关键词:
电源结构(精选七篇)
电源结构 篇1
在经济和科技飞速发展的今天, 电力工业作为一种重要能源行业, 是衡量一个国家经济发展水平的重要标志, 决定着整个国家的经济发展命脉。经过解放后几十年的努力, 我国的电力工业取得了举世瞩目的成就。截止2011年底, 全国电力装机容量突破9亿千瓦, 标志着中国电力工业发展实现了新跨越, 年发电量居世界第二。全国全口径发电量47217亿千瓦时, 从类型上来看:火电:38975亿千瓦时, 占全国发电量的82.54%;水电:6626亿千瓦时, 占全部发电量的14.03%;核电、风电:分别为874亿千瓦时和732亿千瓦, 分别占1.85%和1.55%。在我国的电源结构中, 火电所占的比重最大, 水电次之, 核电和风电所占的比重较小。在国家能源政策的引导和扶持下, 风电和光伏等新能源发电形式发展迅速, 在电源结构中所占的比重也在不断的上升。
在我国的电力装机容量和发电量不断增长的同时, 在发展过程中也暴露出了许多问题, 这些问题如果不能得到及时的处理, 会严重制约和影响我国电力工业的发展, 会影响国民经济发展和人民生活水平的提高, 必须找到措施解决问题。
一、火力发电厂的分类、工作过程和特点
(一) 火力发电厂的分类和工作原理
火力发电厂是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能生产出电能的工厂。按照原动机的类型, 火电厂可以分为蒸汽汽轮机发电厂和燃气轮机发电厂等;按照蒸汽的压力和温度分类, 火电厂又可分为中低压发电厂、高压发电厂、超高压发电厂、亚临界压力发电厂、超临界压力发电厂和超超临界压力发电厂等。
火电厂的种类虽很多, 但从主流上看蒸汽汽轮机发电厂占比例上的绝对优势, 从能量转换的观点分析, 其生产过程却是基本相同的, 概括地说是把燃料 (煤) 中含有的化学能转变为电能的过程。整个生产过程可分为三个阶段:
1、燃料的化学能在锅炉中转变为热能, 加热锅炉中的水使之变为蒸汽, 称为燃烧系统;
2、锅炉产生的蒸汽进入汽轮机, 推动汽轮机旋转, 将热能转变为机械能, 称为汽水系统;
3、由汽轮机旋转的机械能带动发电机发电, 把机械能变为电能, 称为电气系统。
(二) 火力发电的特点
火力发电厂作为现代电力系统的主要供电电源, 在满足负荷的不断增长的需要和整个电网的稳定的运行中都发挥了重要的作用。概括的说, 火电厂具有以下优势:
1、火电厂布局灵活, 装机容量的大小可按需要决定。
2、火电厂建造工期短, 一般为水电厂的一半甚至更短。一
次性建造投资少, 仅为水电厂的一半左右。
火电厂的缺点是:
(1) 耗煤量大, 生产成本高。目前发电用煤约占全国煤碳总产量50%左右, 加上运煤费用和大量用水, 其生产成本比水力发电要高出3~4倍。
(2) 火电厂动力设备繁多, 发电机组控制操作复杂, 运行维护复杂, 运行费用高。
(3) 汽轮机开、停机过程时间长, 耗资大, 不宜作为调峰电源用。
(4) 火电厂在生产过程中向大气中排放大量的粉尘和SO2等有害气体, 会造成空气和环境的污染。
二、水力发电厂的分类、工作过程和特点
(一) 水力发电厂的分类和工作过程
按利用能源的类型, 水电厂可分为常规水电厂 (包括梯级水电厂) 、抽水蓄能电厂、潮汐电站和波浪能电站。常规水电厂又可按水头集中方式、水库调节径流性能和装机规模的区别分类。按水头集中方式可划分为坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂;按水库调节径流性能可划分为多年调节、年调节、季调节、周调节、日调节水电厂和不调节径流的径流式水电厂;按单厂装机容量规模分类, 我国现行的划分标准是单厂装机容量250MW及以上的为大型, 250MW以下至25MW的为中型, 小于25MW的为小型。
水力发电是利用江、河、水库的势能也就是水位的落差来作功, 推动水轮机转动再带动发电机转动发电的。水轮发电机所发出的功率与上游的水头和单位时间所流过水轮机的水量乘正比的。
(二) 水力发电的特点
水电的装机容量和发电量仅次于火电, 在满足国民经济的发展和负荷的增长中也发挥了重要作用, 水力发电具有以下优势:
1、水力发电厂的水轮发电机组具有设备简单, 操作灵活,
易于实现自动化等特点, 而且还可以在几分钟内迅速启动投入运行。在正常情况下水力发电厂的启动到带满负荷只需4-5分钟。在紧急情况下可缩短到1分钟左右且增减负荷也十分方便灵活。因此, 水轮发电机组通常可以承担电网的调峰, 调频增加电力网的无功分量和事故备用等。
2、水力发电厂水轮机组生产效率较高, 大、中型水力发电
厂效率为80-90%, 小型水电站一般为60-70%, 而火力发电厂的发电效率紧为35%左右。同时水力发电厂发电成本较低, 一般为火力发电厂的三分之一到四分之一, 并且水力发电厂几乎不产生对环境的污染。在节约能源和保护环境方面, 水电与火电相比较, 有着较大的优势。
水力发电的缺点是一次性投资大, 建设周期长, 且水电厂多远离负荷中心, 所发电能需要远距离传输增加了输电线路的投资和电能损耗。
