电能质量论文

电力电子技术的发展与展望研究作者：王娟武 班级：机设0918 专业：机电设备维修与管理 学号：0918316 学院：安徽水电学院 日期：2010年12月当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在21世纪将起到更大作用。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。�现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具 体应用。当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。一．.电力电子技术的发展历史1. 整流器时代大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。2. 逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。3. 变频器时代进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。2. 现代电力电子的应用领域 计算机高效率绿色电源高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。 通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。 直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。 不间断电源(UPS)不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。 变频器电源变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。 高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。 大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到以上,功率可达100kW。自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。 国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为。 电力有源滤波器传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有。电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。二．.现代电力电子技术在电力系统中的应用1. 发电环节电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备 ，电力电子备的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。（l）大型发电机的静止励磁控制静止励磁采用晶闸管整流自并励方式具有结构简单 、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。（2）水力、风力发 电机的变速恒频励磁水力发电的有效功率取决干水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时 (尤其是抽水蓄能机组) ，机组的最佳转速便随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。（3）发电厂风机水泵的变频调速发电厂的厂用电率平均为 8％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的6 5％且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。2. 输电环节电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改 善了电力网的稳定运行特性。（1）直流输电 ( HVDC)和轻型直流输电( HVDC L i g ht )技术 直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。l 9 7 0年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。（2）柔性交流输电 ( FACTS)技术 FA CTs技术的概念问世20世纪8 0 年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压 及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。20世纪9 0年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FA CTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。3. 配电环节配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率 、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力 ( Cu s t o m Po we r ) 技术或DFACTS技术，是在F ACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以DFACTS设备理解为F AC TS 设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着 电力电子器件价格的不断降低，可以预期D F A C TS设备产品将进入快速发展期。三．电力电子技术的发展展望1. 新型电力电子器件在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10ns量级，并具有十分优越的FBSOA。SiC可以用来制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs等。SiC高频功率器件已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。可是，SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要至少10年左右的时间。2. 新能源电力电子技术在新能源发电技术和电能质量控制技术及节能技术方面有很广阔的发展间。其中风力发电和太阳能发电最受关注，而电力电子技术正是风力发电和太阳能发电的核心技术之一，这给电力电子工程师提供了千载难逢的发展机遇 ，广大 电力电子工程师务可以住这一机遇乘势而上，促进电力电子技术的发展。同时，由于一方面电力电子装置和电弧炉等装置的的大量应用，使得电能质量日益下降，另一方面用 户对电能质量的要求越来越高人们对以有源电力滤波器为代表的电能质量控制装置日益重视，研究开发越来越多。此外，由于电力系统电动机(约占发电量的6 0 ％ 以上 ) 和照明电源( 约占发电量的 1 0～1 5 ％的大量采用，电力电子装置对无功功率和电力谐波都可有很好的补偿作用，因此，电力电子技术被称为节能的技术。目前，由于化石能源日渐枯竭，因此 ，电力电子技术在节能方面受到很大程度的重视，并且发展十分迅速。3. 电动车辆中国人多地大石油少，现在中国每年已进口许多石油。在21世纪前半叶，地球上的石油天然气资源日益减少，以至早晚会用尽。特别在中国国情下，城市交通以发展电动车辆为主是必然的趋势。大城市间的磁悬浮列车、城市内的电动高架列车和地铁列车、个人用电动自行车和电动汽车将构成未来的交通网络的主角。其中，大有电力电子产品的用武之地。磁悬浮列车的磁悬浮电源和直线电动机的变频调速；城市高架列车和地铁列车中异步电动机的变频调速；电动自行车和电动汽车中永磁无刷电机的外转子调速，在今后十年里会有很大的发展。这里，电动自行车和电动汽车的普及必须解决无刷电机及其控制器、环保电池、快速充电器和充电站网络服务等几方面的问题。现在看来，在中国推广电动自行车替代摩托车作为代步工具技术上正在趋于成熟。这里必须采用镍－氢电池组和锂离子电池组，消除常规铅－酸电池对环境的污染。这种价格尚偏贵的电池组可以采用向电动自行车用户出租使用的方式，实行由间距合理的电池充电站统一充电和用户自行充电相结合的办法。铅－酸电池与锂离子电池（如36V，10AH）相比，前者重12 kg，后者仅 kg。电动汽车的发展又是电力电子未来的潜在大市场。首先是高能量密度的清洁电池的突破。比较有希望的是燃料电池，它的起动和稳定运行都要用电力电子产品与之配套。其牵引系统方案中令人最感兴趣、并已有工业应用前景的，要属安装在四个车轮中的外转子盘式永磁无刷直流电动机驱动了。这种电机结构的优化设计、高性能控制调速传动，以及四台电机转动的协调运转，将为电动汽车的舒适运行，零半径转弯提供技术保证。今后十年将是电动汽车实用化发展的关键时期，电力电子产业可以也应该为此做出相应的研究开发工作，积极迎接这个庞大市场的到来。结束语：电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。参 考 文 献（1）林渭勋. 浅谈半导体高频电力电子技术.电力电子技术选编,浙江大学,1992（384-390）（2）付宇明 张辉. 电力电子技术在电力系统中的应用.信息技术，2000（162）（3）王兆安. 我国电力电子技术的新进展..逆变器世界,2008(32)(4) 陈虹. 电气学科导论. 北京：机械工业出版社，2005

