電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉沐欣

摘要：電力系統(tǒng)在發(fā)展中要堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的原則，而電子電力裝置的加入對(duì)電力系統(tǒng)的這一發(fā)展方向有著重要作用，同時(shí)也提升了電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。文章分析了電力電子裝置在安全性能、故障處理性能、電子標(biāo)準(zhǔn)模塊等方面的特點(diǎn)，論證了電力電子在電力系統(tǒng)各工作環(huán)節(jié)的應(yīng)用效果，總結(jié)了電力電子裝置對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)展的作用。

關(guān)鍵詞：電力電子裝置；電力系統(tǒng)；可靠性；電力資源；電力故障 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM764 文章編號(hào)：1009-2374（2016）16-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.021

電力系統(tǒng)負(fù)責(zé)電力資源的分配、規(guī)劃、輸送、電力安全等工作，社會(huì)科技的發(fā)展對(duì)電力資源的需求逐漸增加，這需要電力系統(tǒng)在新時(shí)期不斷做出科學(xué)的調(diào)整，配合社會(huì)需求。石油資源緊缺與自然環(huán)境的危機(jī)促使國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)提出堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的要求，需要電力系統(tǒng)做出智能化、可持續(xù)發(fā)展方向的調(diào)整。一套科學(xué)可靠的電力系統(tǒng)改革措施對(duì)現(xiàn)代電力事業(yè)的發(fā)展有著極為重要的作用。

1 電力系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)

電力資源是社會(huì)資源中不可或缺的一部分，電力系統(tǒng)在社會(huì)發(fā)展中的作用是無可替代的。電力系統(tǒng)的出現(xiàn)是基于對(duì)電力資源合理的規(guī)劃與分配，隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在做著同步發(fā)展。社會(huì)可利用資源包括電力資源、水利資源、石油資源等，近年來石油資源出現(xiàn)緊缺、水資源緊張，環(huán)境也出現(xiàn)不斷惡化的現(xiàn)象，要求電力資源在發(fā)展的過程中向環(huán)保、可持續(xù)方向發(fā)展。目前我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展轉(zhuǎn)變主要是主干電網(wǎng)、微型電網(wǎng)及地方電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展形勢(shì)，形成分布式電源與儲(chǔ)能裝置組合的結(jié)構(gòu)，通過相對(duì)靈活的方式輸送與分配電力資源，逐步向智能化靠攏，提升電力系統(tǒng)的安全可靠性，確保供電的安全。除穩(wěn)定的發(fā)展外，同時(shí)積極地研究與外部電氣設(shè)備的結(jié)合效果，其中效果較為顯著的是對(duì)電力電子裝置的研究，對(duì)于電力系統(tǒng)的發(fā)展有著極為重要的作用。

2 電力電子系統(tǒng)的研究分析

2.1 可靠性分析

對(duì)電力電子系統(tǒng)的可靠性研究直接影響到電力電子裝置的開發(fā)、使用與管理。對(duì)于可靠性的研究結(jié)果，可直接用于裝置設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)技術(shù)合理性的判斷，同時(shí)也可以用于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。準(zhǔn)確的可靠性測(cè)試評(píng)估也可以為系統(tǒng)的實(shí)施、維護(hù)與管理提供重要依據(jù)。電力電子裝置的可靠性評(píng)定可以通過系統(tǒng)層面進(jìn)行建模。系統(tǒng)層面可靠性模型主要分為累加模型、組合模型、狀態(tài)模型。對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分解，分為分支子系統(tǒng)，從子系統(tǒng)可靠性模型進(jìn)行電力電子裝置的可靠性分析。分析的結(jié)果直接決定了是否要對(duì)電力電子裝置進(jìn)行調(diào)整。