三、新能源发电的分类、工作过程和特点
(一) 新能源发电的分类和工作原理
新能源发电按照工作原理的分类可以分为光伏发电、风力发电等形式。随着我国近几年来关于发展新能源的政策法规的实施, 新能源发电在我国得到了飞速的发展。本文主要以风力发电的工作过程和特点为例, 分析新能源发电的特点。
风力发电的工作原理是风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转, 再透过增速机将旋转的速度提升, 来促使发电机发电。风力发电的形式目前有并网运行和独立运行两种形式, 目前大规模开发的风电主要是并网型风电。常用的并网风电机组多为变速恒频风电机组, 双馈式和永磁直驱式是常用的两种。双馈式风力发电系统主要有风力机、齿轮箱、双馈绕线式异步发电机和变流器组成, 变频器按照连接的位置又可分为网侧变流器和转子侧变流器。永磁直驱式风力发电系统则省去了齿轮箱, 通过背靠背全功率变频器直接接入电网, 该背靠背全功率变频器由机侧变流器、直流电容和网侧变流器组成。
(二) 风力发电的特点
在新能源发电中, 光伏发电由于成本过高, 目前所发电量在整个电源结构中所占的比重还较小。而风力发电由于技术的进步和风机成本的不断下降, 在近几年得到了迅速的发展。风力发电与常规能源相比, 具有以下优点:
1、风能是一种清洁的自然能源, 不存在燃煤、燃油的环境问题, 不会引起温室效应, 不存在核电放射性废料对人类的威胁。
2、风电场建设周期短, 装机规模灵活, 建设一般规模的风
电场, 从基础建设、安装到投产, 只需半年至一年的时间, 而火电、核电需3—10年时间。
3、风力发电的经济性日益提高, 随着风力发电技术的不断成熟, 风电成本呈下降趋势, 为风电的大规模应用提供了基础。
4、风电机组单机容量越来越大, 制造成本不断降低, 目前
商业化运行机组的单机容量已达4.5MW。随着风电技术的日益完善, 风力发电必将成为今后能源发展的趋势。
(三) 风电在发展过程中存在的问题
1、由于风能有一定的间歇性和波动性, 风电厂出力随着风
速的变化而变化, 其有功无功潮流经常发生变化, 容易发生电压稳定事故。
2、我国集中开发的大规模风电厂大多远离负荷中心, 当地
电网结构薄弱, 吸纳风电的能力差, 电力必须远距离传输。在风电厂满出力的时候, 风电的送出往往受到限制, 从而导致了一部分电能的浪费。
3、风电厂在正常运行时会向电网注入大量谐波, 影响电网的电能质量。
四、我国目前的能源结构下存在的问题
在我国目前的能源结构中, 火电占的比重较大。火电虽然有布局灵活, 一次性投资小的特点, 但是在其发电过程中会产生大量的有害气体和粉尘, 会造成严重的环境污染。更重要的是, 火力发电需要消耗大量的煤炭资源, 而煤炭资源是不可再生能源。照现在的开采速度, 目前世界上储备的煤炭资源仅能使用60年左右, 而我国的煤炭储备量也只能使用50年左右。在能源危机和环境污染日趋严重的今天, 火电在整个电源结构中所占比重较大, 不满足可持续发展的要求。为了实现可持续发展, 必须大力发展风力发电、光伏发电等新能源。我国风电的开发方式多为大规模集中开发, 即建大型风电基地。我国的大型风电基地的位置往往比较偏僻, 当地电网结构薄弱, 吸纳风电的能力差, 风电的送出主要依赖长距离、大容量的高压输电。而建设高压输电线路的时间比较长, 因此, 在目前的电网条件下, 还不能完全满足风电的送出, 就造成了在风电厂满发的情况下, 一部分风电的送出受到了限制。更重要的是, 当风电的装机容量在整个电网中所占的比重过大时, 会对电网的稳定运行带来严重的影响。我国酒泉风电基地就多次发生大规模风机脱网而导致整个西北电网频率震荡的事故。因此, 在发展新能源的同时, 如何调整各种发电形式在整个电源结构中的比例, 对提高电网运行的稳定性和经济的可持续发展有着重要的意义。
五、解决我国能源结构中存在问题的措施
1、控制火电在整个电源结构中的比例, 采用大容量、超临界的大型发电机组, 大型发电机组的燃料利用率和运行成本都低于小型机组。
2、继续发展水力发电, 在不破环生态环境和技术条件允许情况下建设大规模的水电站。
3、优先发展风电、光伏等新能源的发电形式。在发展风电的过程中, 要做好风电基地和电网的协调发展, 避免风电资源的浪费;提高风电机组的质量和风电场的运行管理, 确保风电场电网的安全, 稳定运行。
4、发展风电方面, 国家做好相应的宏观计划, 因地制宜制定相应的鼓励政策。
(1) 促进西部大开发及风区经济大发展。国家应采取一系列的倾斜政策, 包括经济、政策、人口等社会各方面的倾斜, 促进这些区域的经济快速发展, 促使这些地区的经济发展在国民经济的总体发展中所占比重越来越多, 有力的促进该地区的电力快速发展, 避免了电力能源的长距离外送。这些地区如新疆、内蒙古等有充裕的煤炭储备, 有适当规模的火电调剂, 风电的发展才有更大的空间。同时由于这些地区地广人稀, 土地的可耕性不强, 为光伏风电的发展提供了良好基础。
