电力电子工业矿业发电文档格式.docx

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电力电子变流器智能化技术；

电力电子系统中的控制和计算机仿真、建模等；

（3）电力电子应用技术，其研究内容主要包括超大功率变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力牵引、舰船推进中的应用；

电力电子系统信息与网络化；

电力电子系统故障分析和可靠性；

复杂电力电子系统稳定性和适应性等；

（4）电力电子系统集成，其研究内容主要包括电力电子模块标准化；

单芯片和多芯片系统设计；

电力电子集成系统的稳定性、可靠性等。

从工业角度看，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高科技产业，都迫切需要提供高质量的电能，特别是要求节能和降耗。

电力电子则是实现将各种能源高效率地变换成高质量电能、节能、环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间，传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化的桥梁。

电力电子的突出特点是高效、节能、省材，所以电力电子已成为我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。

因此，无论上述诸多高技术应用领域，还是各种传统产业，乃至照明、家电等量大面广的，与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已无所不在。

由于目前我国还没有形成独立自主的、完整的、强大的电力电子的产业体系，因此它已成为制约我国建立独立自主的现代科学、工业和国防体系的瓶颈之一。

从目前世界的能源结构来看，以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。

太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。

电力电子技术作为可再生能源发电技术的关键，直接关系到可再生能源发电技术的发展。

可再生能源发出大小变化的直流电或频率变化的交流电，需要电力电子变换器将电能进行变换。

由于太阳能、风能、水能、海洋能、生物能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅可再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。

因此，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并且已取得了重要的进展和成果。

但是，新能源的应用人存在许多问题需要研究和解决。

电力电子技术在可再生能源中的应用

利用新能源发电需要解决的关键问题是电能的转换、电能存储、电能管理和电能质量控制。

其核心是采用电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和人工智能技术等，特别是上述技术的集成和融合。

但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源电力系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。

核心技术

众所周知，新能源电力系统的共同特征是需要进行电源变换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。

图5给出了一个采用多电平逆变拓扑构成的组合式三相交流电源。

由于新能源电力系统中电能变换主要是依赖DC/DC变换和AC/DC变换两种方式，因此，提高变流效率和功率密度显得尤为重要。

图1多电平交流逆变电路结构

电能储存

由于太阳能、风能等能源受自然环境和气候条件的影响较大，具有不稳定性和不确定性。

为了提高电源质量，应该在新能源发电系统中设置储能装置，以便在外部能源充足时储存多余的电能，而在能源不足时提供电能。

比如：

风力发电机可以通过电感储能器存储风能，改善电网供电质量。

除了传统的蓄电池和电感等储能方式外，现代的储能装置有超级电容和飞轮等方式。

与电解电容相比，超级电容利用碳电板表面产生的双层电极储能，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。

如今，超级电容功率密度可高达20kw/kg，充放电时间各为0.1～100分钟。

在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。

飞轮储能是利用高速旋转的飞轮惯性存储电能。

如果与风力发电机结合，可以在风速很高时，带动飞轮高速旋转；

风速降低时，飞轮驱动发电机输出电能。

当前如何降低飞轮的摩擦损耗是提高储能效率的关键，利用磁悬浮技术使飞轮转轴稳定地悬浮于空间是一种有效的解决方案。

预计飞轮储能装置将在国防、电力、交通等领域具有应用前景。

电能管理

电源管理系统（PMS）技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。

PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。

其主要功能包括：

（1）电能分配；

（2）优化控制；

（3）状态监测；

（4）故障诊断；

（5）容错控制。

实现上述功能的核心技术是：

计算机技术，如数据库、网络通信、现场总线等；

自动控制技术，如过程监控、最优化算法、容错控制等；

人工智能，如模式识别、专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等。

特别重要的是这些技术的融合，包括各种技术内部自身的融合，以及各种技术之间的融合。

例如：

整个系统可以采用网络化控制，通过三层网络结构：

底层采用现场总线和基于DSP的嵌入式控制器实现实时控制、数据采集和通信；

中间通过分布式计算机监控系统实现系统的状态检测、数据存储、趋势分析和故障报警等功能；

上层采用人工智能技术构建智能PMS，实现负荷预测、电能分配、系统优化和能量管理。

在电源管理系统（PMS）方面，将在智能优化及安全控制上有所突破。

电能质量控制

电力电子技术在输、配电中的应用是电力电子应用技术最具有巨大潜在市场的领域。

众所周知，从用电角度来说，利用电力电子技术可以有效地进行节电改造，提高用电效率；

从输、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高输配电质量。

近10多年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在输、配电应用中具有强大的生命力。

如表1所示，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程均起作重要的作用。

表1电力电子技术在电力系统中的主要应用

以在配电中的应用为例，近年来，电力需求的不断增加，非线性电子设备和敏感负载对电力质量提出更高要求，为了得到最大输电量和保证在分布系统的公共连接点有高的电力质量，电压调节、无功/谐波控制和补偿以及电力潮流控制技术已成为必不可少的关键技术，典型的设备有电力调节器、静止无功发生器（svg）、有源滤波器、静止调相机（statcom）和电力潮流控制器等。

