智能电网中大功率电力电子技术及其巨大的市场前景
时间：2010-01-28 15:57:13
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[导读] 摘要：大功率电力电子是智能电网发展的技术基础，智能电网的大发展给大功率电力电子提供广泛的市场机遇。本文介绍了柔性交流输电技术、高压直流输电技术、高压变频技术、同步开断技术和用户电力技术，分析了这些
摘要：大功率电力电子是智能电网发展的技术基础，智能电网的大发展给大功率电力电子提供广泛的市场机遇。本文介绍了柔性交流输电技术、高压直流输电技术、高压变频技术、同步开断技术和用户电力技术，分析了这些电力电子技术在智能电网中的重要性和发展前景。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，节能效果可达10%-40%，可以减少机电设备的体积并能够实现最佳工作效率。从价值链条分析，智能电网是由发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节组成的有机整体。作为智能电网建设的初衷，就是在保障电网安全稳定运行的前提下尽可能使清洁能源更多地上网，而智能调度则是解决这一问题的起点；随着清洁能源的调度上网，清洁能源不稳定的特性威胁着电网的安全，柔性交流输电技术则在这一环节充当了保护电网安全运行的有效手段。目前，半导体功率元器件向高压化、大容量化发展，电力电子产业出现了以SVC为代表的柔性交流输电技术、以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术、以高压变频为代表的电气传动技术，以智能开关为代表的同步开断技术，以及以静止无功发生器、动态电压恢复器为代表的用户电力技术等。
1 柔性交流输电技术
柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一。柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：Flexible AC Transmission Systems。是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N. G. Hingorani博士首次提出FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。
在电力电子装置最早用于直流输电系统中并实现了对输送功率的快速控制，由此人们想在交流系统中加装电力电子装置，寻求对潮流的可控，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本，FACTS技术应运而生，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）又称作ASVG，晶闸管投切串联电容器（TCSC），静止同步串联补偿器（Static Synchonous Series Compensator）统一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS装置家族的成员。
由于中国智能电网以特高压输变电为基础，且需要综合考虑新能源的接入、分布式能源的隔离等技术，以电力电子为主要特征的柔性输电系统需求增长迅速。由于中国智能电网以特高压输变电为基础，且需要综合考虑新能源的接入、分布式能源的隔离等技术，以电力电子为主要特征的柔性输电系统需求增长迅速。将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和保证电力系统稳定水平。
2 高压直流输电技术
在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。
高压直流输电技术对于远距离输电、高压直流输电拥有独特的优势。高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。而采用交流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。
轻型直流输电系统采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。
我国高压直流输电技术在远距离输电中得到广泛应用，今后我国还将在大水电基地和大煤电基地的超远距离、大容量送出工程中继续大力发展和建设特高压直流输电工程。特高压输电具有电压等级高、输送距离远、输送容量大、可实现非同步联网等特点。资料显示，±800千伏直流特高压输送电量每小时为620万至640万千瓦时。
3 高压变频技术
中国高压变频器市场规模增长速度快，潜力大。高压变频技术最大的优点是节电率一般可达30%左右，但缺点是成本高，并产生高次谐波污染电网。荣信高压变频器目前是业内唯一生产四象限多电平交-直-交型高压变频产品的企业，集成了交一直一交多电平串联叠加、矢量控制、四象限及IGBT模块热管散热等多项目前世界领先的技术，以其独特的技术优势已成为煤矿、铁矿、有色金属等矿用提升系统调速的首选，对电网无谐波污染。我国高压变频器在工业领域主要应用于风机、水泵的启动或变频调速，起到改善电能、降低能耗的作用，特别是电机节能效果非常显著，是工业用户实现节能减排的主要手段。