(2) 促进沿海地区风电快速发展。一般沿海地区经济较为发达, 电力市场发展较快, 目前的火电较为充裕, 因此在这些区域快速发展风电较为有优势, 同时也可以考虑向境外输出电力。如像辽东半岛、山东半岛、东南沿海及南海沿海的海滩都有优良的风电发展自然环境和经济环境。南海沿海多余的风电能源可以考虑向越南输出, 也可以通过西南电网向缅甸、老挝等能源短缺的国家输送电力。
(3) 促进中原及其它内地的风电快速发展。中原及内地有着得天独厚的条件:人口多, 电力消费市场大, 大型火电厂密集, 容易与风电厂相互调剂, 是发展风电最有优势的区域;地理环境更佳, 中原地区的南、西、北部每隔30公里就有山脉, 东部也几乎方圆50公里就有大大小小的山峰, 是建风电厂的良好场地和合适的距离。山峰与城市相间, 减少了电能长距离输送, 减少了损失。同时这些区域内交通便利, 人力资源充裕, 有利于降低运营成本。
(4) 开展多投资渠道, 克服资金紧张瓶颈, 在宏观计划内促进风电跳跃式发展
目前最清洁的能源就是风电, 但资金紧张制约了风电的发展, 尽管近五年内风电的发展速度均超过其它能源风电的速度, 但是风电在所有电力能源中仅占1.55%, 这远远达不到国家长久能源政策的预期, 因此对民间开放投资政策, 开展多渠道投资, 充分利用民间大量闲置资本, 尤其是转移房地产资本向风电方向发展, 毫无疑问会对久调不下的房地产行业会有意想不到的收获。比如南阳风电就是这种投资模式, 先由民间资本商投资, 到后期并网时由五大风电公司考虑收购或参股。
六、结论
论动力电源系统连接结构论文 篇2
1.跨接片电镀方式选择
导电跨接片一般选择纯铜板材,为提高耐腐蚀性,跨接片表面应镀镍、镀锡等,镀层厚度为3~5um。选择跨接片材料必须与电池组的环境条件相匹配,应选择非腐蚀性材料。当基层材料不能满足要求(如传导率、磨损性和抗腐蚀性)时,应以电镀的方式来实现。通过比较,镀锡效果比未电镀效果好,镀银效果比镀锡效果好,如图1所示。
2.单体电池之间连接设计
单体电池之间的连接,以连接电阻最小为好,一般能够采用焊接的,不采用压接方式。
2.1连接工艺比较
电池之间的连接通常采用机械方式(螺栓、螺母)及焊接方式。不同的连接工艺具有不同的特点,并且适用于不同的电池类型和形状。就焊接来说,有电阻焊、激光焊、超声焊接等。表2和表3分别对不同焊接方式和连接方式进行了比较。
2.2机械连接设计
电池之间采用在机械连接应用最为广泛,尤其是在大容量电池组合中。机械连接一般采用螺母固定,不同材质的螺母,其导电性能不同,跨接片采用不锈钢螺母比采用普通螺母其跨接压降偏大,在相同条件下,200A通电时,一只跨接片压降增加约0.5mv左右;造成不锈钢螺母跨接压降偏大的原因主要是不锈钢材质的电阻率较高,是普通低碳钢电阻率的5倍左右。不锈钢螺母的优点是长期使用不生锈,外形美观,缺点是导电性能比普通碳钢螺母差,同时材料成本高。同时,在相同环境和试验条件下多层跨接片比单层跨级片电压降大,是由于多层跨接片相对于单层跨接片增加了接触电阻,因此采用多层跨接片增加了电源系统的内阻。螺母的紧固力矩值对电池之间的连接电阻值和连接电阻的一致性有较大的影响,通过试验验证,以M10X1.25铜螺母为例,在相同条件下,40A通电时,15Nm和18Nm拧紧力矩检测到的电压降较大,波动也较大,说明接触电阻偏差较大;22Nm拧紧力矩检测到的电压降一致性较高,说明接触电阻一致性较高,拧紧力矩值基本达到使用要求。拧紧力矩值过大,会造成装配时极柱拧断;过小,会造成跨接压降偏大,螺母拧紧不到位,松动甚至打火的现象。根据试验数据,此极柱拧紧力矩控制在22Nm较为适宜。
3.连接的防松设计
导电连接必须进行防松设计,车辆运行过程中,电源系统一直处于振动状态,过电流情况下连接部位发热,也会容易引起松动。连接松动是应用过程中造成电源系统损坏的的重要原因之一。焊接连接不存在防松设计,但需要保证焊接的`可靠性。采用机械连接的电池极柱和螺母均采用国家标准规定的螺纹,如按照标准生产,螺纹的升角ψ小于螺旋副的当量摩擦角v,螺纹联接能满足自锁条件ψ
4.总结
铁道客车电源装置统型结构设计探讨 篇3
铁道客车DC600V电源装置包括:客车空调逆变电源、充电器和单相逆变器, 主要是为铁路客车 (主要是T型车和G型车) 提供辅助电源。目前国内主要生产商有铁科院、四方所、株洲所、新誉集团、武汉正远和南京华士。近年来各厂家产品不断地在全国各个铁路局投入运营, 随着时间的推移, 早期的产品陆陆续续进入维修阶段, 各路局车辆段发现, 由于各家的设计独特性, 无法完成紧急情况下的调换工作, 给运营带来诸多不便。于是从2008年开始铁道部便召集各厂家就该种情况展开讨论, 期望采用一种统一的方案, 实现各厂家产品间的互换统型, 经过3年的讨论和协调, 2011年初铁道部将任务下达给铁科院和四方所, 两单位分别主持充电器箱和客车空调逆变电源的统型设计工作。2012年底通过主办和协办单位的共同努力终于完成统型工作, 现在已经在2013年春运车和暑运车中大量应用。作为这项工作的全程参与者, 本文主要从结构设计方面对该装置作一些探讨。
2 铁道客车DC600V电源装置结构简介
