淺談電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊華

[摘 要]：電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，電工電子技術(shù)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著巨大的作用。本文按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、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。

[關(guān)鍵詞]：電力電子技術(shù) 電力系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)

電力電子技術(shù)是以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐的一個(gè)技術(shù)平臺(tái)。目前在新能源開(kāi)發(fā)、電能質(zhì)量控制和民用產(chǎn)品等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大功率電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中最成功的是直流輸電。二十世紀(jì)八十年代以后，出現(xiàn)了柔性交流輸電概念，于是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和研究引起了巨大關(guān)注。之后許多介紹和總結(jié)相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀層出不窮，多種相關(guān)設(shè)備相繼出現(xiàn)。以下是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中運(yùn)用的詳細(xì)介紹。

一、發(fā)電環(huán)節(jié)

電力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及到發(fā)電組的多種設(shè)備，改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性是電力電子技術(shù)參與應(yīng)用的主要目的。

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，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及造價(jià)相對(duì)比較低，故在世界的各大電力系統(tǒng)被廣泛采用。因?yàn)槭∪チ藙?lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，所以使其具有了特有的快速性調(diào)節(jié)，這樣就給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了發(fā)揮作用和產(chǎn)生良好效果提供了有利條件。

2、水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

水力發(fā)電的有效功率是由水頭壓力和流量決定的。當(dāng)水頭變化幅度較大時(shí)，特別是抽水蓄能機(jī)組變化幅度較大時(shí)，最佳轉(zhuǎn)速會(huì)隨著水頭的變化而變化。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(chē)捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化。要獲得最大的有效功率，可讓機(jī)組變速運(yùn)行，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。變頻電源是此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心。

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值為8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，不僅耗量大且運(yùn)行效率低。要想達(dá)到節(jié)能的目的，在低壓或高壓變頻器使用時(shí)采用風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速，從而減少電量的消耗?，F(xiàn)在，低壓變頻器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)廠家也很多，只不過(guò)系列產(chǎn)品還不夠完整。同時(shí)具備高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的企業(yè)還是比較少，目前國(guó)內(nèi)有很多院校和企業(yè)抓緊聯(lián)合開(kāi)發(fā)，以滿足生產(chǎn)需求。

二、輸電環(huán)節(jié)

電力電子器件在高壓輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用被稱為“硅片引起的第二次革命”，電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性的到了大幅度的改善。

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

直流輸電電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)非常靈活，但它對(duì)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)，高壓直流輸電優(yōu)勢(shì)獨(dú)特。一九七零年世界上出現(xiàn)了第一項(xiàng)晶閘管換流器，它宣告著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。此后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。

2、柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

二十世紀(jì)八十年代后期，F(xiàn)ACTS技術(shù)的概念問(wèn)世。FACTS技術(shù)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)，可以靈活控制交流輸電功率潮流，大大提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二十世紀(jì)九十年代后，國(guó)外開(kāi)始研究將FACTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統(tǒng)工程當(dāng)中，使其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，成本較低。

三、配電環(huán)節(jié)

加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量是配電系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題。電能質(zhì)量控制不僅要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾，還要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求。用戶電力（Custom Power）技術(shù)或稱為DFACTS技術(shù)，是在成熟的FACTS技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電能質(zhì)量控制新技術(shù)，它是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。其實(shí)DFACTS設(shè)備就是FACTS設(shè)備的縮小版，因?yàn)槠湓?、結(jié)構(gòu)、功能是很相似的。由于市場(chǎng)的需求較大，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本較低，再加上電力電子器件價(jià)格日益降低，所以發(fā)展空間不斷增大，可以預(yù)計(jì)DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將迅速進(jìn)入快速發(fā)展階段。

四、節(jié)能環(huán)節(jié)

1、變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行

要想在節(jié)能環(huán)節(jié)有所成就，電動(dòng)機(jī)本身節(jié)電是一個(gè)方面，通過(guò)變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是一個(gè)方面，只有二者結(jié)合起來(lái)，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能才能達(dá)到良好的效果。目前，在國(guó)外多采用了變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵采用交流調(diào)速，我國(guó)也正在逐漸推廣。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)流量和水流量收到良好的效果，其特點(diǎn)是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，還可實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)速，在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，可以達(dá)到30% 的節(jié)電率。缺點(diǎn)是成本較高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。

2、減少無(wú)功損耗，提高功率因數(shù)

在電氣設(shè)備中，屬于感性負(fù)載的變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行的過(guò)程中同時(shí)消耗有功功率和無(wú)功功率。保證電能質(zhì)量無(wú)功電源與有功電源是一樣的，所以在電力系統(tǒng)中必須要保持無(wú)功平衡，不然就會(huì)系統(tǒng)電壓降低、設(shè)備遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成大面積的停電事故。因此，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無(wú)功容量不足時(shí)，必須要增裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，才能提高設(shè)備功率因數(shù)。

綜上所述，電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，只有不斷的加大已有研究成果的技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)行投入，不斷改善經(jīng)濟(jì)可行性，才能大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大效益。

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