目前主要厂商，尤其是国内厂商都在不断突破更高功率、能够实现更多功能的新产品，同时着力提高产品的稳定性，产品距离成熟尚有一定距离。国内企业从引进模仿起步，通过自主研发，不断实现具有知识产权的创新，一次又一次缩小与国外产品的科技差距。即使在经济衰退的2008年，高压变频器行业在技术领域也取得了诸多突破。2008年4月15日，合康亿盛的大功率同步电机矢量控制高压变频器在山西临汾水泥厂一次通过带负载运行验证，有效的解决了大功率同步电机的启动冲击电流大和运行失步、调速范围差等问题，同时填补了该领域的国内空白。该产品还可以应用于矿井提升机、球磨机、钢铁厂的主轧钢机、大型船舶驱动、牵引电车等领域；2008年11月初，利德华福生产出10000kVA/10kV变频器，并经过多项严格测试，准备应用于山东某钢厂的大型风机；2008年12月23日，智光电气也正式推出了已通过国家权威机构严格检验的10000kVA超大容量高压变频器。国内企业接连打破由少数国外企业垄断的市场格局。
国内高压变频器生产厂商多采用功率单元串联多电平技术，由西门子罗宾康公司发明并申请专利，由于其专利申请仅在美国，在我国属于公知技术。该技术特别适用于普通风机、水泵的启动、调速，但在精确控制、高性能应用领域仍有许多的工作要做。其他一些结构形式的高压变频器也正在发展之中，如中压三电平技术、混合结构技术等。它们具有结构紧凑、工艺密度高、四象限运行、控制灵活等优势，将是未来高压变频技术的发展方向，也是潜在市场的需求。但是目前高压变频器中采用的功率器件仍然只能依赖进口，它是高压变频器发展中的一个瓶颈问题。
4 同步开断技术
同步开断(智能开关)技术是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。智能开关，包括壳体、总电源开关、多个分开关，多个分开关为整体结合式，一组进线，分组出线。总电源开关具有过压、总过流保护功能，名分开关具有过流、防触漏电保护功能。电路部分包括电源、过压保护电路、过流保护电路、触漏电保护电路、故障记忆指示电路和执行电路。从低压进户，过压具有两级保护，过流具有三级保护，触漏电具有一级保护，充分保证了用电的安全性和可靠性，可有效地保护家用电器及用电仪器、设备不受损坏。
20世纪90年代以后，我国为了改变配电网络的薄弱状况，加快电力工业的发展,提高配电网络自动化程度，在借鉴国外先进经验，引进先进技术的基础上加大了配电网的投资力度。高品质、高性能的开关设备也随着计算机技术、通信和数据存储技术、信息传感技术、微电子技术的应用和发展,趋向智能化。但目前高压开关大都是机械开关，开断时间长、分散性大，难以实现准确的定相开断。实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。
为了满足用户的需求，各大电力设备的制造厂家运用先进的智能配电技术，相继推出了智能化的开关柜以及相应的配电系统。智能化成套开关设备使整个变电站的保护、控制、监控集中起来，同时也为变电站广域监测和断路系统奠定了基础。近年来，随着配电自动化技术研究及应用的不断深入，智能开关设备的应用不断增多，线路故障监控技术水平及其产品功能质量水平也不断提高，但由于我国配电网结构的复杂性和多样化，供电可靠性与发达国家相比仍然有较大的差距。
5 用户电力技术
近年来，“用户电力技术”(CUSTOM POWER TECHNOLOGY)的概念，是美国的N. G. Hingorani博士于1988年提出的概念：把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户提供其特定要求的电力供应技术。
目前，已经开发出用于配电网的电力电子装置，例如固态高压开关(SOLID-STATE CIRCUIT BREAKER)。与常规的机械开关相比，固态开关能在一个工频半波以内完成由故障供电线路向健全的供电线路的切换。这是一般机械开关无法比拟的。另一关键设备是动态电压恢复器(DYNAMIC VOLTAGE RESTORER)，它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电张路中的变压器构成。变换器的控制系统，根据检测到的线路的电压波形，产生补偿电压，使合成的电压动态休持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。
随着负荷的不断增长，而如何保证社会可持续发展的能源供应并使电力生产满足越来越高的环保要求则是电力行业面临的又一主要难题；同时，负荷的增长还使系统短路电流不断增加，故障限流保护问题愈加突出。传统机械式控制装置因其响应速度慢、控制不精确，难以适应信息社会对电力供应的要求，而随着大功率电力电子技术的飞速发展，用户电力技术将为解决以上问题提供新的手段。
