以下特點:

1)多元化雖然配電自動化技術的發展經歷了三個階段,但從日本等國的應用情況來看,每個階段的技術都在使用,且各有適用範圍:基於自動切換裝置配合的饋線自動化系統適用於農村電網等負荷密度低、供電半徑長、障礙物多、供電可靠性差的地區;配電自動化系統二期工程適用於中小城市和縣城。基於人工智能的三級配電自動化系統適用於大城市和重要園區。即使是具有遠程通信和遙測功能但沒有遠程控制功能的配電網信息系統也有其應用前景,主要是因為它可以直接利用公共通信資源(如GPRS)而不需要建設專門的通信網絡。

2)綜合配電自動化涉及面廣,它不僅有自己的實時信息采集部分,還有大量實時、非實時和實時的實時信息需要從其他應用系統中獲取。比如從地面調度自動化系統獲取主供電網和變電站的信息;獲取GIS系統中配電線路的延伸模型和相關圖形;從PMS系統獲取配電設備參數;從用電營銷系統/負荷控制系統等獲取用戶信息。因此,配電自動化主站不再是單壹的實時監控系統,而是集成了多個與配電相關的應用系統的綜合應用系統。為了規範應用系統之間的集成和接口,IEC制定了IEC 61968系列標準,提出可以利用信息交換總線(企業集成總線)集成幾個相對獨立、並行的應用系統,使各個系統在實現信息交換的同時,繼續發揮各自的特點,形成有效的應用整體。

3)智能配電系統是智能電網的重要組成部分,智能配電系統是配電自動化的發展方向。因此,配電自動化與智能電網的實現密切相關,主要表現在:自愈配電技術。這是配電自動化系統中饋線自動化的故障診斷、定位、隔離和恢復供電的基本功能,需要進壹步升級,以適應智能電網背景下分布式發電的雙向能量流動。高效的操作技術。這是配電自動化系統中高層應用軟件的功能。在智能電網背景下,需要進壹步升級考慮設備全生命周期的資產優化和智能調度業務功能。分布式電源和儲能系統的接入技術。這是配電自動化系統面臨的新要求,尤其涉及配電潮流的計算和分析以及分布式發電對電網的影響。定制電源技術。根據電能質量相關標準,為不同等級的電能質量提供不同的技術和價格,以滿足不同用戶對電能質量等級的需求。配電自動化系統是其技術支持手段之壹。用戶交互技術。這是配電自動化系統中的停電管理功能,需要進壹步升級以適應智能電網背景下用戶的雙向交互。

目前,我國電力正在向智能電網發展,技術和發展也在逐步走向智能化。電力電子技術在電力領域的應用可以加速電力系統的智能化發展。

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