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胡杰峰:关于功率变换器与智能电网的故事

导读:关于电,你都知道;关于智能电网,你也都知道;那关于功率变换器呢?也许你也知道。那么,你一定不知道功率变换器在智能电网中应用以及其关键技术。4月9日在上期的SME-Talk线下沙龙,我们邀请到中山大学电子信息与工程学院胡杰峰副教授,为我们分享《关于功率变换器与智能电网的故事》。

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胡杰峰,中山大学电子信息与工程学院副教授,悉尼科技大学工学博士

  平日里我都是对着学生讲课,今天面对的都是行业的从业者,大家都有自己的经验和想法,我会把今天演讲当作是一次交流。

  今天演讲的主题是智能电网,目前国内外的很多高校和企业都投入了大量的资金和精力对智能电网进行研究。今天我的演讲主要是阐述一下智能电网近几年的发展现状,存在的问题以及未来发展的趋势。

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  下面我来介绍一下智能电网的概念、研究方向和研究的终点;接下来会谈一谈功率变换器在智能电网当中的应用,说一说它关键的技术;最后再剖析一下我国电网现在存在的问题,已经未来的发展方向。

  我们中山大学现在主要研究智能电网的主要是电子信息与工程学院下属的智能能源与电力配给中心,是去年新成立的。其中分为三个研究方向,第一个是新能源与发电技术,包括风力发电和太阳能发电技术,第二个研究方向是电机的驱动技术目的是提高电机的响应速度和稳定性,第三个电力电子通讯技术方向。我们刚刚拿到了一个太阳能光伏发电的项目,主要是解决光伏电池高效可靠地逆变并网的问题;另外一个项目是中大的重点培养计划,是有关逆变器的研究的。

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  很多人都在谈智能电网,那么到底什么是智能电网呢?

  能把电能更高效地分配的电力网络就是智能电网吗?能量的优化分配确实是智能电网中非常重要的一个研究方向。

  关于智能电网到现在都还没有一个权威的解释,但是我们公认的解释是:智能电网是把新能源的发电系统整合到现有的电力系统里的智能网络。它包含两个通道,电力通道,信号通道;顾名思义电力通道就是电能的输送通道,而信号通道则是通过智能仪表检测每个节点的用电信息,然后将收集到的信息反馈到电力控制中心,再通过控制中心对电力通道进行调控,实现能量的双向流动。

  智能电网的组成,电力系统,外接新能源,储能设备,负载,智能开关。新能源,电力通道和信号通道,电能的优化流动,这三个要素搭建起整个智能电网的基础,其中新能源是智能电网最重要的特点。

  新能源是就是我们说的可再生的能源,常见的有风能太阳能等,近年来新能源技术发展迅猛,风力发电机装机量自2005年来呈指数级飞速发展。

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  风力涡轮机,就是我们常常能在野外见到的风力发电设备,容易误解的是,风力涡轮机的转速一般来说相当的慢,只有十多转每分钟,最多也不会超过五十转每分钟。如此低的转速自然是不能驱动发电机,我们需要机械的变速结构进行增速。但是风力涡轮机发出的交流电的频率是与转速直接相关的,需要用到我之前提到的功率变换器进行调压调频才能够并入电网当中。风力发电的优点是十分的清洁,几乎不会产生温室气体,而且可再生,在工程方面装机规模灵活,技术较为成熟。缺点是有噪声较大,如果在市区搭建风力发电机的话将会影响到居民正常的生活。另一个缺点是输出不稳定,成本较高。

  太阳能发电的应用场合有两种,家庭自产自用和大规模集群发电,通过可调节的反光镜,聚集太阳光实现高效率地发电。在这方面美国和西班牙技术最为成熟。另一个应用方向是太阳能的交通工具,已经出现的有太阳能汽车,以及太阳能的飞机等。

  传统的电网结构是由传统火力发电站产生电能没通过变电站将电压升至230-500kV进行远距离的传输,在市区的周边地带将电压降至如12.47kV这样的工业用高压,而最终则是在市区降压成为220V的生活用电。

  那么,传统的电网有什么弊端呢?