Custom Power作为一种新型的电力技术和先进的电力经营理念，将成为未来智能电网系统不可缺少的重要组成部分。随着高电压、大功率电力电子器件的研制开发和我国电力市场改革的不断深入，Custom Power将有广阔的发展和应用前景，也必将极大地推进我国电力事业的发展。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，节能效果可达10%-40%，可以减少机电设备的体积并能够实现最佳工作效率。从价值链条分析，智能电网是由发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节组成的有机整体。作为智能电网建设的初衷，就是在保障电网安全稳定运行的前提下尽可能使清洁能源更多地上网，而智能调度则是解决这一问题的起点；随着清洁能源的调度上网，清洁能源不稳定的特性威胁着电网的安全，柔性交流输电技术则在这一环节充当了保护电网安全运行的有效手段。目前，半导体功率元器件向高压化、大容量化发展，电力电子产业出现了以SVC为代表的柔性交流输电技术、以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术、以高压变频为代表的电气传动技术，以智能开关为代表的同步开断技术，以及以静止无功发生器、动态电压恢复器为代表的用户电力技术等。
1 柔性交流输电技术
柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一。柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：Flexible AC Transmission Systems。是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N. G. Hingorani博士首次提出FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。
在电力电子装置最早用于直流输电系统中并实现了对输送功率的快速控制，由此人们想在交流系统中加装电力电子装置，寻求对潮流的可控，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本，FACTS技术应运而生，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）又称作ASVG，晶闸管投切串联电容器（TCSC），静止同步串联补偿器（Static Synchonous Series Compensator）统一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS装置家族的成员。
由于中国智能电网以特高压输变电为基础，且需要综合考虑新能源的接入、分布式能源的隔离等技术，以电力电子为主要特征的柔性输电系统需求增长迅速。由于中国智能电网以特高压输变电为基础，且需要综合考虑新能源的接入、分布式能源的隔离等技术，以电力电子为主要特征的柔性输电系统需求增长迅速。将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和保证电力系统稳定水平。
2 高压直流输电技术
在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。
高压直流输电技术对于远距离输电、高压直流输电拥有独特的优势。高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。而采用交流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。
轻型直流输电系统采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。
我国高压直流输电技术在远距离输电中得到广泛应用，今后我国还将在大水电基地和大煤电基地的超远距离、大容量送出工程中继续大力发展和建设特高压直流输电工程。特高压输电具有电压等级高、输送距离远、输送容量大、可实现非同步联网等特点。资料显示，±800千伏直流特高压输送电量每小时为620万至640万千瓦时。
3 高压变频技术
中国高压变频器市场规模增长速度快，潜力大。高压变频技术最大的优点是节电率一般可达30%左右，但缺点是成本高，并产生高次谐波污染电网。荣信高压变频器目前是业内唯一生产四象限多电平交-直-交型高压变频产品的企业，集成了交一直一交多电平串联叠加、矢量控制、四象限及IGBT模块热管散热等多项目前世界领先的技术，以其独特的技术优势已成为煤矿、铁矿、有色金属等矿用提升系统调速的首选，对电网无谐波污染。我国高压变频器在工业领域主要应用于风机、水泵的启动或变频调速，起到改善电能、降低能耗的作用，特别是电机节能效果非常显著，是工业用户实现节能减排的主要手段。
