电气学科的未来方向
mass_lynnxy2006/01/06极客DIY IP:广西

发信人: ttzh (咸脆), 信区: PowerTech
标 题: 电气学科的未来方向
发信站: BBS 大话西游站 (Fri Apr 8 00:05:26 2005), 站内

学术氛围还是要尽快建立起来,看着空空的版面和精华区,难道只是个临时版面么。题目比较大,以我的水平不应该这个时候跳出来,但非常时刻也只好多快好省,先抛块砖,讲讲自己一些不成熟看法和道听途说,创造和谐版面。
我想这个版面虽然叫Powertech,在水木上通常是power system的人居多,但从整个学科的角度来说,应该吸引更多的power electronics和motor control及高压,电机等方向的人,乃至工业界同行,让大家能够更广更深的了解相关技术。这需要大家的支持,不要只作潜水员了。
电气工程这个学科发展了一百多年了,在很多人的眼里只是传统的重工业,没什么高科技的东西,没有新东西可以研究。但事实并非如此,让我们仔细想想现在趋势。能源越来越紧迫,油,煤,气,各国争得死去活来,核电又让人担忧;另一方面,环境压力也越来越大,环境恶化和经济发展、能源消耗似乎无法调和。为了改变这种状况,renewable energy逐渐走向前台,其中近期前景最好的要数风力发电。
基本上,成熟的风力发电技术经历三个阶段,第一是Danish concept,异步电机直接并网发电,需要capacitor bank提供足够的无功,对电网基本没有很大调节能力。在风电占很大比重的情况下,电网的稳定性大大下降
第二是doubly-fed induction generator(DFIG),使用back-to-backPWM converter控制转子,功率不需要很大,可以提供无功控制,但在电网故障情况下,如需LVRT将比较困难。
第三是使用同步机加全功率变换器并网,有很强的LVRT能力,并可以为电网的稳定性提供支持。
当风力发电所占比重到达一定程度时,电网的稳定性问题就凸现出来,而且这不同于以同步机为主的传统电网,既有风力的发电的天然的不稳定性和不易预测,又有大量的电力电子设备挂在电网上。
这样的系统带来很多全新的问题。这种情况下的谐波,故障和稳定性问题将成为电力系统一个热门方向。

high penetration(wind energy)情况下电力系统的谐波,稳定性等问题。其中由于有大量的电力电子装置的使用,使得系统问题和已往常规电力系统有很大的不同。
在学校里总喜欢把专业分得很细,搞电力系统的人不懂电机控制,搞电机控制的人并不了解真正的电机设计,搞电源的人不懂三相系统,更别说是高压和局部放电了。
都是电气工程学科,语言都不一样,考虑问题的思路几乎完全不同。即便是坐标变换,电力系统和电机控制的人都有不同,沟通起来非常麻烦。这使得极少有人能通晓两个方向以上的方向。人的思路总是局限在一个小小的领域,创新就无从谈起。
面对上面提及新问题,很难想象一个搞纯电力系统而不懂电力电子、电机控制的人可以解决。同样,只懂电机和电力电子,也无法从电力系统的角度优化设计。
以当前国内情况为例,由于学校和工业界的长期脱节,使得技术发展走到一个瓶颈。工业界普遍技术落后,无法给院校提供前沿课题和方向,自己也没有力量研发,只能买国外产品。产品似乎很好,却不知道如何设计。学校则长期关起门来研究所谓的理论,或热衷于
局限在一个小小的领域,创新就无从谈起。
面对上面提及新问题,很难想象一个搞纯电力系统而不懂电力电子、电机控制的人可以解决。同样,只懂电机和电力电子,也无法从电力系统的角度优化设计。
以当前国内情况为例,由于学校和工业界的长期脱节,使得技术发展走到一个瓶颈。工业界普遍技术落后,无法给院校提供前沿课题和方向,自己也没有力量研发,只能买国外产品。产品似乎很好,却不知道如何设计。学校则长期关起门来研究所谓的理论,或热衷于搞些小横向课题吃饭。学生学不到系统的设计方法,实在是教育的悲哀。比一比我们和解放前老一辈工程师科学家,从基础到系统的设计方法都有很大差距。
言归正传,先说这种系统的谐波问题。

