電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：隨著自動化技術(shù)高度發(fā)展，電子控制設(shè)備和系統(tǒng)的功能日趨復(fù)雜，規(guī)模也越來越大，使得電子設(shè)備的抗干擾問題具有更大的復(fù)雜性和普遍性，抗干擾問題已成為電子控制設(shè)備領(lǐng)域的一個既重要又迫切解決的實(shí)際問題，對電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：電力電子；裝置；電力系統(tǒng)

隨著電網(wǎng)互聯(lián)的規(guī)模越來越大，保證并且提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性已經(jīng)越來越引起人們的重視；眾所周知，提高電網(wǎng)的充裕度是確保電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的最基本的措施，關(guān)鍵所在即是如何大幅度提高超高壓交流輸電系統(tǒng)的輸電能力。而電力電子換流技術(shù)及直流輸電技術(shù)的引入，可以改善電力系統(tǒng)可控性及可靠性，從而使大幅度提高輸電線路的傳輸能力及電網(wǎng)的可靠性成為可能，這方面國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很廣泛且深入的研究。本文介紹了電力電子裝置在發(fā)電、儲能、微型電網(wǎng)輸電和電能質(zhì)量方面的主要應(yīng)用，分析了電力電子裝置對于電力系統(tǒng)性能改善的作用，對電力電子裝置的可靠性評估、故障運(yùn)行管理、硬件在回路仿真和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊技術(shù)進(jìn)行了論述。

1、電力系統(tǒng)中電力電子裝置

光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波器和升壓變壓器構(gòu)成，是大規(guī)模集中利用太陽能的有效方式。通過給并聯(lián)逆變器施加、電網(wǎng)友好、的控制方案、光伏電站可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，有源濾波和動態(tài)電壓補(bǔ)償?shù)裙δ?。目前，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)正處于從示范到大范圍推廣應(yīng)用的關(guān)鍵階段，還存在光伏陣列組合的多峰值特性和熱斑效應(yīng)，逆變器組合的非理想特性等技術(shù)問題。因此，光伏電站的科學(xué)設(shè)計需要綜合考慮光伏陣列的組合方式逆變器的組合方式及其并網(wǎng)拓?fù)涞纫蛩?。大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用靜止勵磁技術(shù)，與勵磁機(jī)相比，具有調(diào)節(jié)速度快，控制簡單的特點(diǎn)，顯著提高了發(fā)電廠的運(yùn)行性能和效率。水力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用交流勵磁技術(shù)，通過對勵磁電流頻率的動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)對水頭壓力和水流量動態(tài)變化的快速調(diào)節(jié)，改善了發(fā)電品質(zhì)，提升了發(fā)電效率。變流器是風(fēng)力發(fā)電中不可或缺的核心環(huán)節(jié)。風(fēng)電變流器通過整流器和逆變器將不穩(wěn)定的風(fēng)能變換為電壓、頻率和相位符合并網(wǎng)要求的電能。隨著變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩電平、三電平向H橋級聯(lián)型、有源中點(diǎn)鉗位、模塊化多電平換流器等多電平拓?fù)浞较虬l(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量和電壓等級逐步提高，有效降低了線路損耗和傳輸導(dǎo)線成本，促進(jìn)了風(fēng)電特別是海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)。目前國際上新的并網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時，發(fā)電系統(tǒng)需具備有功功率控制，無功功率調(diào)節(jié)，并網(wǎng)頻率變化，故障穿越和低電壓穿越能力。

2、電力電子裝置的研究視角

2.1可靠性評估

電力電子裝置的可靠性、故障率、平均無故障運(yùn)行時間、平均維護(hù)時間和使用率等指標(biāo)直接決定了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效能。因此，對可靠性進(jìn)行評估是采取有效措施提升裝置安全性的基礎(chǔ)，可靠性評估有利于電力電子裝置的設(shè)計和運(yùn)行管理，定量評估的結(jié)果可用于確定設(shè)計是否符合技術(shù)規(guī)范。也可以作為比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制策略和元件可靠性的準(zhǔn)則。此外，精確的可靠性預(yù)測也可為系統(tǒng)運(yùn)行，維護(hù)和管理提供重要指導(dǎo)。

