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智能電網中大功率電力電子技術及其巨大的市場前景

時間：2010-01-28 15:57:13

關鍵字：大功率智能電網電力電子技術高壓變頻器

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[導讀]　　摘要：大功率電力電子是智能電網發(fā)展的技術基礎，智能電網的大發(fā)展給大功率電力電子提供廣泛的市場機遇。本文介紹了柔性交流輸電技術、高壓直流輸電技術、高壓變頻技術、同步開斷技術和用戶電力技術，分析了這些

　　摘要：大功率電力電子是智能電網發(fā)展的技術基礎，智能電網的大發(fā)展給大功率電力電子提供廣泛的市場機遇。本文介紹了柔性交流輸電技術、高壓直流輸電技術、高壓變頻技術、同步開斷技術和用戶電力技術，分析了這些電力電子技術在智能電網中的重要性和發(fā)展前景。

　　電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，節(jié)能效果可達10%-40%，可以減少機電設備的體積并能夠實現最佳工作效率。從價值鏈條分析，智能電網是由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度等環(huán)節(jié)組成的有機整體。作為智能電網建設的初衷，就是在保障電網安全穩(wěn)定運行的前提下盡可能使清潔能源更多地上網，而智能調度則是解決這一問題的起點；隨著清潔能源的調度上網，清潔能源不穩(wěn)定的特性威脅著電網的安全，柔性交流輸電技術則在這一環(huán)節(jié)充當了保護電網安全運行的有效手段。目前，半導體功率元器件向高壓化、大容量化發(fā)展，電力電子產業(yè)出現了以SVC為代表的柔性交流輸電技術、以高壓直流輸電為代表的新型超高壓輸電技術、以高壓變頻為代表的電氣傳動技術，以智能開關為代表的同步開斷技術，以及以靜止無功發(fā)生器、動態(tài)電壓恢復器為代表的用戶電力技術等。

　　1 柔性交流輸電技術

　　柔性交流輸電技術是新能源、清潔能源的大規(guī)模接入電網系統的關鍵技術之一。柔性交流輸電系統（FACTS）的英文表達為：Flexible AC Transmission Systems。是綜合電力電子技術、微處理和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術。上世紀八十年代中期，美國電力科學研究院（EPRI）N. G. Hingorani博士首次提出FACTS概念：應用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無功電源以及電網的一次設備等，以實現對輸電系統的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流等的靈活控制，將原基本不可控的電網變得可以全面控制。從而大大提高電力系統的高度靈活性和安全穩(wěn)定性，使得現有輸電線路的輸送能力大大提高。

　　在電力電子裝置最早用于直流輸電系統中并實現了對輸送功率的快速控制，由此人們想在交流系統中加裝電力電子裝置，尋求對潮流的可控，以獲得最大的安全裕度和最小的輸電成本，FACTS技術應運而生，靜止無功補償器（SVC），靜止同步補償器（STATCOM）又稱作ASVG，晶閘管投切串聯電容器（TCSC），靜止同步串聯補償器（Static Synchonous Series Compensator）統一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS裝置家族的成員。

　　由于中國智能電網以特高壓輸變電為基礎，且需要綜合考慮新能源的接入、分布式能源的隔離等技術，以電力電子為主要特征的柔性輸電系統需求增長迅速。由于中國智能電網以特高壓輸變電為基礎，且需要綜合考慮新能源的接入、分布式能源的隔離等技術，以電力電子為主要特征的柔性輸電系統需求增長迅速。將電力電子技術與現代控制技術相結合，通過對電力系統參數的連續(xù)調節(jié)控制，從而大幅降低輸電損耗、提高輸電線路輸送能力和保證電力系統穩(wěn)定水平。

　　2 高壓直流輸電技術

　　在現代直流輸電系統中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統和用電系統仍然是交流電。在輸電線路的送端，交流系統的交流電經換流站內的換流變壓器送到整流器，將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笏腿胫绷鬏旊娋€路。直流電通過輸電線路送到受端換流站內的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟姡俳涍^換流變壓器將電能輸送到交流系統。在直流輸電系統中，通過控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態(tài)。