新能源是指传统能源之外的各种能源形式。我整理了浅谈新能源技术论文，欢迎阅读!

论新能源发电技术

摘要：本文从全球能源的现状，介绍了中国能源发电技术的应用情况，发现中国新能源发电对现代化建设具有重要战略意义。进一步介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统两种新能源发电技术。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是近期发展的重点。燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的装置，它能量转化效率高，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。

关键词：新能源;风能;燃料电池;发电技术

中图分类号： F206 文献标识码： A

能源紧缺已成为制约各国经济发展的瓶颈，如何开发先进安全的新能源使用技术、如何提高能源利用率也随之成为世界各国关心的课题。欧盟就首先提出了20-20-20计划：到2020 年，可再生能源占欧盟总能源消耗的20%。2007年12月，美国前总统布什也签署了《能源独立和安全法案》(EISA)，从而大力推动新能源的使用和节能计划。另外，从环境的角度来看，为了保护人们赖以生存的地球，开发新能源也是必由之路。

一、我国能源和发电技术的现状

2011年，我国新能源发电继续保持快速发展态势，并网装机容量持续增长，发电量不断增加。截至2011年底，我国新能源安装容量达到7000万kW，居世界首位，并网新能源装机容量达到5409万kW，同比增长，约占全部发电装机容量的。其中，风电并网容量约占并网新能源装机总量的;并网太阳能光伏装机容量约占并网新能源装机总量的;生物质及其他新能源发电装机容量约占并网新能源装机总量的。

2011年，我国新能源发电量约为1016亿kW?h，同比增长，约占全部发电量的。其中，风电发电量约占新能源发电总量的;太阳能光伏发电约占;生物质及其他新能源发电约占。2011年我国新能源发电量按发电煤耗320g/(kW?h)计算，相当于节约3241万tce，减排二氧化碳9030万t。

电能是国民生活和生产的根基，无论是从能源角度，还是电力系统自身方面来看，研究新能源发电技术对于我国的现代化建设和人民生活都具有相当大的现实意义和战略意义。

二、风力发电技术

风能资源主要包括陆地资源与近海离岸资源两部分。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是目前新能源发展的重点方向。

1.发展现状

近年来，我国风力发电产业取得了长足发展，这与我国的风能资源丰富密不可分。据有关资料显示，陆地上离地面10米高度处，我国风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3亿千瓦，离地面50米，估计可能增大一倍;近海资源10米高经济可开发量约亿千瓦，50米高约15亿千瓦。从我国联网风电场总装机量来说，到2006 年底，我国已建成约91个风电场，装机总容量达到约260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率为105%。根据国家中长期规划，2015年风能发电要达到1500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。但是，与风电发达国家相比，我国的发展规模还很小，发展速度也较缓慢。制约我国风电发展的重要因素包括技术和制度两个方面。技术方面，风电机组的制造水平较低，风电机组性能测试设备和技术也相对落后，并缺少相应的认证机构;制度方面，风电场的运行维护水平和制度与国外风电场及国内火电生产相比有明显差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录、分析。

2.对电力系统的影响

风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的电能输出也是波动和间歇的。所以，风电场的大规模接入将会带来波动功率，从而加重电网负担，影响电网供电质量和电网稳定性等。

