123 132 136

0.1.1传统发电系统

10.1.2变速和可调速解耦发电系统 256 10.2发电系统的电气部分 260 10.2.1引言 . 260 10.2.2由永磁发电机构成的自治发电系统 260 10.2.3采用永磁发电机的非自治发电系统 263 10.2.4混合式发电系统 265 10.2.5电力电子发电系统中的发电机起动 ..· 266 10.3原动机和控制系统 267 10.3.1原动机 267 10.3.2 转速控制策略 269 会老立献 270

10.1.2变速和可调速解耦发电系统

市政常用表格10.2发电系统的电气部分

第11章风力发电系统接入电网

11.5风电机组的电能质量

11. 7 未来的要求和发展

11.7.1风电机组类型

XV智能电网中的电力电子技术11.8经济与电价补贴309参考文献310第12章光伏电站和燃料电池系统接入电网31312.1引言31312.2光伏电站31312.2.1系统概述31312.2.2能量转换31412.2.3太阳电池类型31412.2.4太阳电池的模拟方法31512.2.5光伏组件的模拟31712.2.6运行特性31712.2.7逆变器类型31812.2.8电站设计31912.2.9电网接口与孤岛检测32012.2.10电能质量·32312.2.11未来的发展32612.2.12经济性·32612.3燃料电池电站..32712.3.1燃料电池的种类32712.3.2能量转换32912.3.3并网应用33012.3.4发电厂设计33312.3.5并网问题33412.3.6经济性33512.3.7发展方向336参考文献337PDG

智能电网中的电力电子技术

行系统的稳定特性，故障状况，畸变状况以及负载的非线性等。 人们必须了解，一个部分内的故障可能会对整个系统性能产生影响。例如， 发电部分的一个故障有可能引起输电部分的故障，从而导致配电部分断开负载； 而输电部分的一个故障有可能引起发电部分的故障，从而也导致配电部分断开 负载。然而，配电部分的故障却很少会引起其他两个部分的故障，并且所失去 的负载是最少的，且是本地的。上述这些问题中，有些与输电系统相关，有些 与配电系统相关，但从电能质量的观点来看，都是根本性的

在交流电力系统中，电压是通过改变无功功率的发出和吸收来控制的。那 么，为化么要对电压进行控制呢？主要有如下几个原因：1）不管是用户设备还 是电网设备，都是设计成在一定的电压范围内运行的；电压低时，很多种类的 设备性能会劣化，比如，异步电动机可能会过热而损坏，而某些电子设备可能 根本就不运行；而高电压可能会损坏设备或使设备寿命缩短。2）为了使输电系 统上能够输送的有功功率最大化，必须使无功潮流最小化。3）输电系统中的无 功潮流会引起有功损耗，而为了补偿这些损耗既需要输电容量还需要能量。由 于另外两个因素的作用，电压控制是复杂的：1）输电系统本身是一个无功功率 的消耗者，且所消耗的无功功率是非线性的，取决于系统的负载水平。在系统 负载水平很低时，输电线路的作用就像一个电容器，会使电压上升；而在高负 载水平下，输电线路吸收无功功率从而使电压降低。2）系统的无功功率需求同 时还取决于发电部分和输电部分的结构。因此，系统的无功功率需求是随时间、 随负载水平以及负载和发电模式的变化而改变的。 电力系统运行人员用以控制电压的装置有数种，例如，向电力系统注入无功

功率的发电机倾向于提升系统电压，而从电力系统吸收无功功率的发电机则倾间 于降低系统电压。另外，变压器的分接头调节也可用来控制电压，它可以强迫变 压器的某一侧电压上升（下降），但却是以变压器的另一侧电压下降（上升）为代 价的；变压器一侧母线上所需的用于提升（降低）电压的无功功率被强制流过变 压器的另一侧母线。固定或可变的分接头通常提供+10%的电压选择

如果输电线路的负载水平还没有达到其热极限（常规设计的输电线路的热 主要取决于其运行的电压水平和电抗），那么通过采用诸如可投切电容器利 电抗器这样的装置可以提高其功率输送能力。这些装置能够发出或吸收 率，分别用于提升或降低输电线路的电压。同样，串联补偿通过减小输目 的电抗也被用于提高输电能力