铁道客车DC600V电源装置主要包括逆变器系统和充电器系统, 根据列车功能的不同又分为双模块系统和单模块系统, 由箱体、模块和连接件构成。箱体是所有电器件的载体, 结构强度、防腐和密封有着较高的要求, 这类电源箱的结构一般采用骨架加蒙板, 成型工艺上或焊接、或铆接, 甚至特殊的部位胶接。为了达到相关技术要求, 一般采用优质的耐候钢材料, 同时板厚不小于2mm。箱体的承重主要集中在吊座部分, 所以吊座部位采用8mm的耐候钢板, 并采用不小于5mm的加强筋。模块一般采用框架加安装板的结构, 便于接线和安装, 同时也能很好地减轻模块的自重, 由于模块是在箱体内, 环境相对较好, 可以采用普通碳钢, 表面喷塑 (框架) 及镀铬 (安装板) 即可。典型的箱体和模块结构如图1所示。
3 满足统型接口的相关设计
接口统型主要是指:在满足电路板、模块互换的前提下, 结构件设计必须保证有统一的接口。所以在设计过程中首先要考虑的就是保证互换性的接口, 这个接口根据不同的系统分别满足如下要求。
3.1 客车空调逆变电源 (系统)
如图2所示的客车空调逆变电源 (系统) 主要保证的接口尺寸有:
(1) 客车空调逆变电源 (模块) 固定在箱体中的前后位置尺寸98.5mm (模块框架前平面至箱体前平面间距) ;
(2) 客车空调逆变电源 (模块) 固定在箱体中的高度位置尺寸125mm (滑轨至模块左下固定块中心间距) ;
(3) 客车空调逆变电源 (模块) 本身的尺寸716mm×500mm×460mm。
3.2 充电机箱 (客车充电器/客车单相逆变器)
如图3所示的充电机箱 (客车充电器/客车单相逆变器) 主要保证的接口尺寸有:
(1) 客车充电器、客车单相逆变器固定在箱体中的前后位置尺寸134mm (模块框架前平面至箱体前平面间距) ;
(2) 客车充电器、客车单相逆变器固定在箱体中的高度位置尺寸75mm (滑轨至模块下固定块中心间距) ;
(3) 客车充电器本身的尺寸540mm×500mm×490mm、客车单相逆变器本身的尺寸540mm×360mm×490mm。
4 关键部位的结构设计
4.1 箱体密封设计
一般情况下客户要求铁道客车DC600V电源装置密封性能需满足IP54等级, 为达到等级要求, 需对门、散热器的密封方式进行合理设计。
4.1.1 门密封设计
箱门设计可以采用的门框折边, 门页带卡槽内嵌一个密封胶条的方式密封, 这种结构对门折边平整度要求相当高, 是面面接触密封, 如图4所示。
这种结构的实际使用效果非常不好, 由于焊接结构的特殊性, 折边的门框很难得到所需的平整面, 所以在气密性和水密性方面均无法达到要求。为了更好地满足密封要求, 可以采用双密封胶条密封结构, 这种结构的最大特点是:门框采用了翻边结构并同时对翻边面和箱体表面密封, 这样一个类似迷宫设计后, 水很难再通过箱门进入箱体内部, 如图5所示。
4.1.2 散热器密封设计
散热器密封是指模块塞入箱体后, 散热器裸露在箱体后面, 需要对其与箱体的接口处进行密封。由于散热器结构的特殊性, 如果采用箱门的双密封, 结构布置和安装都有难度, 如果要最大限度地保证散热效果, 就必然减少密封胶条安装槽的宽度;由于箱体和模块均为焊接结构, 双密封会有对接不准确问题。为了避免这些问题, 采用线密封方式, 即箱体部分后窗框只折弯一道边, 可以理解为一条线 (板厚一般为2~3mm) 与整个密封胶条面 (一般为20mm) 接触, 这种方式比较传统, 已经得到多年运营的验证, 效果良好。如图6所示。
除了以上两种典型的密封结构外, 就箱体整体而言其密封性能的保证还包括箱体外表面焊缝均采用满焊、箱体内表面间断焊部分在油漆时打密封胶处理、过线孔采用葛兰结构等。
4.2 隔离变压器的散热和安装方式设计
与传统的逆变器箱相比, 统型后的客车空调逆变电源 (系统) 将隔离变压器布排在一个单独的腔体内, 腔体采用透气的结构, 以便隔离变压器的散热。考虑到对隔离变压器的有效防护, 腔体采用百叶窗门结构 (图7) 并在腔体的下部增开漏水孔, 既能起漏水作用, 又能增加散热功能。由于结构所限隔离变压器在腔体内的位置比较紧张, 如果采用传统的螺栓自上而下的连接, 则只能安装两套紧固件, 不利于隔离变压器的紧固, 为解决这个问题, 我们在底板上设计了两道槽, 同时要求隔离变压器在安装位置上增加焊接螺母, 螺栓从下而上反扣连接, 这样4组螺栓都能有效地紧固。如图8所示。
5 结语
通过本次统型和结构优化设计, 铁道客车DC600V电源装置在继承了传统产品优点的基础上, 实现了互换, 有利于产品的维修, 同时有利于良性市场竞争的形成, 打破了原来各自为战的格局, 使各商家有了更大的提升产品质量的动力。通过优化设计使产品更加成熟可靠。可以说这次统型和优化工作, 对于铁路客车安全运营也具有重要意义。
参考文献
[1]TJ/CL251-2012, 铁道客车DC600V电源装置技术条件[S].
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[3]Q/320412GDC009-2013, 客车空调逆变电源[S].
[4]Q/320412GDC010-2013, 客车充电器[S].
