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。