　　高壓直流輸電技術對于遠距離輸電、高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。高壓直流輸電具有線路輸電能力強、損耗小、兩側交流系統不需同步運行、發(fā)生故障時對電網造成的損失小等優(yōu)點，特別適合用于長距離點對點大功率輸電。而采用交流輸電系統便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是現代電力傳輸系統的發(fā)展趨勢。

　　輕型直流輸電系統采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統供電，未來還可用于城市配電系統，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統更有助于解決清潔能源上網穩(wěn)定性問題。

我國高壓直流輸電技術在遠距離輸電中得到廣泛應用，今后我國還將在大水電基地和大煤電基地的超遠距離、大容量送出工程中繼續(xù)大力發(fā)展和建設特高壓直流輸電工程。特高壓輸電具有電壓等級高、輸送距離遠、輸送容量大、可實現非同步聯網等特點。資料顯示，±800千伏直流特高壓輸送電量每小時為620萬至640萬千瓦時。

　　3 高壓變頻技術

　　中國高壓變頻器市場規(guī)模增長速度快，潛力大。高壓變頻技術最大的優(yōu)點是節(jié)電率一般可達30%左右，但缺點是成本高，并產生高次諧波污染電網。榮信高壓變頻器目前是業(yè)內唯一生產四象限多電平交-直-交型高壓變頻產品的企業(yè)，集成了交一直一交多電平串聯疊加、矢量控制、四象限及IGBT模塊熱管散熱等多項目前世界領先的技術，以其獨特的技術優(yōu)勢已成為煤礦、鐵礦、有色金屬等礦用提升系統調速的首選，對電網無諧波污染。我國高壓變頻器在工業(yè)領域主要應用于風機、水泵的啟動或變頻調速，起到改善電能、降低能耗的作用，特別是電機節(jié)能效果非常顯著，是工業(yè)用戶實現節(jié)能減排的主要手段。

　　目前主要廠商，尤其是國內廠商都在不斷突破更高功率、能夠實現更多功能的新產品，同時著力提高產品的穩(wěn)定性，產品距離成熟尚有一定距離。國內企業(yè)從引進模仿起步，通過自主研發(fā)，不斷實現具有知識產權的創(chuàng)新，一次又一次縮小與國外產品的科技差距。即使在經濟衰退的2008年，高壓變頻器行業(yè)在技術領域也取得了諸多突破。2008年4月15日，合康億盛的大功率同步電機矢量控制高壓變頻器在山西臨汾水泥廠一次通過帶負載運行驗證，有效的解決了大功率同步電機的啟動沖擊電流大和運行失步、調速范圍差等問題，同時填補了該領域的國內空白。該產品還可以應用于礦井提升機、球磨機、鋼鐵廠的主軋鋼機、大型船舶驅動、牽引電車等領域；2008年11月初，利德華福生產出10000kVA/10kV變頻器，并經過多項嚴格測試，準備應用于山東某鋼廠的大型風機；2008年12月23日，智光電氣也正式推出了已通過國家權威機構嚴格檢驗的10000kVA超大容量高壓變頻器。國內企業(yè)接連打破由少數國外企業(yè)壟斷的市場格局。

　　國內高壓變頻器生產廠商多采用功率單元串聯多電平技術，由西門子羅賓康公司發(fā)明并申請專利，由于其專利申請僅在美國，在我國屬于公知技術。該技術特別適用于普通風機、水泵的啟動、調速，但在精確控制、高性能應用領域仍有許多的工作要做。其他一些結構形式的高壓變頻器也正在發(fā)展之中，如中壓三電平技術、混合結構技術等。它們具有結構緊湊、工藝密度高、四象限運行、控制靈活等優(yōu)勢，將是未來高壓變頻技術的發(fā)展方向，也是潛在市場的需求。但是目前高壓變頻器中采用的功率器件仍然只能依賴進口，它是高壓變頻器發(fā)展中的一個瓶頸問題。