电源结构 篇4
为了弥补可再生能源发电高昂的成本问题, 国家政府可通过对传统电力企业征收高额污染税和减少补助等措施来强调其发电污染的外部成本, 并对可再生能源发电采取免税、增加补助等措施促进其发展。本文试图建立规制模型, 对国家政策进行分析, 探讨发电企业转向可再生能源发电的税费设置以及在最大化社会福利时可再生能源发电的边际成本所应满足的取值范围, 为提高可再生能源的发电比例提供可行的政策建议。
二、区域垄断企业发电规制模型设置
本文在基于区域性垄断发电企业的成本函数、电力市场逆需求函数等, 来说明不同的电源结构设置下, 发电量和企业利润的变化, 以此来推导出促进发电企业使用可再生能源发电的政府税率设置。
在此模型中, 我们假设有2个参与人, 政府和区域垄断发电企业。政府先制定规制政策, 即向常规能源发电企业征收环境污染税费;企业在观察到政府的规制政策之后, 以自身的利润最大为目标进行发电;政府开始调整规制的税费大小, 而发电企业也相应以利润最大化为基础调整自己的产量, 直到政府达到自己激励发电企业使用可再生能源发电的规制目标。税收政策:政府按照发电量 (x) 的多少对发电企业征收污染调节税, 制定的税率为t。所得税费在企业和消费者之间转移。为了鼓励企业用可再生能源发电, 政府对可再生能源所发的电量进行免征税费, 促使它们向环保可持续发电的方向转变。
(一) 促进发电企业发电结构转变的税费设置
本文要设置两种情形进行对比计算:一是发电企业不引入可再生能源进行发电, 完全依靠传统能源进行发电;二是发电企业引入可再生能源进行发电, 则企业的发电结构由可再生能源发电和非可再生能源发电组成。通过比较两种情形下企业利润的变化来观察企业有无转型的动机。
情形一:假设企业的成本函数为:C (q) =m+1/2cq2+tq, 其中, m (m>0) 为发电企业的固定成本;c (c>0) 为发电企业发电的边际成本;q (q>0) 为企业的发电量;为政府收取的单位发电量的税费。
假设电力市场的逆需求函数为:P=a-bq。
根据上述条件得到发电企业的利润函数为:
在政府的税费t政策出台后, 发电企业在获取该信息的基础上, 以自身的利润最大化为目标:
根据公式 (1) 、 (2) 可以求出发电企业利润最大化时的发电量q*和最大利润分别为:
上述情形中, 只有在满足π*>0时, 发电企业才会有提供市场需求的动力, 此时, 政府的税费政策为。
情形二:假设发电企业采用常规能源发电和可再生能源发电两种生产方法。政府只对常规能源发电收取税费t, 那么, 情形二发电企业的成本函数为:
其中, m′为发电企业可再生能源发电的固定成本。一般来说, 可再生能源发电的固定成本高于常规能源发电的固定成本, 因此有:m′>m;q, q′分别是常规能源和可再生能源的发电量, c, k分别为常规能源发电和可再生能源发电的边际成本。同样, 假设市场的电力逆需求函数为:P=a-b (q+q′) , 这里将发电和输电联合看成是一家企业, 所以把可再生能源发电价格和非可再生能源发电价格看做售电价格。根据上述的条件, 得到发电企业的利润函数为:
由于可再生能源发电免税, 发电企业会根据税费政策调整自己使用常规能源和可再生能源的发电比例, 使自身的利润最大化:
根据公式 (5) 、 (6) 求出企业利润最大化时的发电量q, q′以及总发电量:
将 (7) 带入 (5) , 整理得:
由公式 (3) 、 (8) 得到两种情形下的利润差值, 整理为如下式子:
根据激励原则, 在政府的税费政策出台后, 只有在情形二下的企业利润大于情形一下的企业利润时, 企业才会引入可再生能源进行发电:
解不等式 (10) , 可得:
(舍去, 补贴政策导致情形一的利润更高) 。
只有当政府制定的税率t>t1时, 政策才会对企业产生激励, 使企业有积极性引入可再生能源发电, 发电的电源结构才会因此而转型。
由于情形二下企业利润不能小于零, 则根据 (8) 得到:
由公式 (12) 得,
(舍去, 该高额税率下非可再生能源发电小于零) 或:
则政府只有在制定税率t1
(二) 发电结构转变前后的最大化社会福利比较
在上述税费体制下, 政府能促进企业的发电结构转变。但政府的另一个着力点是社会福利。本文沿用上述的模型来比较可再生能源发电引入前和引入后的社会福利变化。
情形一:由上文模型得企业的利润函数为π1 (q, t) =aq-bq2-1/2cq2-tq-m, 在市场需求为q时, 通过计算可得消费者剩余为, 则社会福利等于企业利润加上消费者剩余为U1 (q, t) =1/2bq2+tq:
根据 (13) 式对q求偏导可得社会福利最大化下的发电量q*和社会福利W*分别为:
情形二:在引入可再生能源进行发电后, 企业的利润函数为式 (5) 。在市场需求为q+q′时, 消费者剩余为U2 (q, t) =1/2b (q+q′) 2+tq。得此情形下的社会福利:
假设k=nc;n>0, 根据公式 (15) 对q, q′求偏导, 可得社会福利最大化下的常规能源和可再生能源发电量及总发电量, 为:
把式 (16) 带入式 (15) , 最大化的社会福利为:
根据公式 (14) 、 (17) 得, 两种情形下的最大化社会福利之差为:
令ΔW>0, 则根据公式 (16) 得
由公式 (17) 解得, 当时, 引入可再生能源发电后的最大化社会福利会大于未引入之前的社会福利。假设, 则为了提高转型后的最大化社会福利需要使n
三、数值模拟
(一) 税收政策数值模拟
假设某一区域垄断发电企业的成本函数为C (q) =40+1/2·0.3q2+tq, 当该企业观察到政府税费政策后, 转变自己的发电结构, 引入可再生能源进行发电, 企业的成本函数变为C (q, q′) =40+60+1/2·0.5q2+1/20.1q'2+tq, 同时市场的电力逆需求函数为P=10-0.2Q, 当常规能源发电时, Q=q;当引入可再生能源发电后, Q=q+q′, 则根据模型中的税费公式
所以当政府的税费政策制定在1.49
从表1中简单地可以推断出, 随着政府税费的增大, 在企业利润大于零的前提下, 企业会根据