(1)对电能质量的影响。空气气流运动导致的风速波动周期一般为几秒到几分钟，这种短周期的风速波动以及风电机组本身的运行特性可能影响电网的电能质量。首先会对频率产生影响：风力发电有功功率波动引起电磁功率的波动，由于发电机组转子惯性，调节系统很难跟上电磁功率的瞬时变化，造成功率不平衡，使发电机转速变化，系统频率也将改变。此外，风电还会对电压产生影响：并网风电机组输出功率的波动导致电压的波动，而其输出功率的频率范围正处于电压闪变的范围之内(25Hz)，因此又会造成电压闪变，最后会产生谐波电压和谐波电流。

(2)对电网稳定性的影响。对较为薄弱的电网，风电功率波动将导致瞬间电压跌落以及风力发电机的频繁掉线。在故障清除之后，发电机的磁化和转差率的增加会消耗大量无功，导致电网电压恢复困难。

(3)对调频调峰能力的影响。气流长时间、季节性运动导致的风速波动周期一般为数小时，甚至数天、数月，这种长周期的风速波动会增加现有电网调频调峰的负担。负荷曲线的低谷期常常对应了风电出力的高峰期，风电场的并网发电使电网的等效负荷峰谷差增大，大大增加了电网调频调峰负担。

三、太阳能光伏电池发电技术

1. 1 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电，被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半导体的“光生伏打效应”( 光伏效应) 将太阳的光能直接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质，称为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的核心组件。

1839 年，法国物理学家贝克勒尔 ( Edmond Bec-qurel) 发现: 将两片金属浸入电解液中所构成的伏打电池，当接收到太阳光照射时电压升高，他在所发表的论文中把这种现象称为“光生伏打效应( PhotovohaicEffect) ”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体与金属混合材料在光照作用下，其内部可以传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，因而在不同部位之间产生电位差的现象。1941 年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应，从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发电中广泛应用的基础。1954 年，美国贝尔实验室的科学家恰宾( Darryl Chapin) 和皮尔松( Gerald Pearson) 研制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年，韦克尔发现砷化镓具有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成世界上第一块薄膜光伏电池。我国2010 年 12 月投入运行的大丰 20 MW 光伏电站，是目前全国最大的薄膜光伏电站，年发电量2 300 万 kW·h。

太阳能光伏电池的工作原理如图 1 所示。

在半导体中掺加杂质制成 PN 结，以形成在平衡状态时具有的内建电场，在该内建电场的作用下分离由外界激发而生成的过剩载流子，从而形成外部电压。在光照条件下，半导体中的电子吸收光子能量从价带跃入导带，形成电子———空穴对，成为载流子。生成载流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度 Eg，使用禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大的电流。

基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏电池市场的主流，其光电转换率已达 24. 7%; 基于薄膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到16. 5% ～ 18. 8% 。由于薄膜光伏电池大大减少了半导体材料的消耗，因此具有很好的发展前景。应该指出，光伏电池在光电转换过程中，光伏材料既不发生任何化学变化，也不产生任何机械磨损，因此太阳能光伏电池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。2006 年，我国太阳能电池生产总量首次达到400 MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，也是世界上发展最快的国家。

1. 2 太阳能光伏电站

太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制装置相配套，构成太阳能光伏电站。

太阳能光伏电池具有很大的灵活性，不仅可以用其建设零星规格的电站，而且可以组成应用于小型、分散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电系统。

由于受昼夜日照变化及天气的影响，离网型光伏发电系统通常需要和其他电源形式联合使用，比如柴油发电机组以及蓄电池组，从而增大了电站的投资和维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较远的偏远山区及荒漠地带，向独立的区域用户供电。西藏措勒 20 kW 光伏电站是我国建设较早的离网型光伏电站，总投资 290 万元，1994 年 12 月正式投产发电。

离网型太阳能光伏电站系统如图 2 所示。

电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流 - 交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统( 包括柴油发电机组和整流充电柜) 等组成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组供电，并根据需要整定蓄电池组的上限和下限电压，由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组通过直流控制柜向直流 - 交流逆变器供电，经逆变器将直流电变换成三相交流电，再通过交流配电柜以三相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限电压时，为不造成蓄电池组的过渡放电，直流控制柜将自动切除其输出电路，使直流 - 交流逆变器停止工作。柴油发电机组为电站的备用电源，必要时由备用电源通过整流充电柜向蓄电池组充电，或在光伏发电系统出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。直流 - 交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供电，为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供电电源的唯一性。

