電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

馬宇馳

【摘 要】電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是電力、電子和控制三大領(lǐng)域的邊緣學(xué)科，以電力變換為主要研究內(nèi)容。介紹了電子電子技術(shù)的發(fā)展，從靜止無功補償裝置、高壓直流輸電技術(shù)、電機及有源電力濾波等幾個方面闡述了電力電子技術(shù)的作用。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中必將獲得長遠的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 電力系統(tǒng) 有源電力

【中圖分類號】TM1【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0276-01

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。柔性交流輸電亦依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)。無功補償和諧波抑制對電力系統(tǒng)有重要意義，晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無功補償裝置。靜止同步補償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功補償和諧波補償?shù)男阅堋Ｖ绷麟娫春筒婚g斷電源（UPS）還用作發(fā)電廠和變電所的保護電源、事故電源和備用電源。電力電子裝置在電力系統(tǒng)中隨處可見。

一、電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子技術(shù)分為器件的制造技術(shù)和電力電子電路的應(yīng)用電路（變流技術(shù)）。電力電子器件經(jīng)歷了半控型（第一代電力電子器件）、全控型（第二代電力電子器件）和復(fù)合型（第三代電力電子器件）的發(fā)展過程，把驅(qū)動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），目前其功率較小，但其代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

整流電路在電力電子電路中應(yīng)用最廣，20世紀80年代后逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，但整流電路仍占重要地位。隨著自關(guān)斷器件的普遍應(yīng)用，電力電子電路向高頻化反向發(fā)展，一些新的電路拓撲形式比如諧振型逆變電路、矩陣式逆變電路等不斷涌現(xiàn)。PWM控制對推動電力電子技術(shù)的發(fā)展起了歷史性作用，其它控制方式比如應(yīng)用靜止/旋轉(zhuǎn)坐標變換的矢量控制、瞬時無功功率控制、自適應(yīng)控制、采用狀態(tài)觀測器的控制、模糊控制、神經(jīng)元控制等，這使得電力電子系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到一個嶄新的階段。目前應(yīng)用越來越廣的基于微處理器的數(shù)字控制技術(shù)在很多方面取代了模擬控制，是控制技術(shù)的一個新的發(fā)展方向。

二、靜止無功補償裝置

靜止型動態(tài)無功補償裝置廣泛應(yīng)用于提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量、對沖擊性負荷的無功補償和閃變抑制等領(lǐng)域。FACTS技術(shù)（靈活交流輸電系統(tǒng)）從根本上改變了交流電網(wǎng)過去基本上只依靠緩慢、間接以及不精確設(shè)備進行機械控制的局面，對提高輸電系統(tǒng)的輸送功率和潮流控制能力以及改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)振蕩等具有明顯作用。常見的F A C T S裝置包括靜止無功補償器（S V C）、靜止同步補償器（STATCOM）、可控串聯(lián)補償器（TCSC）、晶閘管控制移相器（TCPST）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）、不間斷電源（UPS）、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）等。無功功率補償可提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗，穩(wěn)定受電端和電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量，在電氣化鐵道中平衡三相的有功及無功負載。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、可控串聯(lián)補償裝置（TCSC）等。SVC可作為系統(tǒng)補償和負荷補償，還廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電換流站的無功補償和抑制電弧爐等大型沖擊負荷造成的電壓閃變和電壓波動。

TCR的單相基本結(jié)構(gòu)是兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以改變電抗器電流的大小，即可以達到連續(xù)調(diào)整電抗器的基波無功功率的目的。TCR通常采用支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式。

TSC具有無機磨損、響應(yīng)速度快、平滑投切以及良好的綜合補償效果等優(yōu)點。靜止同步補償器專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器進行動態(tài)無功補償?shù)难b置，與SVC相比，其調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。其基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。可控串聯(lián)補償裝置（TCSC）由電容器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成。調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角可以改變通過電抗器的電流，使補償裝置的基頻等效電抗在一定范圍內(nèi)聯(lián)系變化。其不僅可以進行參數(shù)補償，控制系統(tǒng)還引入附加阻尼控制環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)的阻尼狀況，有利于抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。

三、高壓直流輸電技術(shù)

高壓直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流器整流為直流電，通過輸電線路把直流電送入受電端，再把直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┯脩羰褂谩８邏褐绷鬏旊娋哂袀鬏敼β蚀?、線路造價低、控制性能好等優(yōu)點，是目前解決高電壓大容量、長距離輸電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。直流輸電架空線路的造價低、損耗小，不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題，可以實現(xiàn)額定頻率不同的電網(wǎng)的互聯(lián)，易于實現(xiàn)地下或海底電纜輸電，易于進行潮流控制，便于分級分期建設(shè)和增容擴建。

直流輸電工程按照直流聯(lián)絡(luò)線可分為單級聯(lián)絡(luò)線、雙極聯(lián)絡(luò)線、同極聯(lián)絡(luò)線和背靠背直流輸電系統(tǒng)。換流器完成交—直或直—交轉(zhuǎn)換，由閥橋和帶載抽頭切換器的整流變壓器構(gòu)成，閥橋為高壓閥構(gòu)成的6脈波或12脈波的整流器或逆變器。濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的諧波。平波電抗器可以降低直流線路中的諧波電壓和電流，限制直流線路短路期間的峰值電流，防止逆變器換相失敗和負荷電流不連續(xù)。換流閥是換流器的基本單元設(shè)備，目前絕大多數(shù)直流輸電采用晶閘管閥，此外還有GTO閥、IGBT閥等。換流器有6脈動和12脈動兩種。

四、在電機中的應(yīng)用

水力發(fā)電機所能發(fā)出的電量取決于水力壓力和流量，所以機組的發(fā)電量將會發(fā)生很大變化；風力發(fā)電機所能發(fā)出的電量與風速的三次方成正比。因此機組是變速運行的，如果調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，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，就能夠獲得最大有效功率。電力電子裝置在水力、風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁中起到了非常重要的作用。采用半導(dǎo)體晶閘管整流和并勵性能構(gòu)成的靜止勵磁系統(tǒng)，具有技術(shù)結(jié)構(gòu)簡易、穩(wěn)定性高及材料價格低廉的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用。其省略了勵磁機的中間慣性環(huán)節(jié)，可達到快速調(diào)節(jié)。

五、有源電力濾波器

有源電力濾波器的基本思想是從補償對象中檢測出諧波電流等分量，由補償裝置產(chǎn)生一個與該分量大小相等而極性相反的補償電流分量，抵消諧波電流分量從而是流入電網(wǎng)的電流只含基波分量，其理論基礎(chǔ)是瞬時無功功率理論。具有動態(tài)響應(yīng)速度快、補償功能多樣化、補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響等特點，是抑制諧波的一個重要發(fā)展方向。有源電力濾波器包含指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個部分，前者用來檢測出補償對象中的諧波和無功電流等分量，后者根據(jù)檢測電路所得出的補償電流指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。其電路形式主要采用PWM變流器。

六、結(jié)束語

電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，以電力變換為主要研究內(nèi)容。對電能進行變換和控制的目的是為了更方便、更為有效的使用電能，使電能更好的為人們服務(wù)。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力電子技術(shù)也將獲得長足的發(fā)展，從而為電網(wǎng)長遠發(fā)展打下基礎(chǔ)。

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