谐波及其治理一直是电力系统的重要课题,方法无非是passive和active两种,相关的文章和解决方案堆积如山,这里就不赘述了。近几年来这个方面的研究却逐渐没落,大家都觉得没什么搞头,文章也不好发了。这种情况的出现归根结底是找不到新的应用领域,缺少新的研究方向。从电气工程的大范围来看,百多年的发展,传统的领域想到的东西已经有人做了,没想到的也有人做了,还做得很好,如果没有,那一定是最硬的骨头。可以创新的只存在于边缘领域。
当带有大量电力电子设备的风力发电或DG入网时,新的问题就来了。
已往我们考虑passive和active filter时,通常只考虑主导谐波。
对于passive,通常是LC滤去PWM开关频率的主导谐波,filter resistor对subharmonics衰减;对于active filter,只能考虑几个主导谐波,使用一下multi-ref等手段,的确意思不大。但在实际应用领域,对设备的谐波是有严格的规定的,最为常用的IEEE519,VDEW,IEC。其中IEEE519只对谐波有要求,而且只要求在额定功率下满足要求,比较容易满足。VDEW就严谨多了,德国人的标准就是比较科学,不但和谐波相关,还要考虑inter-harmonics的已往我们考虑passive和active filter时,通常只考虑主导谐波。
对于passive,通常是LC滤去PWM开关频率的主导谐波,filter resistor对subharmonics衰减;对于active filter,只能考虑几个主导谐波,使用一下multi-ref等手段,的确意思不大。
但在实际应用领域,对设备的谐波是有严格的规定的,最为常用的IEEE519,VDEW,IEC。其中IEEE519只对谐波有要求,而且只要求在额定功率下满足要求,比较容易满足。VDEW就严谨多了,德国人的标准就是比较科学,不但和谐波相关,还要考虑inter-harmonics的要求,而且要在半载时也要满足要求。当你要给grid connected变换器设计filter时,由于L和C的成本要求,就会发现VDEW简直就是对设计者脑力和体力的摧残,经常是按了葫芦起了瓢。
关于标准内容,请自行查阅相关文献。这里我只简单说两个要点。
1)标准对测量工具有严格的限定,无论是基于FFT,filter还是能谱的。
2)IEEE是以10Hz为一个Bin的,没有band的概念。VDEW则是在40th以下以5Hz为一个Bin,50Hz跨度为一个band计算inter-harmonics,40th以上10Hz为一个Bin,200Hz跨度为一个band计算inter-harmonics,并根据实际信号的时变频谱提供fluctuating计算方法。
关于谐波,最为常用的工具是FFT/DFT,但有几点需要提醒的是,
1)FFT/DFT在频域只提供离散的点,而事实上谐波频谱是连续的所有不在Bin freq上的信息都会合并到Bin freq上,并会带来混叠问题。
2)频谱绝大多数时候是时变的,可以认为这时有一些能量在某段频带间移动。这些能量并不是固定的分数次谐波。
为什么要强调这两点呢?在传统谐波分析时候可能并不太注意这些问题,但在电力电子装置接入的时候,问题就可能很突出。
以PWM输出的VSI为例,
首先,现在绝大多数并不使用同步PWM,这必然产生在一段频带中移动的能量。
其次,即便是使用同步PWM,由于晶振误差和延迟问题,也不可能绝对同步。而且通常这个误差还不小。
这直接造成在不同时间段谐波频谱并不相同,很可能这一次可以通过VDEW,但下一次就不行。很多时候这种情况都会被误认为信号噪音的问题,但从谐波源的角度来看,这本来就是存在的,
问题是谐波测量手段受到了限制。如果不能对变换器有深入的了解,对问题的理解必然出现很大的偏差。在寻求解决方案时很容易走错方向。关于这个问题,相信很多搞谐波治理的人都搞不清楚。

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