柔性电力技术_第1章_电力系统的柔性化技术

1、柔性电力技术电力电子技术在电力系统中的应用,机电学院,课程内容,第一章 电力系统的柔性化技术 第二章 电力变换电路与控制 第三章 发电领域的电力电子技术 第四章 直流输电技术 第五章 输电系统柔性并联补偿 第六章 输电系统柔性串联及混合补偿 第七章 柔性化用电与负荷特性,第一章 电力系统的柔性化技术,第一节：电力系统特点以及柔性化的必要性 1 柔性电力技术的定义：柔性和非柔性 基于电力电子技术在电能的产生，输送与应用各个环节对电能的质量进和形态进行快速、精确控制的技术。柔性电力技术实施的核心是电力电子技术。 提出者：美国电力科学研究院的学者Narain Hingorani 2 电力系统的目标

2、(1)可控性好，形式多样的发电系统。 (2)潮流可控，安全稳定的输电系统。 (3)模式多样、质量可控的配电系统。 (4)调节性好、高效节能的用电系统。,3 传统电力系统的构成与特点 电力系统是为电能的产生、输送、分配与应用而构建成的人工系统。依据电能的流程可划分为发电、输电、配电和用电四个组成部分。 传统电力系统的构成主要包括：发电机、变压器、传输线、电缆、电容器组、直接实现电能转换的用电设备及保护与控制设备。,单机无穷大系统,以空载电动势和同步电抗表示的功角关系:,变压器的有载调压开关可具有调节高压线路无功潮流的作用。,(3）架空输电线路 4个参数： 由导体电阻率引起的串联电阻R， 由相与地

3、之间漏电流引起的并联电导G， 由导体周围磁场引起的串联电感L， 由导体之间的电场引起的并联电容C。,线路的功率传输特性 （只考虑在功率传输分析中起主导作用的电感参数）,缺点：改变潮流的局限性,(4)负荷 电压、频率调节特性较差，即负荷从系统取用的功率随系统电压、频率的波动而发生变化. 这对于电力系统的稳定运行往往是有利的，但对用电设备的稳定运行则是不利的。,(5)传统电力系统在可控特性方面的主要特点： 电能不平衡影响系统运行的稳定性。 各发电机组间必须严格保持同步。 电力系统网络中的潮流只能由系统阻抗决定 供电模式单一。 电能质量控制主要以静态调节为主。 用电负荷电能利用调节性能较差，电能利用

4、率较低。,1.3 柔性电力技术的概念、分类和应用示例,1、发电领域中的柔性化技术 1）可变速抽水储能技术 (ASPS，Adjustable Speed Pump storage) 2）风力发电中的双馈感应发电技术 (DFIG，Double Feed Induction Generator) 3）太阳能发电中的功率调节技术 (PC，Power conditioning) 4）静止励磁系统 (SE，Static Exciting) 5) 新的发电方式,2、输电环节的柔性化技术 1）高压直流输电(HVDC，High Voltage DC) 2）静止无功补偿（SVC，Static Var Compen

5、sator） 又称STATCOM 3）静止无功发生器（SVG，Static Var Generator) 4) 可控串联补偿设备(TCSC：Thyristor Controlled Series Compensator) 5）统一潮流控制器（UPFC Uniform Power Flow Controller) 6）大容量超导储能系统。（SEMS，Super-Conducting Magnetic Energy Storage) 7) 静止同步串联补偿器(SSSC，Static Synchronous Series Compensator),3、配电网中的柔性化技术。 1）配网静止无功补偿器

6、(D-SVC，Distribution Static Var Compensator) 2) 配网静止无功补偿发生器 (D-SVG，Distribution Static Var Generator)。 3）有源电力滤波器(APF，Active Power Filter) 4）固态断路器(SCB，Solid-state Circuit Breaker) 5）轻型直流输电.(HVDC-Light)。 动态电压调节器(DVR，Dynamic Voltage Regulator) 配电系统用超导储能(D-SMES Distribution-SMES) 不间断电源(UPS，Uninterruptibl