  它本质上的缺点是所有的能量都是单向地流动,中间只要有一个环节出现问题就会造成大规模的停电瘫痪,例如去年因台风导致的大学城停电半天。相比而言智能电网的优势在于它的负载和输出端是呈蜂窝状连接的,当其中的某一环初见故障,输出端的缺失可以由其他的发电设备补充,如太阳能光伏发电设备或风力发电机。每个节点都有智能仪表进行监控,通过前面说到的信息通道反馈到控制中心,优化配置能量的流动,实现智能电网的能量零浪费。对于太阳能发电来说,太阳能电池板只在有阳光的时候产生电能,我们需要蓄电池来将能量储存起来。而现在新兴的电动汽车在接入电网时也可以充当蓄电池的角色。

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  有一句话我很赞同,电力驱动了上个世纪的工业革命,而下一次的革命将会由智能电网引领

  接下来让我们从概念框架转向具体的技术细节。

  我们团队的主要研究方向是功率变换器,本质来说功率变换器是一种能量转换装置,主要有三种类型——整流器、逆变器、直流变换器。

  举个例子,我们常用的笔记本电脑的电源适配器就是一个整流器。功率变换器是连接发电系统、电网、和重要设备的桥梁,功率变换器的质量关系到整个智能电网的建立,所以功率变换器的重要性可见一斑。

  科研工作者往往在进行科学研究的时候会忽略最基本的原则——满足市场和消费者的需求。

  那么对于消费者和市场而言什么样的电才是好的呢?衡量电力的标准有几个,

  • 一是电压的稳定性,假如输送的电压不稳定,我们很多的家用电器就无法正常工作,电脑会频繁的死机。
  • 二是频率的稳定性,电流实际的频率越接近参考值越好,例如在中国就是50Hz。
  • 三是电流波形中的谐波含量,越低越好。

想要降低居民用电中的谐波含量,功率变换器的一些技术需要有关键性突破,大概有三个方面,第一个是,新型的半导体材料,随着新能源技术的发展,对功率变换器的性能要求越来越高,而常用的半导体材料硅慢慢不能够满足我们的性能需求了,研制出新型高性能半导体材料我们新能源开发和电网当中建设重要的环节。

  第二个突破点是新的控制技术,新能源发电系统产生的电能需要通过逆变器转换成相应电压的交流电,如果逆变过程中带入了大量的谐波,那么对我们整个电力系统都是一个污染,所以我们需要更好的控制系统去控制符合标准的电能并入电力网络中。

  第三个突破点是信息技术,就是所谓的IT,那么IT和电网有什么联系呢?一方面,不同的设备电压需求不一样,不同的功率变换器需要建立连接,实时调整电压和频率的大小以适应不同的需求;另一方面,对于智能电网,各种新能源的发电设施和储能单元都不是孤立的,他们互相连接以组成整个智能电力网络,输出和储存都需要数据采集并实时通讯才能协调工作。

  这里说的信息技术又包括三个层面,数据处理,新能源发电的输出都比较不稳定,风能和太阳能的输出电量都是事实变化的,同样的对于输入端,用电需求也是不断变化的,电网需要监控,因此我们需要大量的数据处理。第二个层面,无线通讯,功率变换器往往随着发电设施安装在偏远的地区,在野外是没有什么条件进行远距离的有线信息通讯的,而无线通讯就特别适应这样的环境。最后一个层面是数据加密与网络安全,未来的智能电网中,普通居民不仅是电力的消费者,同时也可以是电力的生产者,这个概念有一个新的名词,称为prosumer,producer和consumer的结合,我们与电力公司之间的数据往来涉及到双方的利益都需要高度的安全性,以避免好事者非法牟利和个人的财产损失。同时我们通过智能仪表将我们每户的用电信息发送给电力公司,可以得到电力公司的指导,定制更加合理经济的用电方案。

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  我们的研发目标的其中之一是设计出新的功率变换器,它应该据有耐热性强和可靠性高的特点,同时需要拥有一个可交互的控制面板,和I/O接口,最后是灵活性,消费者可以自行调节功率变换器的各种参数,而开发者可以通过数据接口对算法进行更新。新型的功率变换器还可以内置通讯模块以方便信息采集和传输,甚至可以在线更新算法。

  最后谈一谈我国智能电网目前的发展状况以及发展方向。我国经济持续发展,各行各业对电力的需求持续增加,对我国电网的压力不断增大,在用电高峰期或者是自然灾害是,电网会出现一些小的故障,不过总体来看,我国的电网还是处于较为稳定的状态。目前传统电力行业的重要问题还是环境污染,以火力发电为主的传统电力行业将会面临一次大革命。新能源的出现和国家政策的倾斜都有利于智能电网的发展,国家的十三五计划中有明确提到关于智能电网的发展规划,这是我们新能源发展和智能电网的建设的一个不可错过的机遇。

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