电力电子技术在智能电网中的应用研究

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集电力电子技术在智能电网中的应用综述112齐肖彬，田建设，郑小江（1华北电力大学电力工程系，河北省保定市071003；2河北电力公司检修分公司，河北省石家庄市050070）摘要：电力电子是智能电网的关键技术之一。在智能电网中，从可再生能源发电的大规模接入到高压直流输电和柔性交流输电，从改善电能质量的用户电力技术到储能和V2G应用，到处都离不开大功率电力电子技术。本文将从储能技术、发电环节、输电环节、配电环节等四个层面综合分析了电力电子技术在智能电网

2、中的应用。关键词：智能电网电力电子高压直流输电柔性交流输电储能技术1引言我国坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化为特征，包含电力系统各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。智能电网的辐射范围相当广阔，包括新材料、电力电子元器件制造、电池制造、新能源发电、钢铁制造、通信设备、智能家电、电动汽车、智能家居等上下游产业，而后续还将衍生出诸如智能城市、智能交通等更多新的产业。在智能电网中，

3、从可再生能源发电的大规模接入到高压直流输电和柔性交流输电，从[1]改善电能质量的用户电力技术到储能和V2G应用，到处都离不开大功率电力电子技术。本文将从储能技术、电动汽车V2G；发电环节的可再生能源接入、风机水泵的变频调速、变频器；输电环节的高压直流输电和柔性交流输电；配电环节的同步开断技术、用户电力技术等四个层面，综合分析了智能电网中电力电子应用的有关问题。2储能技术和V2G随着各种可再生能源发电的大规模接入电网，风电和光伏发电功率的随机性和波动性对电网调度和安全稳定运行提出了严峻的挑战。为了吸纳更多风电和

4、光伏发电波动的功率，迫切需要电[4]网具有较强的调节能力，大容量集中式储能技术和V2G等分布式储能技术就应运而生。（1）储能技术除抽水储能和压缩空气储能(CSES)外，电池储能(铅酸电池、锂电池、NaS电池和钒液流电池等)、飞轮储能、超导储能(SMES)和超级电容器储能等都要用到电力电子技术。各种电池储能和大容量的液流电池储能都是产生直流电，当电网功率过剩时通过控制器和整流器，将交流电变成直流电给电池组充电。而当电网功率不足时，由控制器和逆变器将电池组的直流电变换成交流电，反送给电网。如何实现电池组的快速充放

5、电、如何实现多个电池的均衡充电延长电池寿命，成为电池智能充放电管理系统的关键问题。目前，NaS液流电池组和钒液流电池组最大的可以达到上兆瓦，多组并联容量更大，可以实现电网的集中功率调节，被称为“储能电站”。飞轮储能是将电能通过电动机转化成飞轮的机械能，需要时电动机变成发电机，将飞轮的机械能再转化成电能送入电网。飞轮是由玻璃纤维等高强度材料制成，转速在40000rpm以上，通过一对磁悬浮轴承悬浮在真空中，几乎没有能量损耗，整个装置的运行效率可以达到98%。通过双向功率变流器将飞轮储能装置和电网解耦开来，以保证装

6、置产生的电能满足电网电能质量的要求。通过模块化设计可以将多个飞轮装置并联运行，利用集装箱移动应用，可作为调节电站和后备电源使用。目前美国已建成20MW的移动式飞轮储能系统，开展工业化应用试验。将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年，显然这是一种理想的储能装置。当大电网中负荷小时，把多余的6672012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集

7、电能储存起来，负荷大时又把电能送回电网，这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾。这就是超导储能。超级电容器又叫双电层电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离比传统电容器薄膜材

8、料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。（2）电动汽车V2G随着电动汽车的发展，大量的车载电池成了天然的分布式储能系统，为增强电网的调节能力提供了新的途径。车主可以在电价低廉时充电，当电网需要时将电池中存储的电能反馈给电网以获得差价。在车主和系统调度员之间，是通过实时电价和智能电表来实现智能充放电管理。这