7、e Power Supply) 统一电能质量调节器(UPQR，Uniform Power Quality Regulator),(4)用电设备的柔性化技术。 1)电动机的变频调速 (VFD，Variable Frequency Drive) 2)中频感应加热 (MFIH，Medium Frequency Induction Heating) 3)电力电子镇流器 (EB，Electronic Ballast) 4）开关电源 (SMPS，Switch Mode Power supplies),1.4 电力电子器件的基本特性与发展 1、按控制方式分类： (1)不可控器件。 (2)半控器件。 (3)全

8、控器件。 2、典型器件 (1)功率二极管,(2)晶闸管 (3)光触发晶闸管(LTT，Light-triggered Thyristor)。,1) LTT 不需要高电位逻辑电路和BOD 保护触发电路, 因此采用 LTT 的SVC 阀塔的元器件数量将减少近7 000 个, 故障率将下降, 可靠性将提高。 2) LTT 无须辅助电源以给与晶闸管等电位的触发回路提供电源, 所以交流系统电压降和外部故障( 如直流陷落) 对LTT 的影响很小。 3) 与晶闸管等电位的门极驱动单元取消后,模块接线被简化, 局部放电和电磁干扰的可能性大 为降低, 设备投运后维护工作发生意外故障的可能性大为降低, LTT 晶闸

9、管阀塔可获得更高的可靠性。 4) 将过电压保护功能集成到LTT 的晶闸管硅片之中, 减少了对匹配特性的要求, 使得保护具备对外界影响固有的安全特性。 5) 阀塔无须预充电即可启动。 缺点：LTT需很高的光灵敏度，以适应远距离控制和长寿命发光管的实际要求。,(4)门极可关断晶闸管(GTO) GTO是目前阻断电压最高和通态电流最大的全控型器件。 既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。 缺点是驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效；为了限制dv/dt，需要

10、复杂的缓冲电路 GTO主要应用在中、大功率场合。,(5)功率场效应管（Power MOSFET） 功率场效应管属于电压控制型器件 优点： 驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，高频特性好，工作频率高达100kHz以上。热稳定性优于GTR。 缺点： 电流容量小，耐压低，通态压降大，一般只适用于功率不超过10kW的场合。 目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。,(6)绝缘栅双极晶体管(IGBT) IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子

11、装置中的主流器件。 栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态电压高，导致导通损耗大；在应用于高（中）压领域时，通常须多个串联。,TC 3300 型IGBT变流器,IGBT 的导通电纳比 MOSFET 小的多 IGBT 导通损耗比MOSFET小,(7)集成门极换流晶闸管(IGCT) (Integrated Gate Commutated Thyristor ) IGCT是在克服GTO关断能力差，重复关断较大电流时容易产生局部过热损坏等缺陷而发展起来的。,4500v/1100A IGCT组件 4500v/400

12、0a不对称型igct组件,IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的MW级的高（中）压开关器件。 与MOSFET相比，IGCT通态电压更低，承受电压更高，通过电流更大；与GTO相比，通态电压和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小，有效地提高了系统的开关速度。,电力电子技术的应用领域,变送领域,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（,VA,）,工作频率（,H

13、z,）,信息处理领域,电力电子器件正朝着容量越来越大、频率越来越高的方向发展。,1.5 储能技术的现状与发展 1、水电站的开发方式 一、坝式水电站 特点：水头取决于坝高。引用流量较大等,1河床式电站(power station in river channel) 一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。 适用水头：大中型：25米以下，小型：810米以下。,2坝后式水电站 (power staion at damtoe) 当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。 坝后式水电站一般修建在河流的中上游。 库容较大，调节性能好。 如为土坝，可修

14、建河岸式电站。,二、引水式水电站(diversion type power station) 在河流坡降陡的河段上筑一低坝(或无坝)取水，通过人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电,特点： (1) 水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。 (2) 引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。 (3) 电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。 类型： (1) 无压引水式(free flow)：引水道是无压的(如明渠) (2) 有压引水式(pressure flow)：引水道是有压的(压力隧洞)

15、,三、混合式水电站(mixed power plant) 在一个河段上，同时采用高坝和有压引水道共同集中落差的开发方式称为混合式开发。坝集中一部分落差后，再通过有压引水道集中坝后河段上另一部分落差，形成了电站的总水头。这种开发方式的水电站称为混合式水电站。,适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。 同时兼有坝式和引水式水电站的优点。 在工程时间中多称为引水式，很少用混合式水电站这个名称。,14名游客被困永定河 门头沟消防3小时生死大营救,1、抽水蓄能技术： 利用电能与水力势能相互转换的蓄能技术，是目前国内外各电力公司采用的一项大规模实用技术。 抽水蓄能：系

