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电力电子系统化中的热点问题

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问题描述

电力电子在电力系统中的应用是目前的热点。对相关的建模问题特别感兴趣。有哪位高人能总结一下目前这方面的存在的主要问题以及主要学术流派,特别是国内的大牛团队?

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姚佳·20.00

2016-12-15 19:43:39提问

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 低碳经济与电力电子器件

低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,其实质就是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP,核心为节能减排。低碳社会的目标是和谐与可持续发展,基本国策为:节能+绿色新能源的开发;减排+绿色能源的使用。低碳经济与电力电子技术应用在交通、能源、变频技术、新能源、电动汽车、照明等领域,因此它在实现低碳社会的过程中起到重要作用。

电力电子器件是电力电子系统中的CPU,是节能减排、可再生能源产业的“绿色芯”。器件芯片的发展方向为: 薄片工艺、小管芯、大芯片、新材料、大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。模块的发展方向是:紧凑化、薄型化、智能化、无铅化。

 兆瓦级风力发电用变流器现状及趋势

(1)国内外风力发电状况目前全球风机装机总容量比十年前增长了10 倍,我国累计装机容量已超过德国跃居全球第二, 新增风电装机容量跃居全球第一,成为全球风机生产十强之一。

(2)风电变流器及产业概况风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一, 也是目前风电制造行业国产化水平较低的部件之一。近年来国内企业在风电变流器研发及产业化方面进行了巨大投入,且有了长足进步。

(3)超大功率风电变流器方案风电机组单机容量不断增大,正向10 MW 迈进, 超大功率时代已经到来。扩大容量的基本方案是模块化设计。变流器的模块化设计优点有:易于容量扩大;有助于大规模标准化生产, 有效降低成本; 系统配置灵活、维修方便;优化运行模式、提高运行效率和寿命周期。模块化设计的基本方式: 相桥臂模块设计;独立AC/DC 设计;独立AC/DC/AC+滤波器设计; 独立AC/DC/AC 设计; 级联多电平模块化设计。超大功率设计的根本方法是提高电压等级。

(4)关于低电压穿越并网导则随着风电场容量的扩大而不断发展, 并更加关注于高压输电网稳定的问题, 强调和细化了穿越过程中的功率控制(无功)。随着大型风场的迅速增加,风机的暂时过压已成为新的问题。大多数风机使用电压源逆变器,当电网电压超过某一限定值时,流过网侧的电流可能发生倒转,导致直流电压迅速增加。过压产生的主要原因有: ①负载突然撤掉或大的电容器切入;②发生不平衡故障;③由于各国电网架构的差异, 导致过压可能有不同的峰值和持续时间特征, 因此国际上关注高电压穿越电网要求各地不同。在澳大利亚, 电网导则规定风机忍受过压30%持续60 ms。低电压穿越方案的难点是:①满足成本限制要求;②实验与测试(电网与系统)。总之要满足并网导则要求, 对变流器的设计是一个严峻的考验!

随着“洋品牌”的不断降价以及整机厂家的介入,新一轮的竞争将更加激烈;模块化技术与中压大功率是风机变流器的发展趋势; 电网的友好接入和故障穿越技术是国产风机变流器研究面临的新挑战; 风机变流器的国产化必然使我国的大功率变流器技术迈上新台阶。

 电力电子在电动汽车中的现状和前景

汽车工业是国家经济的支柱产业, 在国民经济中具有举足轻重的地位, 给人们生活带来极大便利。但随着石油资源的过度消耗,地球环境受到严重污染, 汽车尾气污染占我国城市空气污染的60%以上。我国作为第二能耗大国,环境保护形势日趋严峻。因此发展电动汽车符合世界各国能源发展战略和环境保护的重大需求。

电动汽车的特定要求包括:高速飞驰、频繁启动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车、振动、高温高湿等。电动汽车分为三类:①纯电动汽车完全由电池供电,采用电动机驱动,不消耗石油资源,清洁无污染, 真正实现零排放。电动机易于电子控制,可简化甚至省去变速齿轮装置,能产生制动转矩,回收能量,减少机械制动磨损;②混合动力电动汽车的动力装置为电动机+内燃机,通过控制系统可实现最佳能量分配,达到低能耗、低污染和高性能。混合动力电动汽车融合了传统汽车和纯电动汽车的优点,是当今新能源汽车的主流;③燃料电池电动汽车利用氢燃料与大气中的氧发生化学反应,产生电能,通过电动机驱动汽车, 不会产生有害产物,且能量转换效率比内燃机要高2~3 倍。

