柔性電力技術-第1章-電力系統(tǒng)的柔性化技術.ppt
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柔性電力技術—電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用,主講：劉興華山東農業(yè)大學機電學院,課程內容,第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術第二章電力變換電路與控制第三章發(fā)電領域的電力電子技術第四章直流輸電技術第五章輸電系統(tǒng)柔性并聯補償第六章輸電系統(tǒng)柔性串聯及混合補償第七章柔性化用電與負荷特性,第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術,第一節(jié)：電力系統(tǒng)特點以及柔性化的必要性1柔性電力技術的定義：柔性和非柔性基于電力電子技術在電能的產生，輸送與應用各個環(huán)節(jié)對電能的質量進和形態(tài)進行快速、精確控制的技術。柔性電力技術實施的核心是電力電子技術。提出者：美國電力科學研究院的學者NarainHingorani2電力系統(tǒng)的目標(1)可控性好，形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)。(2)潮流可控，安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。(3)模式多樣、質量可控的配電系統(tǒng)。(4)調節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)。,3傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構成與特點電力系統(tǒng)是為電能的產生、輸送、分配與應用而構建成的人工系統(tǒng)。依據電能的流程可劃分為發(fā)電、輸電、配電和用電四個組成部分。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構成主要包括：發(fā)電機、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實現電能轉換的用電設備及保護與控制設備。,單機無窮大系統(tǒng),以空載電動勢和同步電抗表示的功角關系:,變壓器的有載調壓開關可具有調節(jié)高壓線路無功潮流的作用。,(3）架空輸電線路4個參數：由導體電阻率引起的串聯電阻R，由相與地之間漏電流引起的并聯電導G，由導體周圍磁場引起的串聯電感L，由導體之間的電場引起的并聯電容C。,,線路的功率傳輸特性（只考慮在功率傳輸分析中起主導作用的電感參數）,缺點：改變潮流的局限性,(4)負荷電壓、頻率調節(jié)特性較差，即負荷從系統(tǒng)取用的功率隨系統(tǒng)電壓、頻率的波動而發(fā)生變化.這對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行往往是有利的，但對用電設備的穩(wěn)定運行則是不利的。,(5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點：電能不平衡影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。各發(fā)電機組間必須嚴格保持同步。電力系統(tǒng)網絡中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定供電模式單一。電能質量控制主要以靜態(tài)調節(jié)為主。用電負荷電能利用調節(jié)性能較差，電能利用率較低。,1.3柔性電力技術的概念、分類和應用示例,1、發(fā)電領域中的柔性化技術1）可變速抽水儲能技術(ASPS，AdjustableSpeedPumpstorage)2）風力發(fā)電中的雙饋感應發(fā)電技術(DFIG，DoubleFeedInductionGenerator)3）太陽能發(fā)電中的功率調節(jié)技術(PC，Powerconditioning)4）靜止勵磁系統(tǒng)(SE，StaticExciting)5)新的發(fā)電方式,2、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術1）高壓直流輸電(HVDC，HighVoltageDC)2）靜止無功補償（SVC，StaticVarCompensator）又稱STATCOM3）靜止無功發(fā)生器（SVG，StaticVarGenerator)4)可控串聯補償設備(TCSC：ThyristorControlledSeriesCompensator)5）統(tǒng)一潮流控制器（UPFCUniformPowerFlowController)6）大容量超導儲能系統(tǒng)。（SEMS，Super-ConductingMagneticEnergyStorage)7)靜止同步串聯補償器(SSSC，StaticSynchronousSeriesCompensator),3、配電網中的柔性化技術。1）配網靜止無功補償器(D-SVC，DistributionStaticVarCompensator)2)配網靜止無功補償發(fā)生器(D-SVG，DistributionStaticVarGenerator)。3）有源電力濾波器(APF，ActivePowerFilter)4）固態(tài)斷路器(SCB，Solid-stateCircuitBreaker)5）輕型直流輸電.(HVDC-Light)。動態(tài)電壓調節(jié)器(DVR，DynamicVoltageRegulator)配電系統(tǒng)用超導儲能(D-SMESDistribution-SMES)不間斷電源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQR，UniformPowerQualityRegulator),(4)用電設備的柔性化技術。1)電動機的變頻調速(VFD，VariableFrequencyDrive)2)中頻感應加熱(MFIH，MediumFrequencyInductionHeating)3)電力電子鎮(zhèn)流器(EB，ElectronicBallast)4）開關電源(SMPS，SwitchModePowersupplies),1.4電力電子器件的基本特性與發(fā)展1、按控制方式分類：(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件(1)功率二極管,(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT，Light-triggeredThyristor)。,1)LTT不需要高電位邏輯電路和BOD保護觸發(fā)電路,因此采用LTT的SVC閥塔的元器件數量將減少近7000個,故障率將下降,可靠性將提高。2)LTT無須輔助電源以給與晶閘管等電位的觸發(fā)回路提供電源,所以交流系統(tǒng)電壓降和外部故障(如直流陷落)對LTT的影響很小。3)與晶閘管等電位的門極驅動單元取消后,模塊接線被簡化,局部放電和電磁干擾的可能性大為降低,設備投運后維護工作發(fā)生意外故障的可能性大為降低,LTT晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4)將過電壓保護功能集成到LTT的晶閘管硅片之中,減少了對匹配特性的要求,使得保護具備對外界影響固有的安全特性。