2.2故障運(yùn)行管理

盡管有各種手段可以提高系統(tǒng)的可靠性，但是故障是不可避免的，在一些重要應(yīng)用場合，電力電子裝置因故障而導(dǎo)致停機(jī)會造成嚴(yán)重危害。對于已運(yùn)行和允許離線維護(hù)的裝置，可通過熱管理和故障管理的方法來降低故障率。功率器件發(fā)生故障的主要原因是過溫或溫度循環(huán)波動，主動熱管理技術(shù)通過控制器件的工作方式，調(diào)節(jié)器件損耗，避免穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力引起器件失效。故障管理包括故障診斷和預(yù)測，準(zhǔn)確及時的故障診斷是電力電子裝置進(jìn)行容錯運(yùn)行或采取保護(hù)措施的依據(jù)，故障診斷通過將功率器件或變換器端口的電壓電流特性與設(shè)定的正常性能指標(biāo)進(jìn)行比較來發(fā)現(xiàn)和識別故障，故障預(yù)測根據(jù)元件和子系統(tǒng)的故障機(jī)理來推測它們的剩余使用年限，為提前采取預(yù)防或補(bǔ)救措施提供參考。當(dāng)元件或子系統(tǒng)發(fā)生故障時，具有容錯運(yùn)行能力的電力電子裝置可以通過改變調(diào)制策略或控制方法來隔離故障部分，避免整套裝置失效。容錯運(yùn)行包括降級運(yùn)行和準(zhǔn)正常運(yùn)行，降級運(yùn)行是利用變換器固有的冗余能力，使裝置在可容忍的故障發(fā)生后還能實(shí)現(xiàn)主要功能，但會降低輸出電壓、輸出功率和電能質(zhì)量等，降級運(yùn)行具有簡單。

2.3硬件在回路仿真

電力電子裝置開發(fā)涉及硬件，軟件和測試多個環(huán)節(jié)。裝置樣機(jī)的直接開發(fā)和驗(yàn)證具有周期長，調(diào)試?yán)щy和設(shè)計方案變更成本高的特點(diǎn)。采用實(shí)際裝置的小功率硬件模型對系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證時，裝置中的部分參數(shù)和特性在模型中無法得到合理模擬，且系統(tǒng)保護(hù)方案的真實(shí)度有限。電力電子系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，即硬件在回路仿真技術(shù)，可以加快系統(tǒng)設(shè)計與測試有效性的驗(yàn)證，便于控制器的開發(fā)，能夠模擬所有運(yùn)行工況，易于實(shí)現(xiàn)故障模擬和實(shí)時獲取任意信號。與電力系統(tǒng)的半實(shí)物仿真不同，在電力電子系統(tǒng)的半實(shí)物仿真中需要超低延遲計算才可以準(zhǔn)確模擬硬件的動態(tài)特性和靈活模擬系統(tǒng)的極端工況?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)擁有超低延遲和大規(guī)模并行處理的優(yōu)勢，可提高模擬計算的處理速度，結(jié)構(gòu)充足度和建模復(fù)雜度，現(xiàn)已成為電力電子系統(tǒng)半實(shí)物仿真中的首選方案。

3、結(jié)束語

電力電子裝置在發(fā)電、儲能、微型電網(wǎng)、輸電和電能質(zhì)量中應(yīng)用后，改善了電力系統(tǒng)的性能，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的漸變轉(zhuǎn)型，可靠性評估、故障運(yùn)行管理、硬件在回路仿真和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊分別是裝置設(shè)計、運(yùn)行、研發(fā)和制造方面的關(guān)鍵技術(shù)。在這些方面開展系統(tǒng)化的深入研究，有利于電力電子裝置長壽命，低成本和高安全性的實(shí)現(xiàn)。針對電力系統(tǒng)的需求，有針對性地攻克電力電子裝置應(yīng)用中的若干技術(shù)難題，可以為電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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