暂态稳定性指的是电系统在大扰动后的生存能力，耐动态稳定性指的是 由扰动（如故障、负载变化等）所触发的发电机或发电机群之间的功率振荡是 否是持续的或增大的。缓解这些振荡的措施常用的有电力系统稳定器（PSS）： 它与自动电压调节器（AVR）一一起作用。 对电力系统基础设施进行升级换代的传统做法主要是兴建新的发电厂，架 设新的输电线路，建造新的变电站，添加其他相关设备等。但是，经验已经证 明，从取得授权到选择路径到建造新线路的每一步都已变得极其困难、昂贵和 费时。而另方面，可以设想，采用柔性交流输电系统（FACTS）、能量储存系 统（ESS）和分布式发电（DG）可以实现上述同样的目标。 与建造新的输电线路相比，采用.上述新的解决方案的潜在好处包括降低输 电的投资成本，缩短实施时间，提高系统的安全性和可靠性，提高功率输送能 力，以及总体改善用户侧的电能质量7.83。 配电系统 随着计算机、现代通信设备等敏感负载的出现，不但需要可靠供电，而且 还需要高质量地供电。 几年之前，用户主要关心的是供电的可靠性。但是，现在用户不仅仅要求 供电可靠，还要求供电的质量是理想的，即供电电压波形是基频下的纯正弦波 电压幅值为额定值。不幸的是，实际得到的交流电网供电质量并不是理想的， 由于缺乏高质量的电力，对用户的影响是多方面的。 电压暂降会引起自动化生产过程的中断，会导致计算机系统或数据处理系 统的崩溃。为了防止这些事件的发生，通常采用不间断电源（UPS），而UPS可 能会产生谐波。与大电动机负载接在同一条供电母线上的用户，每次该天电动 机负载合闻时必须面对严重的电压暂降。对很多用户来说，这是难以接受的。

智能电网中的电力电子技术

1.2潮流控制、分布式发电和能量储存对电网的效益

今天，大多数的用户并不参与电源和电网的管理，他们仅仅是电力的被动接收 者。此外，今日电力系统的大多数设备其设计寿命为30～40年，而负载增长的水平 高于电网设计时的预测值。针对上述情况和气候变化的挑战，以及强制性的温室气 本减排要求，很多国家已开始了电力系统自由化的进程，开放电网的进人并鼓励可 再生能源的发展。在这种形势下，分布式发电（DG）和其他新技术在电网能力的提 升、灵活化和多功能化方面存在着巨大的机遇。因此，由大型常规电厂生产的一部 分电能将由DG来替代，从而对系统响应和电能储存提出了要求。此外，将上述多种 新能源接人电网时，不希望改变输配电系统及其规划和运行过程。另一方面，DG和 其他技术有可能改变目前配电系统的放射式结构，环网运行的方式可能会出现。这 些新的运行技术将需要更智能化的配电系统以及电网各部分之间的协调

在过去的几年中，在输电系统中对有功潮流进行控制的兴趣大大增加。这 样做的理由有多个： （1）通常与热极限相关联的热问题是由诸如网络结构的改变引起的。此外 在一个环网系统中，会出现这样的情况，低阻抗的线路所承载的功率大大超出 原来的设计值，而相平行的输电线路却没有被充分利用。采用潮流控制以后 重载线路可以得到缓解，使电网在总体上得到更好的利用。 （2）将来，即使不考虑别的因素，仅仅当私营公司运行输电线路并卖电给 用户时，潮流就必须加以控制。 一种可能性是采用高压直流输电（HVDC）线