政策变化改变自身的发电结构, 然而引入可再生能源后, 企业的总成本上升, 这就导致了企业的总体利转型后, 政府只要通过补贴等激励政策使可再生能源发电的边际成本变动率小于0.77倍的非可再生能源发电边际成本, 就能增大转型后的最大化社会福利。润的下降, 所以在改变企业发电结构的基础上, 政府还应该提供财政补贴支持企业的转型。
(二) 最大化社会福利变化数值模拟政府的目标在促进发电企业转型之外, 还要使得社会福利最大化, 假设引入可再生能源发电后企业的成本函数为C (q, q′) =100+1/2·0.3q2+1/2n0.3q′2+tq, (k=nc) 根据上述模型中的计算公式得:
则当n<0.77时, 引入可再生能源发电后的社会福利变大, 以表格的形式展现各变量的数值如下:
根据表2中的数据, 在企业发电结构转型后, 政府只要通过补贴等激励政策使可再生能源发电的边际成本变动率小于0.77倍的非可再生能源发电边际成本, 就能增大转型后的最大化社会福利。
四、结论与建议
本文建立了政府与垄断发电企业之间的规制模型, 通过比较引入可再生能源发电前后的企业利润、社会福利的变化来给出有益电力产业可持续发展和增大社会福利的规制政策与建议。在结合上述模型中的计算结果, 我们得出:第一, 为了促进发电企业转变发电结构引入可再生能源发电, 政府可采取对可再生能源发电免征污染调节税的优惠政策, 而对非可再生能源发电抬高污染调节税费 (t1
参考文献
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电源结构 篇5
近年来我国航天技术迅速发展, 空间飞行器总类繁多, 功能越来越全面, 覆盖民用、军事的各个方面, 目前空间飞行器主要指地球卫星和空间站等。由于其功能的扩展对供电系统的要求也越来越高, 主要包括容量上、供电稳定性和抗负载扰动等几个方面。现有空间电源主要包含化学电源 (如热电池、锂电池、锌银电池、氢镍电池、镉镍电池等) 、太阳电池阵-蓄电池组联合电源和核电源, 其中以太阳电池阵-蓄电池组电源为空间电源的主力。
由于在空间中太阳光照强度、负载功率、蓄电池充电功率等的变化, 均会导致卫星电源系统直流母线电压发生大幅度变化。传统的卫星总线拓扑采用S3R (sequential switching shunt regulator) 分流调节方式, 通过控制太阳电池阵的输出分流消耗或向负载供电, 从而保证电源在卫星在轨运行期间保持电能供应和负载消耗的平衡, 向负载提供稳定工作电压。S3R在1977年第三届ESA空间能源会议上提出, 地球同步轨道通讯卫星电源系统一般都采用此类调节技术[1]。但是, 由于S3R拓扑中采用独立的充、放电模块, 导致其体积和总量较大;同时, 由于其充电控制器和放电控制器均直接与电源母线相联, 若卫星采用28 V等低母线电压体系时, S3R蓄电池组的充电电压会受到较大限制。对此提出改进的S4R (sequential switching shunt series regulator) 控制系统, 如图1所示[2]。
图中串联调节系统由多个独立模块组成, 均包含一个分流调节器 (SR) 和一个蓄电池组充电控制器 (BCR) , 并与一个太阳能电池阵单元相连。太阳电池分阵在光照充足的情况下, 既能对母线负载供电, 又能为蓄电池组充电。这种控制方式可最大限度地利用太阳电池阵输出功率, 效率可高达99%。整个系统由电源控制协调各模块工作, 基本原理是太阳电池阵输出首先满足卫星负载的需求, 其次再对蓄电池充电, 在蓄电池和负载需求均得到满足后, 多余的能量从分流电路以热的形式消耗掉。
1 Buck变换器设计
在空间飞行器中, 直流母线电压需要满足蓄电池充电和各种负载工作的需要, 同时要考虑线路损耗等因素, 因此直流母线电压较高, 通常取100 V;负载侧供电需要高效率DC/DC变换器, 作为空间电源系统的核心。由于负载工作电压较低, 通常采用降压 (Buck) 变换。其结构如图2所示。
假设开关管T1在0~t1期间导通时, 电感L1中的电流线性增加, 电流上升增量为:
当开关管截止时, 电感中的电流线性下降, 电流减少量为:
若电感中电流临界连续, 则ΔI1+=ΔI1-=2I0, 此时电感值应为:
负载通常需要电流连续, 因此Buck变换器中电感取值应大于L1并留有一定余量。变换器中电容的选取与纹波电压大小有关, 流经电容的电流IC=I1-I0, 对电容充电产生的纹波电压为[3]:
通常取电压纹波为输出电压的1%, 由此可计算出电容最小取值。
开关管控制采用电压闭环的PI控制, PI调节器输出参考信号与三角波比较生成触发脉, 冲控制开关管T1工作, 控制原理如图3所示。图中v*dc为直流电压给定值, vdc为电压反馈值。
2 仿真及分析
根据上述原理设计空间电源中的降压变换器, 输入电压为100 V, 输出电压为28 V, 则开关管占空比为Don=28 100=0.28;阻性负载为20Ω, 开关频率为10 k Hz, 输出电压纹波为1%, 计算得到电流临界连续时电感值为Lmin=0.72 m H;考虑负载等效电阻值的波动, 实际电感取2.5倍Lmin, L1=1.8 m H;电容最小值Cmin=50μF, 为提高输出波形质量, 实际电容C1取500μF。
利用Matlab搭建仿真模型, 直流电压给定值为28 V, PI调节器参数为比例系数Kp=2.5, Ki=35。设置t=0.15 s时, 负载由20Ω突增到10Ω, 即负载增大一倍, 得到仿真结果如图4所示。稳态时能够跟踪给定值;负载增加后, 由于电流增加, 因此直流电压纹波略微增大, 但都远远小于设计值1%。
3 结论
利用Buck变换器实现了空间电源直流母线到负载的降压变换, 控制部分采用基于PI调节器的单闭环控制方法, 根据电压、电流关系设计了滤波电感和直流电容的取值范围, 利用仿真验证所设计的Buck变换器能够实现所需的电压变换, 具有较好的动、静态性能。
摘要:对卫星电源系统控制结构进行介绍, 比较了传统电源功率控制结构和改进结构的特点, 并简要说明其控制方法, 研究卫星电源系统中直流母线与负载间的降压变换器参数和控制策略设计过程, 给出参数计算方法, 通过Matlab软件仿真验证了所采用方法的正确性。