　　4 同步開斷技術

　　同步開斷(智能開關)技術是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。智能開關，包括殼體、總電源開關、多個分開關，多個分開關為整體結合式，一組進線，分組出線?？傠娫撮_關具有過壓、總過流保護功能，名分開關具有過流、防觸漏電保護功能。電路部分包括電源、過壓保護電路、過流保護電路、觸漏電保護電路、故障記憶指示電路和執(zhí)行電路。從低壓進戶，過壓具有兩級保護，過流具有三級保護，觸漏電具有一級保護，充分保證了用電的安全性和可靠性，可有效地保護家用電器及用電儀器、設備不受損壞。

　　20世紀90年代以后，我國為了改變配電網絡的薄弱狀況，加快電力工業(yè)的發(fā)展,提高配電網絡自動化程度，在借鑒國外先進經驗，引進先進技術的基礎上加大了配電網的投資力度。高品質、高性能的開關設備也隨著計算機技術、通信和數據存儲技術、信息傳感技術、微電子技術的應用和發(fā)展,趨向智能化。但目前高壓開關大都是機械開關，開斷時間長、分散性大，難以實現準確的定相開斷。實現同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。
為了滿足用戶的需求，各大電力設備的制造廠家運用先進的智能配電技術，相繼推出了智能化的開關柜以及相應的配電系統。智能化成套開關設備使整個變電站的保護、控制、監(jiān)控集中起來，同時也為變電站廣域監(jiān)測和斷路系統奠定了基礎。近年來，隨著配電自動化技術研究及應用的不斷深入，智能開關設備的應用不斷增多，線路故障監(jiān)控技術水平及其產品功能質量水平也不斷提高，但由于我國配電網結構的復雜性和多樣化，供電可靠性與發(fā)達國家相比仍然有較大的差距。

　　5 用戶電力技術

　　近年來，“用戶電力技術”(CUSTOM POWER TECHNOLOGY)的概念，是美國的N. G. Hingorani博士于1988年提出的概念：把大功率電力電子技術和配電自動化技術綜合起來，以用戶對電力可靠性和電能質量要求為依據，為用戶提供其特定要求的電力供應技術。
目前，已經開發(fā)出用于配電網的電力電子裝置，例如固態(tài)高壓開關(SOLID-STATE CIRCUIT BREAKER)。與常規(guī)的機械開關相比，固態(tài)開關能在一個工頻半波以內完成由故障供電線路向健全的供電線路的切換。這是一般機械開關無法比擬的。另一關鍵設備是動態(tài)電壓恢復器(DYNAMIC VOLTAGE RESTORER)，它由直流儲能電路、變換器和級次串聯在供電張路中的變壓器構成。變換器的控制系統，根據檢測到的線路的電壓波形，產生補償電壓，使合成的電壓動態(tài)休持恒定。無論是短時的電壓低落或過電壓，通過DVR均可以使負載上的電壓保持動態(tài)恒定。

　　隨著負荷的不斷增長，而如何保證社會可持續(xù)發(fā)展的能源供應并使電力生產滿足越來越高的環(huán)保要求則是電力行業(yè)面臨的又一主要難題；同時，負荷的增長還使系統短路電流不斷增加，故障限流保護問題愈加突出。傳統機械式控制裝置因其響應速度慢、控制不精確，難以適應信息社會對電力供應的要求，而隨著大功率電力電子技術的飛速發(fā)展，用戶電力技術將為解決以上問題提供新的手段。

　　Custom Power作為一種新型的電力技術和先進的電力經營理念，將成為未來智能電網系統不可缺少的重要組成部分。隨著高電壓、大功率電力電子器件的研制開發(fā)和我國電力市場改革的不斷深入，Custom Power將有廣闊的發(fā)展和應用前景，也必將極大地推進我國電力事業(yè)的發(fā)展。