路来控制潮流，另一种可能性是在交流电网中利用FACTS装置来控制潮流。 （3）电压和无功控制问题。重载输电线路的低电压和轻载输电线路的高电 压都是不希望发生的。低电压可能是输送功率降低的一个限制性因素，而高电 压会引起设备损坏。不管是低电压还是高电压，都有可能超出规定的电压变化 范围，因此必须采取校正的措施。采用FACTS装置的校正措施，通过提供无功 功率来校正功率因数和补偿线路中的无功损耗。 （4）降低损耗。通常，安装潮流控制器后，系统中总功率损耗的降低幅度 并不足以证明安装潮流控制器是合算的。仅仅由无功潮流引起的损耗，其值通 常很小，很容易避免掉。而降低由有功潮流引起的损耗意味着降低线路电阻， 但是，在系统的特定区域的损耗降低是一个关联的问题。功率从一个点到另一 个点的传输物理上将流过多个平行通道，因此可能会在属于另一个电力公司的 线路上产生损耗，从而会引起该公司的成本提高，如果该公司不能接受这些损 耗，潮流控制就是一种解决的方案。 （5）暂态和动态稳定性控制问题。暂态稳定性指的是电力系统在大扰动后 的生存能力，而动态稳定性指的是由扰动（如故障、负载变化等）所触发的发 电机或发电机群之间的功率振荡是否是持续的或增大的。暂态稳定可以通过送 端和受端之间的同步潮流来改善。而动态稳定则需要采用对功率振荡产生阻尼 的装置。对这两种情况，有功潮流控制都可能是一种解决方案。 总之，潮流控制技术具有解决输电系统中静态问题（更好地利用输电资产，使 损耗最小化，将潮流限制在合同通道上，等等）和动态问题（阻尼振荡）的能力。

分布式发电（DG）可以释放一些输配电能力，且这些新电能的注入对整个 电力系统的运行也有一些好处16.17]： （1）在负载附近生产的电能降低了电网的损耗，因为生产电能的地方就是 消耗电能的地方。 （2）通常，电压控制是通过手动操作或自动操作变压器分接头以及利用电 容器组来实现的。在这两种情况下，DG机组的存在可能是提升电压的一种重要 方式，在一条母线上插入DG会提高该母线的电压。 （3）安装了DG的终端用户因具有后备发电使供电可靠性提高而受益。同 时，在电力紧缺的地方，如果将其发电容量由电网调度，他们还能得到补偿。 （4）传统上，即使假定存在一个大的故障，电网运行人员也具有足够的可 调度容量来应对高峰负荷。在配电层面，这就要求与其他馈线实现额外的连接 以便在故障发生时可以切换到别的馈线上。这样，个变电站必须具有足够的 容量以供电给正常的负载和额外的负载（故障时的负载），这就导致在电网正常 状态时的容量过剩。因此，当需要进行电源切换和检修时，个配置合理的DG

智能电网中的电力电子技术

可被用来对负载进行削峰填谷，也可用来控制电压和改善动态稳性。 （2）目前美国BeaconPower公司制造的飞轮储能装置可被用于缓解电压稳 和暂态稳定尚题，也可被用于频率调节。 （3）超导磁体储能系统将直流电流储存在超导线圈中，从而将能量储存在 磁场中，这种超导线圈必须冷却到其超导温度以下。这种系统可以提供电压支 持，并具有足够的有功功率改善系统的动态性能。 （4）压缩空气储能系统可以提供GW级的能量，并可用于频率调节。 （5）超级电容器是一种高能量和高功率密度的电化学装置。它能像电池 样储存能量达数小时，但能像电容器那样快速释放能量。

2.1.1经典功率理论的评述

在20世纪20年代，已形成了功率理论的两个主要流派。第一个流派采用 Fourier级数展开来描述电路中功率的性质。因为电气量被看作是具有不同频率 的分量之和，因而电路的性质是在频域中定义的。Budeanu的功率理论L3是频域 中最广泛接受的理论。几乎同时，出现了另一个流派，该流派不采用Fourier级 数，而注重在时域中定义电路功率的性质。时域中的功率理论自从其形成以来 一直与Fryze的名字相关[4]。在功率理论过去和现在的发展过程中，这两个流派 的存在都是土分明显的。

2.1.1.1正弦条件下的单相电路

智能电网中的电力电子技术

1.3具有非正弦电压、电流的电路中

以下所述的功率理论是作者的主观选择，将要讨论的是作者认为得到最广 泛应用的功率理论。 在这里，Steinmetz的工作[2]当然应该被提到。Steinmetz是研究求弧整流器 案例的第一人，他发现了由于电流相对于正弦电压畸变而使得视在功率大于有 功功率。这个发现开创了具有非正弦电压和非正弦电流的电路的功率理论。非 正弦电压和非正弦电流的表达式为