关键词:卫星电源,S3R,S4R,降压变换器
参考文献
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电源结构 篇6
参考文献[1]设计的He-Ne激光器电源结构简单、元器件少、耐冲击性高,但其所使用的变压器仍是工频变压器,体积大、不易携带,并且易受外界干扰,不适合长时间工作;参考文献[2]提出的一种新颖的He-Ne激光器电源,采用变压器进行升压,通过电阻分压的方式降低激光管两端的电压,电源效率低;参考文献[3,4]所提出的激光电源电路采用高频变压器和倍压整流电路共同作用产生气体激光器的击穿电压,但是其输出电压稳定性及带载能力都差。
本文所设计的氦氖激光电源采用两个半桥逆变器输入、并联输出串联的方式为激光器提供击穿电压,单个逆变器可为激光管提供正常工作的电压,采用电压电流的双环控制策略使得激光管输出电流稳定。
1 电路设计与工作原理
高压直流辉光放电激励是氦氖激光器的主要激励方式,为了使激光管进入正常的辉光放电状态,其两端的电压必须达到击穿电压。激光管击穿后,电源还应该能保证放电管正常的工作电压和电流。对于250 mm氦氖激光管,其击穿电压约为5 kV,正常工作电压约为1 800 V。氦氖激光高压模块电源的功率电路和采集反馈回路如图1所示。
图中C10、C11、VT1、VT2和T1构成半桥逆变器1;C12、C13、VT3、VT4和T2构成半桥逆变器2。两个半桥逆变电路采用输出串联[5]的方式提供激光管的击穿电压,继电器K1控制半桥逆变器2的工作。电路开始工作时,控制继电器K1闭合,此时两个半桥逆变器同时工作,其输出经过整流滤波后,再串联为激光管提供击穿电压。当激光管点亮后,控制继电器K1断开,半桥逆变器2停止工作,半桥逆变器1的输出经过二极管支路为激光管提供正常工作的电压。当电路中的负载发生变化时,采集电路采集的电流信号反馈给控制电路,通过调节PWM的占空比使得激光管工作保持稳定。
2 电压电流双环控制策略
由图1可知,本文所设计的氦氖激光电源采用了电压电流双环控制,电流内环采集的是电感电流,将逆变器、变压器和整流滤波看成一个DC-DC变换器,因此图1可以等效为图2的形式。
双环控制分为电流内环和电压外环控制,其中电流内环调节系统的方框图如图3所示。vCP为电压补偿网络的输出,GM(s)为PWM传递函数,Gid(s)为变换器的传递函数,Gc(s)为电流补偿网络的传递函数,Rs为电流采样网络的传递函数,从而可得电流内环传递函数为:
电压外环控制的调节系统方框图如图4所示。
图4中A(s)是电流内环功率级传递函数,它等于电流内环传递函数乘以电流环负载Z(s)。即有:
从而有电压电流双环控制系统的开环传递函数为:
式中,GV(s)为电压补偿网络的传递函数,H(s)为电压采样网络的传递函数。因此电压电流双环控制的系统闭环传递函数为:
所设计的激光电源参数为:开关频率fs=100 kHz,逆变器输入电压为200 V~310 V,变压器匝数比1:20。激光管正常工作时,电路输出为1 800 V。电路输出电流io=6 mA,电感L1=L2=10 mH,输出电容为C14=C15=220μF,采样电阻Rs=10Ω,电流为6 mA时,负载电阻为300kΩ,PWM波峰峰值为20 V。根据参考文献[6]可知,半桥逆变器可以等效成BUCK变换器。电流和电压的补偿网络均采用单极点-单零点网络[7]。电压电流双环控制系统的波特图如图5所示。
曲线1为电压电流双环开环传递函数,曲线2为电压电流双环闭环传递函数。从曲线1可知,双环控制时,其穿越频率为4.32 kHz,在这个频率下,控制系统的相位裕度达到了65°,幅值裕度也大于0,因此双环闭环系统的稳定性好。在含有电流内环控制的系统中,无论是输入输出的波动都会引起电感电流或者功率开关管的变化,通过电流反馈信号使得控制系统调节不会像电压单环控制型那样等到电压变化才起到控制调节作用。在双环控制系统中,电流控制环的控制对象为一阶积分或者近似为一阶积分环节,所以电流控制环有很好的稳定性。由于电流控制环的等效功率级电路是电压控制环的控制对象(这是一个单极点型控制对象),因此相位裕度大,使系统具有较好的稳定性。
3 电路仿真与验证
利用Multisim 10仿真软件对硬件电路进行仿真,电路采用电压电流双环控制的模式,电压和电流的补偿网络均采用单极点-单零点的方式[7],其电源电压输出波形如图6所示。
从图6(a)中可以看出,电源的输出电压波形可以满足激光管点亮与正常工作的要求,说明硬件电路设计满足激光管的要求。电源电路的输出电压从0V上升到5 000 V左右只需要40 ms的时间,上升过程相当快。到达5 000 V左右后,维持60 ms的时间,这个过程用来点亮击穿激光管。然后输出电压立即下降到1 800 V左右,达到激光管的正常工作电压。当激光管正常工作、电源输出电压稳定后,如果负载减少一定值,从图6(b)可以看出电流有波动,但是很快就稳定了,电流稳定后与前一稳态的值相比误差很小,说明该激光电源能够实现自动稳流。
4 实验
制作了一个原理样机,开关管使用IRFP460,其耐压达到500 V,最大电流为20 A;PWM芯片选用SG3525,驱动芯片使用IR2110。对250 mm的氦氖激光管进行实验,在实验过程中串联一个电流表。实验结果发现,当激光管点亮后延迟了很短时间,电流表的读数从12 mA跳到6mA左右,并保持稳定。当增加或者减少负载时,电路中的电流有一个小的波动,但是很快就稳定了,这表明该款电源的确能够实现自动稳流,说明了理论分析的正确性。
通过对激光器电源性能要求的分析,设计了一个基于半桥逆变器输出串联拓扑结构的氦氖激光器高压电源,并对电压单环控制和电压电流双环控制两种控制策略进行了讨论和比较,最后得出了电压电流双环控制更利于激光器稳定工作的结论。与其他电源相比有结构简单、控制方式容易、稳定性好的优点,这对于氦氖激光管加速寿命试验中有重要意义。
参考文献
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电源结构 篇7