电动汽车以车载电源为动力, 用电机驱动车轮行驶。它涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种高科技产品。电动汽车的关键技术包括汽车技术、电力电子技术、信息技术和化学技术等。电动汽车中的电力电子技术包括: 汽车自动变速器的驱动控制、汽车电磁执行机构的驱动控制、汽车电子点火系统、汽车动力转向系统和汽车照明系统、汽车电源系统。电动汽车电驱动系统是电动汽车的心脏,由电动机、功率变换器及其控制器、动力蓄电池、管理系统等组成。

车用驱动电机发展趋势: ①永磁电机功率密度和转矩密度高,具有效率高、功率因数高和可靠性高的优点,采用矢量控制的驱动控制系统,可使永磁电机具有较宽的调速范围; ②数字化是电驱动系统发展的必然趋势; ③集成化体现在两个方面,即电机方面为电机和发动机总成、电机和变速箱的总成。控制器方面为电力电子总成(功率汽车、驱动、控制、传感器、电源等)。将能源多元化和动力一体化两大趋势相统一, 研究新一代电驱动平台,抢占电动汽车高端前沿制高点。

 电力电子技术在智能电网中作用

国家电网提出的智能电网概念可概括为: 构建具有我国特色的特高压、新能源、智能化电网;其特征为信息化、数字化、自动化及互动化。

(1)电力电子技术在智能电网中将发挥不可替代的重要作用。电力电子技术的核心作用是实现对电能的控制与处理,其表现有:电路的无触点快速通断;改变系统的等值电气参数;实现电能形态的转换与发生。电气系统的目标:每时每刻保证电网的电力发生与负荷消耗之间保持平衡; 实现全系统的安全、高效、经济运行。就目前的技术手段而言,要实现电能的高效控制和利用,在很大程度上要充分利用电力电子技术与装置来完成。

(2)智能电网贯穿在发、输、配、用电全过程,而电力电子技术在每个过程都发挥着不同的作用。在发电系统中,电力电子技术发挥的作用:风电、太阳能等新能源的并网技术,控制发电机谐振技术等。在输电系统中发挥的作用:高压直流电技术联网工程、电压源换流器高压直流输电技术、灵活交流输电技术等。在配电系统中发挥的作用:供电能力和供电可靠性的提升,节能降耗,配电网分布式发电与新能源接入技术, 电动汽车充放电站建设,双向信息智能仪表。在用电发挥的作用:提高功率因数,减少无功潮流,降低电能损耗,抑制电压波动和闪变, 减少非线性负荷引起的电压影响和谐波干扰,三相负荷平衡化等。

(3)电力电子的负面作用和影响要引起高度重视。智能电网使电能质量新问题更加突出。智能电网主要特征有:①数字化用电设备和系统上,数字化的一个特点是对电能质量更加敏感, 要求也愈来愈高;②信息化和互动化,电网中的传输信息电压带来的电力干扰也逐渐严重; ③自动化和电力的高效控制,将引起大量电力电子装置的应用,其快速切换、功率冲击、非线性特征等将使电能质量问题更加严重和复杂。

要解决智能电网的关键问题在许多方面都离不开电力电子技术。电力电子技术应用能提高输

电能力,更加安全可靠、优质运行、精确/快速控制和储能、新能源和分布发电。电网建设势在必行,它极大地带动了相关领域发展, 也为电力电子领域提供了机遇与挑战。电力电子技术在智能网络中必将发挥重要作用,充满广阔的应用前景。

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  滴答·110.00

2016-12-29 17:48:50回答

感谢,答案很用心,牛  姚佳 2016-12-31 13:16:28

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电力电子的热点问题是和具体的应用领域分不开的。例如新能源方面的风力变流器的故障诊断,无功补偿领域的低频振荡,和一些基本的问题,例如电力电子结构的稳定性一些基本问题。都是为了解决具体问题而成为研究的热点。建模的问题也和应用分不开的,为解决什么问题而使用什么模型,一个方向肯定是整体化考虑,电网和变流器统一建模,多变流器统一建模等。总之是和具体的应用分不开。

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  rainbowII·190.00

2016-12-16 10:49:28回答

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据本人所知,目前电力系统电力电子的建模问题主要有两个方面:

一是模型的准确性问题,比如电力电子器件,很多都简化为一个简单的开关,有信号就通,无信号就断,电压电流特性完全无法体现,开通关断过程不存在,毫秒级的问题无法进行建模仿真分析;

第二个是仿真的速度问题,随着电力系统中电力电子技术的发展越来越成熟,电力电子系统的电压等级越来越高,由此带来的电力电子器件规模越来越庞大,而目前这种利用单器件模型建模,搭系统的方式,使得电力电子系统的仿真越来越慢,有时跑完一个程序需要几天的时间。

目前在做建模的有国网全球能源互联网研究院的直流输电研究所,他们一直都在搞相关方面的研究;另外,其功率半导体研究所和电力电子研究所也在进行相关方面的研究。

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  雪魂·30.00

2016-12-15 19:54:29回答

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