武中，n为谐波次数。 Budeanu 理论(频域)[8] 有功功率和无功功率被定义为所有谐波的有功功率和无功功率之和，分 别为

有功功率和无功功率被定义为所有谐波的有功功率和无功功率之和，分 别为

P(n) T n=i 0 Q: = ZVRMS(n) IRMS(m) Sinp(m) Qm

能量平衡的原理。并定义畸变功率为

第 2 章电功率控制的原理

式中，IRMS(n)和VRMS(n)是n次谐波电压和电流的方均根值；P(n)是n次谐波电压 和电流之间的相位差；V。和I。是直流分量。 根据这个理论，视在功率被定义为

Ms = /ZVRs(n)Z IRMs(m) = /p

P(n) Q(n) IRMS(n) VRMS(n)

电流谐波因具有不同的频率，相互之间是正交的，电源电流的RMS值可以用下 式来表示：

Z RMS(n) = , RMS

比，土分明显，电源电流的RMS值不依赖于各次谐波无功功率Q）（

第2章电功率控制的原理

有功电流是一个电导为G（被称为等效电导）的阻性负载的电流，该阻性负 载在相同的电压下消耗同样的有功功率P。电源电流减去有功电流后剩余的部 分就是Fryze的无功电流ioF。按照这种方式定义的两个电流的标量积为零，即 (ip，ioF）=0，因此它们是相互正交的并且其RMS值满足方程：

式中, (P(m) =α(m) 二β(n)

智能电网中的电力电子技术

这两种电流的标量为零，因此它们相互之间是正交的，它们的RMS值满 起如下关系：

IRMS=IRMS.R+IRMS.

ZnV(n I(n) sinp(n) CnVEn W(1)

功率的分解缺少一个定义完美的有功功率量。Sharon为了消除这个困难， SR中分离出了一个他称为关联无功功率的量：

，根据Sharon的工作，得到的功率方

S= /p2 +Q+Sd

根据Kusters和Moore的功率理论，功率方程为

1r duidt () T dt du oC () dt (dt )RMS ZP

S=VP+Q+Q 式中, Q: = VRMs IRMS.c sgn ( du/dt, i), “sgn”表示取标量积

号; Qc. =VRMs IRMS.dr

受照该理论提出者的说法，容性无功功率Q：可以通过如下电容值的并联于 两端的电容器来完全补偿：

在此电容值下，电源的功率因数达到其最大值。这个最优电容值与Shepherd和 Zakikhani功率理论给出的最优电容值是一样的。根据这个公式计算最优电容 值，需要知道电压和电流谐波的RMS值以及它们之间的相位差。Kusters和 Moore功率理论允许直接在时域中计算这个电容值。基于这个理论，本章参考 文献「16］提出了一种计算并联LC补偿器参数的方法。

Czarnecki功率理论（频域）[17

Czarnecki分别汲取了Fryze理论中有功电流i，的概念和Shepherd与 Zakikhani理论中无功电流i的概念，并引人了一种新的电流分量is，称为散布 电流。他提出将供电给线性负载的电源电流正交分解为如下形式：i二十十 is。这种情况下，根据Fryze的理论园林标准规范范本，无功电流可以表达为电流i和i之和，而 根据Shepherd与Zakikhani的理论，阻性电流是ip和i之和。设N为供电电压 谐波次数n的集合，则

则电流分量和的定义式如下

U = /2Re ZVRMS(n) exp(jnw(1)t)

G(n)十jB(n)是负载的n次谐波导纳；G。（二G）是根据Fryze理论定义的 电导。 电流、i和i是相互正交的，因此

IRMs = V IRMS., + IRMs.. + IRM.

实功率和虚功率可以被分解成平均分量和振荡分量建筑施工图集，如下所示：

=+=++p2fa> q=q+q=q+qh+q2m

第2章电功率控制的原理