談電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔振華

摘要：電力電子技術(shù)正在不斷發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)器件的陸續(xù)誕生，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為現(xiàn)代控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持，在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與實(shí)際工程也取得了可喜成績(jī)。

關(guān)鍵詞：直流輸電；電力電子；發(fā)電機(jī)

1 前言

電力電子技術(shù)是一個(gè)以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺(tái)。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電（HVDC）。自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用。

2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。

2.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。

2.1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。

2.1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)水頭的變化幅度較大時(shí)（尤其是抽水蓄能機(jī)組），機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速變隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機(jī)組變速運(yùn)行，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。

2.1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國(guó)內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國(guó)內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。

2.2 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。

2.2.1 直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術(shù)

直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。

2.2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

FACTS技術(shù)的概念問世于20世紀(jì)80年代后期，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。

20世紀(jì)90年代以來，國(guó)外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。

2.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力（Custom Power）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫FACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場(chǎng)介入相對(duì)容易，開發(fā)投入和生產(chǎn)成本相對(duì)較低，隨著電力電子器件價(jià)格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進(jìn)入快速發(fā)展期。

2.4 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

2.4.1 變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個(gè)方面，通過變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是另一個(gè)方面，只有將二者結(jié)合起來，電動(dòng)機(jī)節(jié)電方較完善。目前，交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會(huì)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機(jī)、泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的效果。國(guó)外變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國(guó)正在推廣應(yīng)用中。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無級(jí)調(diào)速。在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達(dá)30%左右。其缺點(diǎn)主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。

2.4.2 減少無功損耗，提高功率因數(shù)

在電氣設(shè)備中，變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓降低 ，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)懲時(shí)會(huì)引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時(shí)，應(yīng)增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。

3結(jié)束語

文中概述性地介紹電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的各類應(yīng)用，重點(diǎn)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用。