論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展

陳萌?趙海承

[摘 要]電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電力學(xué)和控制學(xué)三個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門(mén)新型學(xué)科，是強(qiáng)電和弱點(diǎn)的橋梁，在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。在本文中，主要介紹了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，并依據(jù)它在應(yīng)用中產(chǎn)生的負(fù)面影響提出了發(fā)展解決方案。

[關(guān)鍵詞]電力電子；電力系統(tǒng)；應(yīng)用；發(fā)展

電力電子技術(shù)主要是用半導(dǎo)體電子器件進(jìn)行功率變換、控制及開(kāi)斷電路的應(yīng)用技術(shù)，主要包括電力電子變換技術(shù)和電力電子控制技術(shù)兩個(gè)方向。其中電力電子變換技術(shù)主要是以電力電子變換電路作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的形式的基本功能。

一、電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

發(fā)電環(huán)節(jié)中涉及到電力系統(tǒng)中及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性主要就是采用電力電子技術(shù)手段。

（一）大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制。晶閘管整流自并勵(lì)方式被采用在靜止勵(lì)磁摔制上。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低。因而世界各大電力系統(tǒng)均采用靜止勵(lì)磁控制。這種方式可省去勵(lì)磁機(jī)的中間慣性環(huán)節(jié)，可達(dá)到快速調(diào)節(jié)的效果，使其良好控制性為先進(jìn)的控制規(guī)律提供了最有利條件。

（二）水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁。水頭壓力和流量是決定水利發(fā)電的有效功率的兩個(gè)主要因素，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)速便隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的j次方成正比，風(fēng)車(chē)捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效助率，可使機(jī)組變速運(yùn)行。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定千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。

（三）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)水泵耗電最約占火電設(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)合丹發(fā)。

二、電力電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

（一）電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。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)。高壓直流輸電通常采用可控整流和有源逆變的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流電網(wǎng)的互聯(lián)。不僅可以實(shí)現(xiàn)電能大容量、遠(yuǎn)距離的傳送、兩區(qū)域電網(wǎng)非同步互聯(lián)，還可通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)功率的緊急援助、抑制低頻振蕩、提高交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等。

（二）柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是綜合利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的潮流和參數(shù)進(jìn)行靈活快速調(diào)節(jié)控制，增加系統(tǒng)可控度與提高輸電容量的交流輸電系統(tǒng)。用于配電系統(tǒng)柔性交流輸電技術(shù)為用戶(hù)電力技術(shù)CPT。柔性交流輸電技術(shù)是一種用于遠(yuǎn)距離輸電的靜態(tài)電力電子裝置，核心是FACTS控制器?；贔ACTS產(chǎn)品包括靜止無(wú)功補(bǔ)償品、靜止調(diào)相機(jī)、統(tǒng)一潮流控制器、晶閘管可控串聯(lián)補(bǔ)償器、靜止快速勵(lì)磁器等。高壓直流輸電技術(shù)等用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變，解決了用直流輸電向無(wú)交流電源的負(fù)荷送電的問(wèn)題。電力電子技術(shù)是FACTS和CPT同的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、電力電子技術(shù)在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

（一）變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行。節(jié)電的一個(gè)方面就是挖掘電動(dòng)機(jī)的節(jié)電潛能，另一個(gè)方面是通過(guò)變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)技術(shù)節(jié)電，只有二者結(jié)合才能夠達(dá)到最好的節(jié)電效果。我國(guó)目前的電動(dòng)機(jī)節(jié)電技術(shù)已經(jīng)比較完善，交流調(diào)速技術(shù)在冶金、采礦等方面的普及使得電動(dòng)機(jī)節(jié)電效果更為顯著。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，這種手段在風(fēng)機(jī)、泵等復(fù)合機(jī)械中使用更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。交流調(diào)速在國(guó)外的變負(fù)荷風(fēng)機(jī)、水泵中以及得到廣泛的應(yīng)用，而我國(guó)在這一方面則相對(duì)滯后一些。

調(diào)速范圍廣，精度高，效率高是變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)，這使得無(wú)級(jí)調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)，而且在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)子損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達(dá)30%左右。當(dāng)然，任何事物都有兩面性，節(jié)能的同時(shí)，增加成本是不可避免的，另外調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)也不容忽視。

（二）減少無(wú)功損耗，提高功率因數(shù)。 在電氣設(shè)備中，感件負(fù)載包括變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)等，運(yùn)行過(guò)程中這些設(shè)備在消耗有功功率的同時(shí)還會(huì)存在無(wú)功功率的消耗。因此，無(wú)功電源作為保證電能質(zhì)量不可缺少的一部分，其作用與有功電源是一樣的。無(wú)功平衡是電力系統(tǒng)運(yùn)行中必須遵循的平衡原則，若是打破這個(gè)平衡，那么就意味著系統(tǒng)電壓下降，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故，進(jìn)而造成無(wú)法預(yù)計(jì)的損失。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無(wú)功容量不足時(shí)，應(yīng)增裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。

四、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中所產(chǎn)生的負(fù)面影響及解決方案

（一）電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中產(chǎn)生的負(fù)面影響

21世紀(jì)科技的發(fā)展日新月異，電力電子技術(shù)的發(fā)展更是掀開(kāi)了科技?xì)v史的新的一頁(yè)。但是，隨著電力電子裝置的普及，一些負(fù)面的影響也逐漸浮出水面。這些負(fù)面影響中，諧波污染諧波產(chǎn)生的危害最受人們的關(guān)注，這主要是因?yàn)橹C波的存在會(huì)降低電能產(chǎn)生和傳輸環(huán)節(jié)的效率，進(jìn)而影響到電網(wǎng)上的用電設(shè)備，使它們不能夠正常、有序的運(yùn)行，進(jìn)而影響人們的生產(chǎn)和生活。比如，諧波的存在會(huì)引起振動(dòng)、產(chǎn)生噪聲以及電機(jī)過(guò)熱甚至燒毀等。諧波很容易使電網(wǎng)上無(wú)功補(bǔ)償電容器和系統(tǒng)中的電抗器產(chǎn)生諧振，從而燒毀電容器及電抗器，諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使自動(dòng)控制系統(tǒng)失效：同時(shí)諧波還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致信息丟失、通訊設(shè)備中斷等。

（二）發(fā)展解決方案。目前，無(wú)源濾波器與有源濾波器是諧波抑制的兩種主要的途徑，用無(wú)源電力濾波器進(jìn)行抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功和提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，但濾波效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大，且只能消除特定次數(shù)的諧波，還可能與系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使設(shè)備過(guò)載甚至燒毀，而且裝置笨重，體積大，有效材料消耗多。與無(wú)源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有更大的優(yōu)勢(shì)，有源電力濾波器不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率、抑制閃變、調(diào)節(jié)和平衡三相不平衡電壓。濾波特性不受系統(tǒng)阻抗和頻率的影響，可消除與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)，且對(duì)外電路的諧振具有阻尼作用，能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

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