当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时，还可与电网相联，即所谓的并网型光伏电站。这时，如果本地负荷不足，则可将多余的电能输送给电网。当本地太阳能发电量不足时，则由电网向用户提供电能。因此，并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置，减少系统投资和维护费用。同时由于与电网的互济，提高了发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性，是大规模开发太阳能发电技术的必然趋势。我国第一座并网型光伏电站是 2006 年建成投运的西藏羊八井可再生能源基地 100 kW 高压并网光伏电站。2010 年底全国首个光伏并网发电项目敦煌 2 ×10 MW 光伏发电项目建成投产。

四、结论与展望

本文从全球和我国的能源现状出发，分析说明了新能源发电技术是当前迫切而有实际价值的研究课题，进而具体介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统的特点以及我国在这两个方面的发展现状。新能源不仅仅指风能和燃料电池，还包括生物质能、海洋能、地热能和光伏电池等。我国乃至全世界的新能源发电技术发展的潜力都是巨大的。在人类明天的舞台上，新能源将取代化石燃料，扮演重要的角色。

参考文献：

[1] 徐德鸿 . 新能源电力电子导论 [D]. 杭州 : 浙江大学 ,2009.

[2] 郝伟, 舒隽, 张粒子. 新能源发电技术综述 [C].华北电力大学第五届研究生学术交流年会 ,2007.

[3] 施涛.燃料电池发电系统的建模与仿真 [D].南京:东南大学,2007:5-6,63-64.