5)閥塔無須預充電即可啟動。缺點：LTT需很高的光靈敏度，以適應遠距離控制和長壽命發(fā)光管的實際要求。,(4)門極可關斷晶閘管(GTO)GTO是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件。既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。缺點是驅動電路復雜并且驅動功率大，導致關斷時間長，限制了器件的開關頻率；關斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復雜的緩沖電路GTO主要應用在中、大功率場合。,(5)功率場效應管（PowerMOSFET）功率場效應管屬于電壓控制型器件優(yōu)點：驅動電路簡單，需要的驅動功率?。婚_關速度快，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。缺點：電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大，一般只適用于功率不超過10kW的場合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。,(6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。柵極為電壓驅動，所需驅動功率小，開關損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內阻大，通態(tài)電壓高，導致導通損耗大；在應用于高（中）壓領域時，通常須多個串聯。,TC3300型IGBT變流器,IGBT的導通電納比MOSFET小的多∴IGBT導通損耗比MOSFET小,(7)集成門極換流晶閘管(IGCT)(IntegratedGateCommutatedThyristor)IGCT是在克服GTO關斷能力差，重復關斷較大電流時容易產生局部過熱損壞等缺陷而發(fā)展起來的。,4500v/1100AIGCT組件4500v/4000a不對稱型igct組件,IGCT是在GTO的基礎上發(fā)展起來的新型復合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關損耗進一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關速度。,電力電子技術的應用領域,,,,,,變送領域,,,產業(yè)、交通領域,,,GTO,,,IGBT,,,MOSFET,,,晶閘管,,,100M,,,10M,,,1M,,,100k,,,10k,,,1k,,,100,,,10,,,100,,,1k,,,10k,,,100,k,,,1M,,,控制容量（,VA,）,,,,工作頻率（,Hz,）,,,信息處理領域,,電力電子器件正朝著容量越來越大、頻率越來越高的方向發(fā)展。,1.5儲能技術的現狀與發(fā)展1、水電站的開發(fā)方式一、壩式水電站特點：水頭取決于壩高。引用流量較大等,1．河床式電站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。,2．壩后式水電站(powerstaionatdamtoe)當水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大，調節(jié)性能好。如為土壩，可修建河岸式電站。,,二、引水式水電站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩)取水，通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再經壓力管道引水到水輪機進行發(fā)電,特點：(1)水頭相對較高，目前最大水頭已達2000米以上。(2)引用流量較小，沒有水庫調節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價值較差。(3)電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程量較小，單位造價較低。類型：(1)無壓引水式(freeflow)：引水道是無壓的(如明渠)(2)有壓引水式(pressureflow)：引水道是有壓的(壓力隧洞),三、混合式水電站(mixedpowerplant)在一個河段上，同時采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方式稱為混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后，再通過有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差，形成了電站的總水頭。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。,適用于上游有優(yōu)良壩址，適宜建庫，而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉彎。同時兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點。在工程時間中多稱為引水式，很少用混合式水電站這個名稱。,14名游客被困永定河門頭溝消防3小時生死大營救,1、抽水蓄能技術：利用電能與水力勢能相互轉換的蓄能技術，是目前國內外各電力公司采用的一項大規(guī)模實用技術。抽水蓄能：系統(tǒng)負荷低時，利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水泵)，以水的勢能形式貯存起來；放水發(fā)電：系統(tǒng)負荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電，以補充系統(tǒng)中電能的不足。抽水蓄能的效率還較低，采用可變速技術后效率也只能達到75%左右。,四、抽水蓄能電站(pumpedstoragepowerstation),抽水蓄能電站結構示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖,電站安裝常規(guī)水電機組1150MW，抽水蓄能機組390MW，下池閘小電站安裝25MW水電機組。常規(guī)機組于1981年并網發(fā)電，首臺蓄能機組于1991年7月投入試運行，1992年12月全部機組投入運行。我國第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動發(fā)電機采用可變極（42極、48極）雙速電機，在泵工況低水頭（小于45m）運用時由60MW變頻器驅動實現無極變頻變速運行，是當時國內最大的靜止變頻器。,潘家口抽水蓄能電站,廣州抽水蓄能電站上水庫的資料照片1994年3月12日，中國建設的第一座大型抽水蓄能電站――廣州抽水蓄能電站一期工程完工，四臺機組全部投產。它也是當時世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站總裝機容量240萬千瓦，裝備8臺30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調節(jié)能力的機組。二期工程2000年全部投產。