2.2 應(yīng)對(duì)故障方向分析

無論科技多么發(fā)達(dá)，應(yīng)對(duì)問題措施多么完全，電力運(yùn)行中故障仍是不可避免的。在電力運(yùn)行的重要位置中，一旦電力電子裝置出現(xiàn)故障將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在運(yùn)行的裝置與可離線維修的裝置可進(jìn)行熱管理，使故障發(fā)生頻率得到降低。在子系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，電力電子裝置擁有容錯(cuò)運(yùn)行性能，可改變調(diào)制策略或改變控制方向，將出現(xiàn)故障的位置隔離，避免整體裝置承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。容錯(cuò)運(yùn)行主要包括兩個(gè)方向，即降級(jí)運(yùn)行與準(zhǔn)正常運(yùn)行方式：降級(jí)運(yùn)行是使用變換器的冗余性能，如裝置中出現(xiàn)的問題在可容納范圍內(nèi)，仍可以實(shí)現(xiàn)其主要功能。降級(jí)運(yùn)行操作方式相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)成本的要求也相對(duì)較低；準(zhǔn)正常運(yùn)行是將冗余性能增加了功率器件，使其裝置在出現(xiàn)故障時(shí)仍能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)自身功能。

2.3 硬件回路仿真分析

電力電子裝置在設(shè)計(jì)中需要涉及到硬件、軟件及測(cè)試等多個(gè)步驟。電力電子裝置系統(tǒng)的半實(shí)物仿真指的是，硬件在回路仿真技術(shù)可提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與有效性驗(yàn)證速度，可仿照不同運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)故障模擬與隨時(shí)取得任意信號(hào)。與電力系統(tǒng)中半實(shí)物仿真的區(qū)別是，電力電子仿真中必須能在超低延遲計(jì)算中才可以確切地模擬硬件動(dòng)態(tài)。而FPGA技術(shù)具有超低延遲計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，極大地提升了模擬計(jì)算的速度，目前已經(jīng)成為電力電子系統(tǒng)半實(shí)物仿真過程的最佳選擇。FPGA技術(shù)的有效實(shí)施主要受制于電力電子系統(tǒng)的模型?，F(xiàn)在發(fā)展的仿真過程中，功率元件使用的是理想開關(guān)模型與開關(guān)函數(shù)模型兩種方式。功率器件模型作為其基礎(chǔ)，搭建變化器系統(tǒng)的離散式模型。由于變化器系統(tǒng)的非線性特征與開關(guān)特征，離散化方程的計(jì)算方式需符合變換器非線性與功率器件的需求。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)模塊整合分析

電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的意義是將功率器件、門極驅(qū)動(dòng)電路、可編程處理器與其相關(guān)元件集中至同一模塊中，使該模塊同時(shí)兼具預(yù)定功能與標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口。電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊在一定程度上縮小了電力電子裝置的成本、損耗與體積?，F(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)模塊集成的主要方式包括硅片集成、封裝集成與三維集成三種。硅片集成與封裝集成不適合過大電流的場(chǎng)合的高功率變換器使用。三維集成方式可提升模塊空間利用率與變換器的功率密度。

3 電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用狀態(tài)

3.1 在發(fā)電工作中的應(yīng)用

電力電子在電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁：大型的發(fā)電機(jī)組多使用靜置勵(lì)磁技術(shù)，此技術(shù)相對(duì)調(diào)節(jié)速度快、操控方便。水利發(fā)電機(jī)組常使用交流勵(lì)磁技術(shù)，將勵(lì)磁電流頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使發(fā)電系統(tǒng)加快對(duì)水頭壓力及水量的調(diào)整，整體提高了發(fā)電質(zhì)量；（2）風(fēng)力發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電的主要步驟是變流器的工作。風(fēng)力變流器使用整流器設(shè)備使不受控制的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電壓與可使用電能。后期變流器的不斷發(fā)展使其性能極大提升，提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電容量與電壓等級(jí)；（3）光伏電站：光伏電站是將太陽能集中處理的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段大型光伏發(fā)電系統(tǒng)處于發(fā)展推廣的階段，存在光伏陣列組合的熱斑效應(yīng)與逆變器組合的特征未理想化等問題，證明光伏發(fā)電的建設(shè)需要充分考慮光伏陣列的組合方式與逆變器的組合方式因素。