16、统负荷低时，利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上库(电动机+水泵)， 以水的势能形式贮存起来； 放水发电：系统负荷高时，将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机)发电，以补充系统中电能的不足。 抽水蓄能的效率还较低，采用可变速技术后效率也只能达到75%左右。,四、抽水蓄能电站 (pumped storage power station),抽水蓄能电站结构示意图 (a)纵断面图 (b)平面图,电站安装常规水电机组1150MW，抽水蓄能机组390MW，下池闸小电站安装25MW水电机组。常规机组于1981年并网发电，首台蓄能机组于1991年7月投入试运行，1992年12月全部机组投

17、入运行。我国第一座大型混合式抽水蓄能电站。电动发电机采用可变极（42极、48极）双速电机，在泵工况低水头（小于45m）运用时由60MW变频器驱动实现无极变频变速运行，是当时国内最大的静止变频器。,潘家口抽水蓄能电站,广州抽水蓄能电站上水库的资料照片 1994年3月12日，中国建设的第一座大型抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站一期工程完工，四台机组全部投产。它也是当时世界规模最大的抽水蓄能电站。电站总装机容量240万千瓦，装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组。二期工程2000年全部投产。,电站以500 kV出线接入广东电网，一期出线两回，二期出线三回，其中一回作两期联络，对外共三回出线纳

18、入电网，负责广东、香港两地电网的填谷、凋峰、调频、调相、事故备用以及配合大亚湾核电站和将要投产的岭澳核电站的安全、经济运行。,泰安抽水蓄能电站，位于山东省泰安市西郊，大河水库北边的山上。 工程建设4250兆瓦可逆式发电机组，计划2006年12月30日竣工。机组投产后，对促进泰安地方经济发展，改善山东电网布局，提高电网运行水平都有重要意义。,五、 潮汐电站( tidal energy power station),潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。 世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kW，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万kW.h。,潮汐发电与原理：利

19、用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。,2009年1月7日拍摄的温岭江厦潮汐试验电站发电机房,全国大中型水电站分布图,长江流域大中型水电站分布图,2、飞轮蓄能 原理：利用旋转物体所具有的动能存储能量。 平均效率在85以上,飞轮电池比能呈可达150Whkg，比功率达5000-10000Wkg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里,150WH飞轮电池的照片,1994年，美国阿贡（ANL）国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38厘米，质量为11千克，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000米秒。它储的能量可将

20、10个100瓦灯泡点燃25小时。目前正在开发储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂，约需这样的储能轮200个。,日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置。该装置的飞轮直径达6.45米，高1米，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变。,1992年美国飞轮系统公司（AFS）开发了汽车用机-电电池（EMB），每个质量为23千克。 电池的核心是一个以20万转分旋转的碳纤飞轮，每个电池储能为1千瓦时，它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上，能使该车

21、以100千米小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克，若采用铅酸电池，则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，且它的“比功率”（即爆发力）极高，是铅酸电池的25倍，是汽油发动机的10倍，它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米小时。,轨道交通储能：应用在伦敦、纽约地铁的磁悬浮飞轮储能系统作为蓄能系统,飞轮储能系统在风力发电系统的应用,核聚变试验装置电源用飞轮储能系统,飞轮储能系统在小型太阳能发电系统中的应用,3、电池蓄能技术 电池蓄能技术是将电能转化为化学能存储、使用时再将化学能转化为电能的蓄能技术。 这种电池可以实现电能与化学能的多次

22、反复转化，有别于只一次性实现从化学能到电能转化的一次电池(不可充电电池)，用于蓄能的电池称为二次电池(可充电电池)。 由于直接转化为化学能的电能只能是直流形式，因而交直流变换器是这种蓄能系统的重要组成部分。,电池组合方式与系统的连接,特点： (1) 效率高、噪音低、污染小。 (2) 具有良好的效率及出力特性。 (3) 暂态特性好，负荷追随性能强。 (4) 有利于系统的稳定可靠供电。 (5) 系统较为复杂。 (6) 使都市设施安全管理复杂化。 种类： NaS电池 锌-氯电池 锌溴电池 RF(Redoxflow),4、超导蓄能技术 超导蓄能(SMES：Super-Conducting Magnet