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中国 海南 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 635 电网绿色环保与谐波污染控制 段晓波 (河北省电力研究院,河北 石家庄050021) 摘要:目前电网的谐波污染状况呈上升趋势,有的已经对电网设备的正常运行带来了一定的影响,有的则对电网的安全运行构成了潜在的威胁.随着电力体制的改革,厂网分开经营已经实现;而电网的侧重点也应从重发轻供,转移到重视供电的安全,经济,可靠,高质量上来;因此重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是提高电能质量的关键.本文根据河北南部网谐波污染状况,以及在电能质量谐波监督中的工作体会,介绍了谐波污染给电网供用电设备和供电电能质量带来的影响和危害,论述了重视电网绿色环保,控制电网谐波污染的重要性,对需要开展的工作提出了建设性意见. 关键词:电能质量;谐波;监督管理;电网环保 1 前言 随着电网规模的不断扩大,各种大容量,重污染的用电设备接入电网,电网的谐波污染状况呈逐渐上升趋势,有的已经对电网设备的正常运行带来了一定的影响,有的则对电网的安全运行构成了潜在的威胁.因此,电网的谐波污染情况需要引起重视,各级政府和电网管理部门应加强谐波技术监督监测,进一步开展相关的谐波新技术研究,技术规程规范的制定,谐波污染治理等方面的工作.同时,随着电力体制的改革,厂网分开经营已经实现;而电网的侧重点也应从重发轻供,转移到重视供电的安全,经济,可靠,高质量上来;因此重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是提高电能质量的关键.现根据河北南部电网的谐波污染状况和开展的一些工作,谈几点体会和看法. 2 电网谐波源与污染情况电气化铁道产生的谐波对电网的影响电气化铁道是电网最大的谐波和负序污染源,是造成电网供电电能质量不合格的重要原因,目前河北南网已经运行的电气化铁道牵引站有 22 座,其谐波污染程度不容忽视,南网电气化铁道及谐波污染情况如下. 石太电气化铁道于 1979 年投运,在河北段有两座牵引站,分别为井南和南新城牵引站;电铁投运初期,该两牵引站原在微水电厂110kV母线供电,由于电气化铁道产生的谐波和负序,致使微水电厂2台50MW机组机端振动发热,保护动作,机组不能正常运行.为了解决微水电厂机组问题,被迫在该区增设了一座220kV变电站,耗资巨大,到目前为止,该站的负荷仍然很小,造成了投资的浪费. 京郑电气化铁道,在河北南网共有 10 座牵引站,在京郑电气化铁道投运前,我们对河北南网接入电铁的220kV变电站110kV母线的背景谐波进行了测试,110kV母线电压总畸变率在之636 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国 海南间;而电铁投运后,220kV 变电站 110kV 母线电压总畸变率上升到之间;已经超过了"谐波国标"GB/T 14549-93对110kV 母线电压总畸变率2%的限值;而谐波电流更是远远超过了谐波国标规定的限值. 电铁谐波超标,造成为其供电的 220 kV 变电站110kV母线电压波形严重畸变,致使保护发出动作信号,严重影响系统的安全运行.而由于谐波的污染也造成铁路本身供电系统电能质量的不合格,站台信号受到干扰等. 朔黄电气化铁道在河北南网共设有 10 座牵引站,至今已全部开通.由于目前负荷较小,谐波问题尚不突出;但在电力机车通过时,相应母线的电压畸变率明显增大,有的已达到和略超国标的限值.通过对电铁供电方案的谐波分析,当铁路运量上来以后,谐波超标将会比较突出. 冶金,轧钢等产生的谐波对电网的影响 电网的谐波源除了电气化铁道,还有冶金铸造,轧钢,电弧炉等大容量谐波源,也是造成电网供电电能质量不合格的主要原因. 如邯郸供电公司某站主供冶金铸造负荷,该用户产生的谐波污染严重,随着生产规模的扩大,近几年对系统的影响也越来越严重.1997 年11 月该站#3,#4电容器组投运后损坏严重,保护频繁动作, 仅 99 年 1-5 月份就动作 26 次,造成电容器组不能正常投入运行.1999年8月3日该站UFV-2A型低频低压减载装置误动,使该站的 8 路 35KV 出线, 9路6kV出线,总计17路开关跳闸.经现场检查装置发现 l10kV 电压谐波严重超标,其误动的主要原因是由于高次谐波干扰,使计算机程序紊乱,造成计算错误所致;目前该污染源用户正在实施具体的治理措施.邯郸夏庄站 220kV 供邯钢 220kV 连轧站,2000年因邯钢的谐波注入系统,曾造成220kV保护误发信号. 邢台供电公司谐波监测站监测到石门,柏乡,康庄和羊范 220kV 变电站的 110kV 母线谐波含量呈逐增趋势,尤其是石门站110kV母线电压总畸变率严重超标,高达,超出国标允许值倍.严重地威胁设备的安全可靠运行.