目前主要厂商，尤其是国内厂商都在不断突破更高功率、能够实现更多功能的新产品，同时着力提高产品的稳定性，产品距离成熟尚有一定距离。国内企业从引进模仿起步，通过自主研发，不断实现具有知识产权的创新，一次又一次缩小与国外产品的科技差距。即使在经济衰退的2008年，高压变频器行业在技术领域也取得了诸多突破。2008年4月15日，合康亿盛的大功率同步电机矢量控制高压变频器在山西临汾水泥厂一次通过带负载运行验证，有效的解决了大功率同步电机的启动冲击电流大和运行失步、调速范围差等问题，同时填补了该领域的国内空白。该产品还可以应用于矿井提升机、球磨机、钢铁厂的主轧钢机、大型船舶驱动、牵引电车等领域；2008年11月初，利德华福生产出10000kVA/10kV变频器，并经过多项严格测试，准备应用于山东某钢厂的大型风机；2008年12月23日，智光电气也正式推出了已通过国家权威机构严格检验的10000kVA超大容量高压变频器。国内企业接连打破由少数国外企业垄断的市场格局。
国内高压变频器生产厂商多采用功率单元串联多电平技术，由西门子罗宾康公司发明并申请专利，由于其专利申请仅在美国，在我国属于公知技术。该技术特别适用于普通风机、水泵的启动、调速，但在精确控制、高性能应用领域仍有许多的工作要做。其他一些结构形式的高压变频器也正在发展之中，如中压三电平技术、混合结构技术等。它们具有结构紧凑、工艺密度高、四象限运行、控制灵活等优势，将是未来高压变频技术的发展方向，也是潜在市场的需求。但是目前高压变频器中采用的功率器件仍然只能依赖进口，它是高压变频器发展中的一个瓶颈问题。
4 同步开断技术
同步开断(智能开关)技术是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。智能开关，包括壳体、总电源开关、多个分开关，多个分开关为整体结合式，一组进线，分组出线。总电源开关具有过压、总过流保护功能，名分开关具有过流、防触漏电保护功能。电路部分包括电源、过压保护电路、过流保护电路、触漏电保护电路、故障记忆指示电路和执行电路。从低压进户，过压具有两级保护，过流具有三级保护，触漏电具有一级保护，充分保证了用电的安全性和可靠性，可有效地保护家用电器及用电仪器、设备不受损坏。
20世纪90年代以后，我国为了改变配电网络的薄弱状况，加快电力工业的发展,提高配电网络自动化程度，在借鉴国外先进经验，引进先进技术的基础上加大了配电网的投资力度。高品质、高性能的开关设备也随着计算机技术、通信和数据存储技术、信息传感技术、微电子技术的应用和发展,趋向智能化。但目前高压开关大都是机械开关，开断时间长、分散性大，难以实现准确的定相开断。实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。
为了满足用户的需求，各大电力设备的制造厂家运用先进的智能配电技术，相继推出了智能化的开关柜以及相应的配电系统。智能化成套开关设备使整个变电站的保护、控制、监控集中起来，同时也为变电站广域监测和断路系统奠定了基础。近年来，随着配电自动化技术研究及应用的不断深入，智能开关设备的应用不断增多，线路故障监控技术水平及其产品功能质量水平也不断提高，但由于我国配电网结构的复杂性和多样化，供电可靠性与发达国家相比仍然有较大的差距。
5 用户电力技术
近年来，“用户电力技术”(CUSTOM POWER TECHNOLOGY)的概念，是美国的N. G. Hingorani博士于1988年提出的概念：把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户提供其特定要求的电力供应技术。
目前，已经开发出用于配电网的电力电子装置，例如固态高压开关(SOLID-STATE CIRCUIT BREAKER)。与常规的机械开关相比，固态开关能在一个工频半波以内完成由故障供电线路向健全的供电线路的切换。这是一般机械开关无法比拟的。另一关键设备是动态电压恢复器(DYNAMIC VOLTAGE RESTORER)，它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电张路中的变压器构成。变换器的控制系统，根据检测到的线路的电压波形，产生补偿电压，使合成的电压动态休持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。
随着负荷的不断增长，而如何保证社会可持续发展的能源供应并使电力生产满足越来越高的环保要求则是电力行业面临的又一主要难题；同时，负荷的增长还使系统短路电流不断增加，故障限流保护问题愈加突出。传统机械式控制装置因其响应速度慢、控制不精确，难以适应信息社会对电力供应的要求，而随着大功率电力电子技术的飞速发展，用户电力技术将为解决以上问题提供新的手段。
Custom Power作为一种新型的电力技术和先进的电力经营理念，将成为未来智能电网系统不可缺少的重要组成部分。随着高电压、大功率电力电子器件的研制开发和我国电力市场改革的不断深入，Custom Power将有广阔的发展和应用前景，也必将极大地推进我国电力事业的发展。
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