23、ic Energy Storage)是利用电流在处于超导状态的线圈中流通，以磁场形式存储电能的方式。,超导线圈储能(SMES)的原理,1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。,超导的发现,5.4 能量控制型并

24、联补偿 5.4.1超导磁体储能系统SMES 1、SMES 概述 1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98C(4.2K )时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。,荷兰物理学家昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes),卡末林昂尼斯(Kamerlingh Onnes)低温物理学家 1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理

25、学奖,金属Hg电阻随温度变化规律,如图所示 横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0时汞的电阻之比：R/R0 R0 ： T=273K的电阻,超导体的分类,在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）,重要物理参数,临界温度(Tc): 超导体电阻突然变为零的温度 临界电流 (Ic) : 超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常

26、态，把破坏超导电性所需的最小磁场,三、超导体的物理特性,(1)零电阻现象(Zero Resistance),TTc在超导环上加磁场 (b) TTc圆环转变为超导态 (c) 突然撤去外电场，超导环中产生持续电流,(2)迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。,N,N,降温,加场,注：S表示超导态 N表示正常态,三、超导体的物理特性,在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升

27、至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。,迈纳斯效应的磁悬浮试验,这种情况 就象是在超导 盘下方，有一 块相同的镜象 磁铁存在一样。,根据这种原理， 可以利用超导 体做成无摩擦 轴承、高精度 的导航用超导 陀螺仪以及 磁悬浮列车等。,1986年4月，乔治柏诺兹 ( J. Georg Bednorz ， 1950 ，瑞士 ) 和 卡尔缪勒 ( Karl A. Muller ， 1927 ，德国 ) 向德国物理杂志提交了题为 “ BaLaCuO 系统

28、中可能的高 Tc 超导电性 ” 的论文。后来，日本东京大学的几位学者根据他 们的配方复制了类似的样品，证实钡镧铜氧化物 具有完全抗磁性。Tc 提高到了 33K 。,柏诺兹和缪勒的发现使人类从基本探索和认 识超导电性跨越到超导技术开发时代。,柏诺兹和缪勒因发现钡镧铜氧系统中的高 Tc 超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。,高温超导,把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体 称为 高温超导 。高温超导材料都是陶瓷一类氧化 物 ，其超导机理与低温下的金属或合金超导有 很 大不同 。,1987年2月24日中国科学院宣布，赵忠贤领导 的科研组已将钇钡铜氧 ( YBaCuO ) 材料的 T

29、c 提高到了 92.8 K以上 ，从而实现了转变温度在液 氮温区的突破。液氮的沸点为 77.3 K ，价格比液 氦便宜 100 倍，冷却效率高 63 倍，且氮又是十分 安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景。,五、超导技术的应用,（1）在电力工程方面的应用,图1 超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维),超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.,热绝缘超导电缆的基本结构，从内到外依次为：管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）；超导导体层（超导带材

30、分层绕制）；热绝缘层（真空隔热套件）；常规电气绝缘层（工作在常温下）；电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。,超导储能装置,超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈,超导发电机,在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/

31、3，发电效率提高50,超导限流器,超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点 。,高温超导飞轮储能器,25kJ超导储能用磁体,日本超导磁悬浮列车MAGLEV,高温超导磁悬浮实验车“世纪号”,（2）超导技术在交通运输方面的应用,（3）超导技术在电子工程方面的应用,用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报,

32、超导量子干涉仪,超导数字电路,超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速度可达10-11秒左右的数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径,2、SMES的工作原理 超导线圈可以承载大电流而无功率损耗，因而可用以存储大量磁能。当电力系统发电机的发电容量大于负载用电量时，可利用发电机的剩余功率对超导储能系统供电，将电能变为超导线圈的磁能存储起来。当电网负载过大、发电机发电功率不足时，将超导线圈的磁能变为电能返回电网、补充发电机发电量的不足。这样发电机的额定功率就可以小于最大负载功率，或减少发电机的功率储备。,5