上述现代电力系统应用的电力电子装置几乎都无一例外使用了全控型大功率电力电子器件、各种新型的高性能多电平大功率变流器拓扑和dsp全数字控制技术。

近年来，随着大量非线性元器件的使用，特别是电力电子变流器的广泛应用，造成了电网功率因数降低和谐波畸变等问题。

如何治理“电力公害”，提高电能质量成为当前迫切需要解决的重要课题。

电能质量控制的主要研究内容是：

（1）电源谐波检测和分析技术谐波的测量和分析是实现谐波治理的前提条件，准确的谐波测量和分析能够为谐波的治理提供良好的依据。

自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量便得到了广泛应用。

然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，否则会产生频谱泄漏现象和栅栏效应。

因此，如何减小因同步偏差而引起的测量误差成了众多学者关注的焦点。

（2）电能质量控制和管理包括：

功率因数校正和滤波器设计。

由于传统的无源滤波器体积和重量超大，日须针对不同的频率进行设计，功率因数校正（PFC）技术是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。

近年来，有源功率因数校正技术（APFC）已成为电力电子领域的研究热点。

现已从电路拓朴、控制策略发展到集成模块，首先在单相PFC电路方面取得成果。

可用于Buck、Boost、Buck-boost、Cuk等DC/DC基本变换电路的专用或通用的PFC控制器。

目前的研究重点在三相PFC控制技术上，比如：

单开关、多开关以及软升关三相PFC电路的研制。

特别是，软开关技术与PFC技术的融合是发展的新趋势。

虽然，目前PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。

控制技术及其各部分系统

可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代能源过渡。

与前述控制技术同样重要的作为可再生能源应用的重要组成部分的电力变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题。

可再生能源发电中应用到的电力电子技术主要包括逆变器、太阳能充电器、矩阵式频率变换器、有源滤波器等。

逆变器及并网控制技术

例如分布式发电技术及可再生能源得到了发达国家的普遍关注。

目前，国外已有多种分布式发电技术获得了工业应用，它使得发电设备更加靠近用户，不但减小了人们对远距离输电的依赖，而且提高了人们使用可再生能源发电的兴趣，提高了用户用电的独立性、可靠性、安全性和灾变应变能力。

风能发电、太阳能发电、燃料电池发电和小型高速涡轮发电机（microturbinegenerator）发电等分布式发电系统都有赖于电力电子技术，以实现安全、可靠、高效的运行。

图2为分布式发电系统的示意方框图。

现以固体氧化物燃料电池和一个小型高速涡轮发电机组成的混合分布式发电系统为例，其结构示意图如图3所示。

高温下运行的固体氧化物燃料电池产生的高温废气，可用来推动小型高速涡轮机发电。

在现有技术水平得到极大提高的情况下，预计这种系统的效率将达到70％左右，超过当今任何发电系统的效率。

图2现代分布式发电系统示意图

图3燃料电池和微涡轮发电机混合发电系统结构示意图

该系统的功率调节部分由多个逆变器组成，其中功率变换和控制装置包含许多核心技术，包括：

和电网的连接、燃料电池的容量和诸多系统级控制功能：

如系统效率、输出波形质量、隔离和保护、电网电压跌落时逆变器的承受能力、无功控制、逆变器故障容量及返回到燃料电池盒的电流纹波等。

对于大功率燃料电池系统，则需要新的电路拓扑、智能集成功率变流器和智能系统级控制方法。

可再生能源发电输出功率的并网主要采用针对变速恒频双馈风力发电机组的AC—AC变换器并网和采用逆变器的并网方式。

目前,可再生能源发电的并网多采用逆变器与电网连接,并网逆变器应具有功率因数为1、网侧电流正弦化、能量可双向流动等特点,从而使其具有优良的控制性能.当光伏并网发电时,并网逆变器还必须具有快速的动态响应.逆变器除了要保证并网所要求的电能品质和条件外,还要实现可再生能源发电技术的一些功能,如太阳能最大功率输出跟踪控制和风能最大