,電站以500kV出線接入廣東電網，一期出線兩回，二期出線三回，其中一回作兩期聯絡，對外共三回出線納入電網，負責廣東、香港兩地電網的填谷、凋峰、調頻、調相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產的嶺澳核電站的安全、經濟運行。,泰安抽水蓄能電站，位于山東省泰安市西郊，大河水庫北邊的山上。工程建設4250兆瓦可逆式發(fā)電機組，計劃2006年12月30日竣工。機組投產后，對促進泰安地方經濟發(fā)展，改善山東電網布局，提高電網運行水平都有重要意義。,五、潮汐電站(tidalenergypowerstation),潮汐：潮汐現象是海水因受日月引力而產生的周期性升降運動，即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊藏量約為27億kW，若全部轉換成電能，每年發(fā)電量大約為1.2萬kW.h。,潮汐發(fā)電與原理：利用潮水漲、落產生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C械能，再把機械能轉變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。,2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗電站發(fā)電機房,全國大中型水電站分布圖,長江流域大中型水電站分布圖,2、飛輪蓄能原理：利用旋轉物體所具有的動能存儲能量。平均效率在85％以上,飛輪電池比能呈可達150Wh／kg，比功率達5000-10000W／kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里,150WH飛輪電池的照片,1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質量為11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米／秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2～5小時。目前正在開發(fā)儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。,日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設計了一個引發(fā)可控熱核聚變的裝置。該裝置的飛輪直徑達6.45米，高1米，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100千米／小時的速度行駛時所具有的能量相當。故將這些能量在極短時間釋放出來足以引發(fā)核聚變。,1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了汽車用機-電電池（EMB），每個質量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉／分旋轉的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動機的10倍，它可將該車在8秒鐘內由靜止加速至100千米／小時。,軌道交通儲能：應用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)作為蓄能系統(tǒng),飛輪儲能系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用,核聚變試驗裝置電源用飛輪儲能系統(tǒng),飛輪儲能系統(tǒng)在小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應用,3、電池蓄能技術電池蓄能技術是將電能轉化為化學能存儲、使用時再將化學能轉化為電能的蓄能技術。這種電池可以實現電能與化學能的多次反復轉化，有別于只一次性實現從化學能到電能轉化的一次電池(不可充電電池)，用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)。由于直接轉化為化學能的電能只能是直流形式，因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分。,電池組合方式與系統(tǒng)的連接,特點：(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暫態(tài)特性好，負荷追隨性能強。(4)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。(5)系統(tǒng)較為復雜。(6)使都市設施安全管理復雜化。種類：NaS電池鋅-氯電池鋅溴電池RF(Redoxflow),4、超導蓄能技術超導蓄能(SMES：Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用電流在處于超導狀態(tài)的線圈中流通，以磁場形式存儲電能的方式。,超導線圈儲能(SMES)的原理,1908年，荷蘭物理學家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K的低溫源，為超導發(fā)現準備了條件。三年后即1911年，在測試純金屬電阻率的低溫特性時，昂納斯又發(fā)現，汞的直流電阻在4.2K時突然消失，多次精密測量表明，汞柱兩端壓降為零，他認為這時汞進入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現。但此時他還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。,,超導的發(fā)現,5.4能量控制型并聯補償5.4.1超導磁體儲能系統(tǒng)SMES1、SMES概述1911年，荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現，將汞冷卻到-268.98C(4.2K)時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現獲得了1913年諾貝爾獎。,荷蘭物理學家昂納斯(HeikeKamerlinghOnnes),卡末林昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發(fā)現超導現象象1913年獲諾貝爾物理學獎．,金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律,如圖所示橫坐標表示溫度，縱坐標表示在該溫度下汞的電阻與0℃時汞的電阻之比：R/R0R0：T=273K的電阻,超導體的分類,在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示）,重要物理參數,臨界溫度(Tc):超導體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流(Ic):超導體無阻載流的能力是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現電阻，使其產生這一相變的電流稱為臨界電流臨界磁場(Hc):逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場,三、超導體的物理特性,(1)零電阻現象(ZeroResistance),,,T>Tc在超導環(huán)上加磁場(b)T
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