造成石门站 110kV 母线电能质量不合格原因是邢钢高线负荷;经邢钢对其一,二高线谐波进行治理,在其滤波器组投运时,石门站 110kV 母线电压总畸变率大大下降,其谐波电压畸变率指标在国标限值以内.造成康庄和柏乡站110kV母线电能质量不合格原因是电气化铁道. 保定地区某变电站曾因谐波原因引起保护动作,原因是该站所带保定钢厂谐波含量超标,造成保护动作.保定钢厂共有电炉变压器2台,容量为25000KVA,现由一私人承包生产,由于其资源掠夺性经营,承包人对谐波的治理不愿投入资金;而真正的产权单位又退出经营,也没有能力投入治理资金.小钢厂群的谐波也比较典型,这些小钢厂一般为 RGPS 系列感应加热晶体管中频电源,多为个体企业,具有较强的短期行为;这部分的谐波问题比较典型,在其开工运行时谐波超标,需要进行系统综合治理. 沧州某县局10kV电弧炉用户开炉时,谐波电流明显增大,谐波电压畸变率升高,造成 10kV 线路出口过流跳闸,10kV母线电压波动. 其他谐波源产生的谐波对电网的影响造成电网供电电能质量不合格的主要原因,还有化工等整流设备;另外大量使用的计算机,各种电子设备,新型家用电器等,也产生大量的谐波污染. 如邯郸某 l10kV 变电站 l0kV 有四路出线供一化工厂用户,该厂设备陈旧,其产生的谐波对系统影响严重.该系统变电站装设有三组共 并联电容器,分别串联有 和 12%电抗率的电抗器,投运后电容器出现严重的过负荷,噪音异常,个别电容器投运后不久就发生鼓肚现象,保护动作开关跳闸.该站谐波对邯郸热电厂的保护及自动装置也带来了一些不利的影响,曾多次发生过保护误动故障和造成保护装置频繁启动.该站 10KV 出线有二十多回,由于化工厂谐波大量的注入系统,给在该站供电的其它用户也造成了严重影响.如邯郸铁路供电段曾发生误发信号,铁路部门找到供电公司,在110KV中心站建成投运后强烈要求改为由中心站 10KV 供电.邯郸电镀厂和邯郸市面粉厂由于该化工厂谐波的影响,电容器经常损坏不能投入运行,致使该厂功率因数不符合要求被罚款. 衡水供电公司某110kV变电站,1999年至2001年 10kV 两组电容器经常跳闸,不能投入运行.经过测试分析,原因是该站所带化工厂为整流负荷,产生较大的谐波电流,注入系统所至. 沧州某110kV变电站,无功补偿电容器组所串电抗率为 ,出厂试验噪声 52dB,符合国标要求;现场运行中实际噪声,超出国标要求.经测试分析,造成现场噪声较大的原因是5次谐波电流较大,在浇注式空心电抗器壳体内产生音频谐振.沧州某 220kV 变电站,10kV 母线配备 ,中国 海南 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 637 12%两种电抗率的电容器组,10kV 母线电压中3次谐波含量较高,当先投入的电容器组,再投入12%的电容器组时就会将的电容器组顶跳. 石家庄某1l0kV变电站10 kV母线接有谐波源用户,母线谐波电压总畸变率严重超标,该站变压器母差微机保护一年中两次动作,造成大面积停电.石家庄供电公司在九十年代中期的一次谐波普测时,共测试了二十座变电站,三十条母线,其中有九座变电站,十条母线,四十一个谐波电压数据超出国标限值;电压总畸变率有六座变电站,六条母线,十六个数据超出国标限值. 衡水变电某站电容器经常跳闸,有时不能正常投运.2003年11月和2004年3月测量10kV母线电压总畸变率超过10%,超过谐波国标限值150%以上,给供电设备带来严重的隐患. 西柏坡,衡水等电厂近两年来对厂用电系统进行了节能改造,新上了多台变频调速设备.经过电研院对相应变频设备投入前后的测试表明,各电厂厂用母线谐波电压畸变率水平都有不同程度的增高.如果谐波畸变过大,将会引起计算机等自动控制系统的紊乱;应该引起电厂方面的注意,在选择变频设备的同时,提出谐波指标的限制值. 河北南网500kV变电站中谐波电压水平较高,经过省电研院和超高压公司共同对沧西,廉州,蔺河,保北四座500kV变电站进行的测试试验研究,由于目前高压系统中普遍采用电容式电压互感器(简称CVT),而CVT对谐波有畸变作用,因此通过CVT二次侧得到的电网谐波电压畸变数据是不真实的. 3 近几年河北南网谐波开展的主要工作 为了加强对各谐波污染源的监督监测,掌握第一手资料,各供电公司对谐波污染比较严重的用户和系统公共母线,装设了谐波在线监测装置.并加强了在线监测装置的运行维护和数据的搜集和整理分析工作.加强了电能质量谐波监督管理,逐步开展了谐波专项治理工作,进行谐波测试新方法的研究等. 谐波监督及治理方面 在省公司谐波监督中心的指导下,各供电公司积极深入地开展谐波治理及研究工作,使谐波监督工作不只停留在测量阶段,而是把工作重点放在从根本上提高电网供电质量上来.通过几年的摸索工作,使网内一些大的谐波源用户得到了治理. 邢台邢钢一高线,二高线,三高线谐波治理工程,在邢台钢厂一高线和二高线设计之初,电研院与邢台供电公司帮助钢厂对该工程的谐波滤波方案进行技术可行性审查,发现了其滤波器设计参数的错误,使邢钢对滤波器设计及时进行了变更,避免了投资的浪费和危及电网的情况出现.