電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

高學(xué)林

【摘要】電力電子裝置是電力系統(tǒng)走向智能化的一項重要設(shè)備。為了實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠性，關(guān)鍵需要提高高壓交流輸電系統(tǒng)的輸電能力。電力電子裝置運用直流輸電技術(shù)，改善了電力系統(tǒng)的可控性能。為了進(jìn)一步提高電力電子裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)型，本文對電力電子裝置在電力系統(tǒng)的發(fā)電、存儲、輸電等方面所發(fā)揮的作用進(jìn)行詳細(xì)的研究。

【關(guān)鍵詞】電力電子裝置;電力系統(tǒng);應(yīng)用分析

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子控制設(shè)備的規(guī)模越來越大，對電力電子換流技術(shù)的研究也進(jìn)一步加強。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)的規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可靠運行，電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究成為一個重要問題，加強對電子設(shè)備抗干擾性的研究更是重中之重。

1.當(dāng)前的電力系統(tǒng)簡介

電力系統(tǒng)在當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色，發(fā)揮著不可替代的作用，它是能源利用、輸送以及配給的主要載體?；茉匆约皻夂颦h(huán)境的危機(jī)致使電力系統(tǒng)正由規(guī)?；陌l(fā)展轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展以及智能化發(fā)展的模式。當(dāng)前電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的特征主要表現(xiàn)在：主干電網(wǎng)、微型電網(wǎng)以及地方電網(wǎng)的配合，分布式電源和儲能裝置的大規(guī)模接入，靈活高效的輸電方式，配電以及用電的智能化，以及逐步提高的供電質(zhì)量和可靠性。

在電力系統(tǒng)中，許多功能的實現(xiàn)都需要靠電力電子裝置來完成。比如說可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電、無功和諧波的動態(tài)補償、儲能裝置的功率轉(zhuǎn)換、配用電能的雙向流動、交直流電網(wǎng)的柔性互聯(lián)等。

隨著科技的日益發(fā)展，大功率、高電壓電力電子器件的發(fā)展，變換器單元化、模塊化以及智能化水平的提高，控制機(jī)調(diào)制策略性能的提升，電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的作用會越來越大。

2.電力電子裝置在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用分析

2.1 發(fā)電機(jī)組勵磁

相比使用勵磁機(jī)，大型發(fā)電機(jī)組運用靜止勵磁技術(shù)，有著控制簡單、調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點，在機(jī)組運行中大幅增加了發(fā)電廠的運行性能及效率。水力發(fā)電機(jī)組通過對勵磁電流頻率的動態(tài)調(diào)整，運用交流勵磁技術(shù)，達(dá)到了發(fā)電系統(tǒng)對水頭壓力與水流量動態(tài)變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)的目的，發(fā)電效率得到增加，發(fā)電品質(zhì)也更加完善。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

交流器是風(fēng)力發(fā)電中必不可少的中心環(huán)節(jié)。經(jīng)過整流器及逆變器，風(fēng)電交流器把不太穩(wěn)定的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電壓、頻率及相位符合并網(wǎng)要求的電能。交流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩電平、三電平向多電平拓?fù)洌ㄓ性粗悬c鉗位、H橋級聯(lián)型、模塊化多電平換流器等）方向的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓等級及容量也在進(jìn)一步的提高，有效地降低了線路損耗及傳輸導(dǎo)線的成本，大幅推進(jìn)了風(fēng)電，尤其是海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)。當(dāng)前國際上新的并網(wǎng)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)需要具備有功功率控制、并網(wǎng)頻率變化、無功功率調(diào)節(jié)、故障穿越以及低電壓穿越能力等。

2.3 光伏電站

大型光伏電站是大規(guī)模對太陽能進(jìn)行集中利用的高效方法，其由光伏陣列組件、匯流器、濾波器、逆變器組以及升壓變壓器組成。光伏電站能夠通過給并聯(lián)逆變器采用“電網(wǎng)友好”的控制方案，實現(xiàn)有源濾波、動態(tài)電網(wǎng)補償以及無功補償?shù)裙δ堋．?dāng)前，由于大型光伏電站尚面臨著多峰值特性及熱斑效應(yīng)、逆變器組合的非理想特性等技術(shù)問題，并且大型光伏發(fā)電系統(tǒng)正處在從示范到大范圍推廣應(yīng)用的關(guān)鍵階段，所以對光伏電站的科學(xué)設(shè)計還需要綜合考慮光伏陣列、逆變器的組合方式及其并網(wǎng)拓?fù)涞纫蛩亍?/p>