随着超大规模集成电路工艺技术的不断提高,集成电路的静电放电(Elect rostaticDischarge,ESD)保护电路的设计越来越受到了电路设计者的重视。ESD保护电路是为芯片电路提供静电电流的放电路径,以避免静电将内部电路击穿。由于静电一般来自外界,例如人体、机器,因此ESD保护电路通常在芯片的压焊盘(PAD)的周围。输出压焊盘一般与驱动电路相连,即与大尺寸的PMOS和NMOS管的漏极相连,因此这类器件本身可以用于ESD保护放电,一般情况下为了保险,输出端也加ESD保护电路;而输入压焊盘一般连接到MOS管的栅极上,因此在芯片的输入端,必须加ESD保护电路。另外,在芯片的电源(Udd)和地(Uss)端口上也要加ESD保护电路,以保证ESD电流可以从Udd安全地释放到Uss。对于高压工艺上电路的ESD保护主要有下面两个难题需要解决:一是高压晶体管器件的均匀导通性,二是电源钳位模块的闩缩效应。
2 实现高压器件或芯片的静电放电保护分析
在显示器驱动芯片,电源管理芯片以及汽车电子等应用中,芯片的工作电压通常比较高,达到20V-40V甚至更高。这些芯片的设计需要选取击穿电压比较高的高压晶体管。实现对这些高压器件或芯片的静电放电保护将遇到下面的难题。
实现高压工艺应用中静电保护的一个难题是高压晶体管器件的均匀导通性。通常在低压工艺中,栅极接地类型NMOS器件(ggNMOS)结构被广泛用来保护内部核心线路。而多指条(multifinger)并联的ggNMOS结构可以用来倍增其静电保护能力级别,从而实现预期ESD保护指标。对于高压晶体管,其一次击穿电压远大于二次击穿电压(vt2<<vt1),这将违背多指条器件均匀导通的基本条件(Vt1<Vt2)。因而多指条并联后的高压NMOS器件的ESD保护能力并不能在单指条基础上得到较大提高。通常在多指条ggNMOS器件的每个指条中增加电阻以提高器件二次击穿电压值,从而提高导通均匀性。但是高压NMOS的Vt2比Vt1值要小太多,即使在每个指条中串连电阻,仍然无法满足各指条之间均匀导通的条件。
实现高压工艺应用中静电保护的另一个难题就是如何避免电源钳位电路中闩锁效应的发生。高压NMOS器件通常都有较高的触发电压和较低的钳位电压。基于高压工艺的集成电路通常工作在20V甚至40V或更高的工作电压中,如果应用于VDD和GND之间的电路钳位电压比电路工作电压要小的时候。外部噪声出现在电路的端口上,将电源和地之间的钳位模块误触发,并形成一个低电阻通路。当钳位电压小于电路工作电压的时候,电源和地之间的低阻导通状态将一直保持住,从而形成闩缩效应,最终将导致该部分电路被烧毁。
3 一种应用于高压工艺集成电路中电源钳位的器件结构设计
图1是有二极管Dp,Dn以及电源钳位模块组成的全芯片保护结构图。为了避免因外接噪声导致的电源钳位模块闩缩效应的发生,通常需要设计的钳位模块钳位电压值高于电路正常工作电压。另外就是要避免选用高压晶体管器件,因为高压晶体管器件的非均匀导通问题限制了其ESD保护能力的提升。
利用级联多个SCR器件级联的结构来实现较高的钳位电压值。通常单个SCR器件的钳位电压值非常小,在1V到2V范围之间,对于这样普通的SCR结构,即使多个级联在一起,整体结构的钳位电压将还是很小。本设计中,用一种高钳位电压值的SCR器件结构将会被选取作为级联的基本单元。
图2是一个常见的双阱工艺的SCR器件结构。其在N-Well和P-Well交界的地方,P+型掺杂将别注入,形成一个桥状区域连接N-Well和P-Well。该结构将改变传统SCR结构的正向击穿电压,从N-Well/P-Well结击穿电压值(18V-20V)降低到N-Well/P+结击穿电压(8V-12V)。采取这种低触发电压的SCR结构,便于后面的多个SCR级联结构设计。该类型SCR器件的钳位电压值可以通过调节D3和D4的尺寸,来实现高钳位电压。选取合适的D3和D4值,可以使得SCR的钳位电压逐渐接近触发电压,达到8V到12V范围。
图3分别给出了不同个数SCR器件级联结构示意图。以两级SCR器件级联结构为例,将第一级的负极(Cathode)和第二级的正极(Anode)通过金属连接在一起,保留第一级SCR器件的Anode作为级联结构的Anode,保留第二级SCR器件的Cathode作为级联结构的Cathode。
图4是不同级联级数SCR器件的TLP测试特性。随着级联级数的倍增,级联器件的触发电压值以及钳位电压值也跟着倍增。选取合适的SCR级联个数,可以实现无闩缩效应的电源钳位模块设计。比如选取四级SCR级联,其钳位电压将达到45V,可以应用在电源工作电压为40V的高压应用中的ESD保护。
4 结语
本文提出的一种新型SCR结构用来提升单个SCR器件结构的钳位电压。该结构将传统SCR器件寄生BJT的发射极(寄生PNP的P+发射级和寄生NPN的N+发射级)在器件的纵向替换成P+和N+掺杂交替的方式。新型SCR器件的钳位电压将得到很大提升,选取合适的P+和N+掺杂面积比例,可以调整钳位电压的大小,使得钳位电压值高于电路正常工作电压范围,从而有效避免闩缩效应的发生。该发明在实际应用中,需要选取合适的参数:正极到负极之间的距离,N+和P+掺杂的面积比例。
相对于级联FOD,MOSFET的结构而言,选取级联SCR器件的最大优点是,其单位面积静电防护能力非常高,可以使得设计面积得到优化。上面单个SCR器件的宽度为50um,其不同级数级联SCR的二次击穿电流都接近2A,人体模式(HBM)静电保护能力将会接近3KV(2A*1500ohm)。从而达到优化芯片面积的目的。
摘要:应用于高压工艺集成电路中电源钳位的静电放电保护(ESD)器件结构设计,属于半导体集成电路片上静电放电保护领域,本文所提出的器件结构特别适应于高压集成电路中的电源钳位(power supply clamping)功能,该结构可以避免高压工艺中电源钳位结构常发生的闩缩效应(latchup effect)。
关键词:集成电路,放电保护,电源钳位
参考文献
[1]王大睿.CMOS电路中ESD保护结构的设计.中国集成电路,2007(06).