在沧州供电公司和省谐波监督中心的不懈努力下,完成了沧州谐波污染大户黄骅氯碱厂的滤波工程的设计,安装和调试工作,使滤波工程及时投入运行,不仅减少了该厂对电网的谐波污染,还提高了用户的功率因数,该用户从功率因数不达标罚款到受奖励,使用户得到了直接的经济效益,两年多收回滤波工程的投资;也使电网的谐波污染得到了有效的控制.石家庄供电公司通过谐波监督工作,使石家庄钢厂,鹿泉钢厂等滤波工程得以实施,从而使得该类用户的谐波污染得到了有效的控制.石家庄赵县供电局对网内的较小谐波源用户进行了调整,将一批有谐波污染的用户集中供电,在变电站集中进行谐波治理;这样既保证了其他公共供电点的电能质量,同时也使小的谐波用户群的谐波污染得到了有效控制. 省谐波监督中心还为各基层单位从技术上把关,严格控制新增谐波源向网内的谐波注入.各供电公司生技部门与计划,用电等部门统一协调,在新增设备报装时就增加了谐波评估及测试工作.如完成了新奥化工公司,辛集钢厂等谐波源用户接入系统的背景测试及评估. 谐波专题研究工作除了正常的谐波监督管理工作,还开展了多项研究工作.在京郑电气化铁道,朔黄电气化铁道接入系统之前,电研所,设计院,局生计部,各相关供电局就开展了电铁接入系统的危害的研究,从多种供电方案的选择到谐波指标的仿真计算,最终确定了谐波污染相对较小的供电方案,从而避免了由于谐波问题造成的线路跳闸和大面积停电事故和主设备损坏事故.开发了谐波在线监测管理系统,使电铁谐波等用户造成的谐波污染得到了有效的监测,为进一步治理提供了详实的数据.完成了CVT对谐波测量影响的对比测试研究工作,开发了解决CVT谐波失真的专用测量装置,解决了CVT不能用于谐波测量的难题. 4 加强电网环保控制谐波谐波污染的几点建议 尽管这几年各电网公司在谐波管理上做了一638 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国 海南 些工作,但相对于目前电网谐波污染的严重情况和电网安全稳定运行的迫切要求,还有很大的距离.这就要求我们电网的各级管理部门,进一步加强领导和管理,在政策和技术以及资金上有所侧重.在具体工作上,今后应该加强和开展如下几项主要工作. 加强谐波监督的技术管理,重点是抓谐波监督落实.各级管理部门要进一步完善组织机构,建立健全技术台帐.各供电公司要定期对220kV及110kV站进行谐波普测和数据汇总,幷加快基层供电局电能质量谐波监督机构的建立,做到谐波监督从大用户,基层县供电局,从源头抓起. 配合电网需求侧管理,开展配网谐波监督管理的研究工作,制定出一套行之有效的管理方法.各供电公司应加强城市电能质量的监测和治理,完善谐波源用户台帐,严格控制新的污染用户接入系统.对网内新上变电站进行谐波论证审查,进行投运时的谐波测试.这就要求计划,设计,用电,生技等部门协调一致,统一管理. 各省公司谐波监督中心要逐步建立电磁兼容和谐波标准实验室,开展电磁兼容方面的专题研究.针对目前电能质量监督和电网安全运行的需要,研究制定谐波在线监测装置的运行规程;研究制定成套滤波装置的验收测试规范;研究制定电能质量谐波分析仪器和测量设备的定期检测检验规程等. 开展谐波问题的专题研究,进行变电站电容器组谐波放大问题的仿真研究,对有问题的变电站应制定出解决的措施,制定相关运行方式及规程.建立谐波MIS网,实现谐波数据的共享,同时为各级运行和管理人员提供及时的信息和有效的数据.进一步开展CVT谐波问题的研究,推广新的谐波测试方法,从根本上解决谐波国标中规定CVT不能用于谐波测量的问题. 面对目前电力紧缺和电能质量下降的双重局面,开展城市居民小区的谐波研究和治理等项工作,实现节能和提高供电电能质量的双重目的. 对大型的谐波治理工程,根据电网运行安全性要求,从电网用户的整体利益出发,应严格按照谐波国标和电能质量技术监督的具体要求,进行技术可行性审查和滤波工程投运的验收工作. 各电厂应加强机组及辅机的谐波测试分析工作,加强系统谐波电流注入机组的监测,监视,预防危及机组安全情况的出现.研究发电厂厂用系统变频改造给厂用电带来的谐波污染问题,制定有效的对策,防止由于谐波污染造成的控制系统紊乱,保障发电设备的安全. 5 结束语 提高电能质量是每个发供电企业最根本的任务之一,尤其对供电企业来说,电能质量谐波是衡量电能这一唯一产品的重要指标.只有为千家万户提供高质量的电能,才能为社会创造巨大的物质财富,同时也给电网带来更大的经济效益.因此,重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是电网运行管理的重要工作. 参考文献 [1] 吕润馀•电力系统高次谐波•中国电力出版社•1999年5月 [2] 段晓波•饶群•河北南网谐波实时监测与管理网•中国电机工程学会高次谐波专业委员会•第五次高次谐波学术会议论文集•2002年9月 [3] 段晓波,张立群,饶群,郝剑欣•500kV变电站谐波测试方法•中国电力出版社•第二届电能质量国际研讨会论文集•2004年5月 作者简介: 段晓波,(1959-),男,高级工程师,河北省电力研究院电气所主任工程师,华北电力技术院院级专家,河北电力技术院电力系统专家组组长,1983年毕业于清华大学电机系,主要从事电网试验研究,电能质量技术监督等工作.