3.電力電子裝置在電能存儲環(huán)節(jié)的應(yīng)用分析

3.1 壓縮空氣儲能

近幾年對壓縮空氣儲能理論的研究逐漸興起，理論的進(jìn)展推動了該系統(tǒng)的實踐發(fā)展。從理論上看，壓縮空氣儲能主要利用電力系統(tǒng)的用電電荷對儲氣空間的空氣進(jìn)行控制。當(dāng)電力系統(tǒng)進(jìn)入用電高峰期時，富余電量能夠驅(qū)動空氣壓縮機(jī)，將能量轉(zhuǎn)化為高壓空氣儲存起來;當(dāng)電壓的負(fù)荷進(jìn)入高峰期時，再將儲氣空間中的高壓空氣釋放出來，進(jìn)一步驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。實際運行中，壓縮空氣儲能能夠通過變頻驅(qū)動技術(shù)調(diào)整電網(wǎng)的負(fù)荷，從而適應(yīng)儲能發(fā)電的需要，提高了空氣壓縮的效率。發(fā)電的過程中能夠通過控制發(fā)電機(jī)的勵磁拓寬發(fā)電的范圍，提高發(fā)電的效率。

3.2 可調(diào)速抽水儲能

抽水儲能需要借助于上下水庫的落差控制發(fā)電系統(tǒng)的工作。在進(jìn)行抽水蓄能發(fā)電時，需要利用上下水庫的落差和變速實現(xiàn)最佳發(fā)電狀態(tài)?？烧{(diào)速抽水儲能則主要利用了轉(zhuǎn)子組勵磁方式，采用基于晶閘管的周波變換器或者基于全控期間的電壓型、電流型變化其進(jìn)行電壓電流的控制。抽水蓄能主要利用不同轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率和幅值進(jìn)行有功出力和無功出力的獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)機(jī)組啟動和運行模式的切換，促使電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相等工作的開展。

3.3 電池儲能

電池儲能主要采用鋰離子電池、鈉離子電池和全釩液流電池等電池，通過小功率的DC/DC變換器進(jìn)行電池模塊的電流均衡調(diào)節(jié)。大功率的DC/DC變換器集成到電池模塊內(nèi)，通過電池模塊輸出接口實現(xiàn)串并聯(lián)，實現(xiàn)直流母線電壓等級的提高和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)化。

4.電力電子裝置在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用分析

4.1 分頻輸電

在當(dāng)前水能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的發(fā)電系統(tǒng)中，較多的采用了分頻輸電的方式。分頻輸電主要利用較低的頻率傳輸電能，減少了交流輸電線路的電氣距離，提高了傳輸?shù)男?，抑制了電壓波動?/p>

4.2 直流輸電

直流輸電一般應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、城市供電和電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。直流發(fā)電包括常規(guī)的直流輸電和柔性直流輸電。常規(guī)直流輸電采用晶閘管換流器進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)換，柔性直流輸電采用了全控器件換流器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換。柔性直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率與無功功率的獨立調(diào)控，無需進(jìn)行濾波，能夠?qū)崿F(xiàn)無功補償和無源負(fù)荷供電等功能。

4.3 固態(tài)變壓器

固態(tài)變壓器能夠?qū)㈦娏﹄娮愚D(zhuǎn)換技術(shù)與電磁耦合電能變換技術(shù)結(jié)合起來，從而實現(xiàn)對電壓或電流的幅值、相位等特征進(jìn)行調(diào)節(jié)。固態(tài)變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)潮流控制，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，具有更好的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活輸電，能夠更有效的控制電能傳輸。

5.結(jié)語

電力電子裝置的研究和開發(fā)有利于提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化控制，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的智能化轉(zhuǎn)型。在電力電子裝置的研究中，除了應(yīng)當(dāng)對電力電子裝置的應(yīng)用范圍和方式進(jìn)行研究之外，還應(yīng)當(dāng)加強對電力電子裝置的可靠性、故障運行、回路仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以促進(jìn)電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]姜建國，喬樹通，郜登科.電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，3（5）：52-53.

[2]魏志芬，郝夢薇.探究電力系統(tǒng)中電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用分析[J].電子世界，2014，5（8）：85-86.

[3]劉永軍.淺談電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2013，16（4）：156-158.