3.2 在電能存儲(chǔ)工作中的應(yīng)用

電能存儲(chǔ)的技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中起到調(diào)整高峰負(fù)荷供電作用，提升了現(xiàn)階段電力設(shè)備的使用率和電網(wǎng)的使用效率，同時(shí)可科學(xué)地面對(duì)電力故障問題，從根本上提高了電力的質(zhì)量與用電效率。儲(chǔ)能方式中相對(duì)高效的是如下三種：（1）調(diào)速抽水儲(chǔ)能，在抽水儲(chǔ)能電站工作過程中，上下水庫(kù)的差距逐漸產(chǎn)生變化，導(dǎo)致抽水儲(chǔ)能電站的工作在不斷的變速下才可以達(dá)到最佳效果；（2）其使用的原理是在電力系統(tǒng)用電低時(shí)，使剩余的電量推動(dòng)空氣壓縮機(jī)，通過高壓空氣的方式將能量?jī)?chǔ)存；（3）電池儲(chǔ)能方式，電池通常是使用鋰離子電池、鈉硫電池與全釩液流電池。

3.3 在微型電網(wǎng)中的應(yīng)用

微型電網(wǎng)是小型發(fā)電配電系統(tǒng)，由分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、變化器等裝置組成。使用功率變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使微型電網(wǎng)與外界電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到局部功能平衡與局部能量?jī)?yōu)化。外界電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)，經(jīng)由變換器解列，使微型電網(wǎng)進(jìn)入到獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，使其繼續(xù)向較為主要的位置輸電，加強(qiáng)了用電安全性。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，分布式電源以微型電網(wǎng)方式連接到外界電網(wǎng)進(jìn)行同步運(yùn)行，充分發(fā)揮了分布式電源的效果。使用微型電網(wǎng)過程中，分布式電源與儲(chǔ)能裝置的連接，使用多個(gè)變換器的方式進(jìn)行或者使用一個(gè)多變接口的變換器進(jìn)行。其中使用多個(gè)變換器過程中，不同的控制器處于獨(dú)立位置，需進(jìn)行通信方式調(diào)節(jié)工作進(jìn)程，特點(diǎn)是成本高、通信市場(chǎng)不可控制。多變形式的變換器在使用過程中，可達(dá)到輸入輸出變換器，特點(diǎn)是提升可再生能源的利用率與完善能源管理。

3.4 在電力輸送工作中的應(yīng)用

在電力輸送工作中的應(yīng)用主要從三個(gè)方面來展現(xiàn)：（1）直流輸電：直流輸電主要分為常規(guī)式與柔性直流輸電，常規(guī)形式使用晶閘管作用下的換流器，柔性直流輸電使用全控器件作用下的換流器。二者相比較，柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)是，有功功率與無功功率的獨(dú)立操控、不需要無功補(bǔ)償裝置、可以向無電源負(fù)荷供電等；（2）分頻輸電：分頻輸電方式使用較低的頻率進(jìn)行輸送電能，極大地降低了交流輸電線路距離，增強(qiáng)了傳輸性能。在水利發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，相對(duì)適于使用低頻進(jìn)行電能的輸送；（3）固態(tài)變換器：固態(tài)變換器的特點(diǎn)是，可以對(duì)電壓的幅值、頻率、相數(shù)與形狀等特點(diǎn)進(jìn)行交換，屬于新型變壓器。固態(tài)變壓器擁有其潮流控制、調(diào)整電能質(zhì)量等功效，有效地提升了電力系統(tǒng)輸電的安全性與靈活性。

4 結(jié)語

電力資源對(duì)社會(huì)的發(fā)展有著不可忽視的作用，電力系統(tǒng)作為電能資源的主要戰(zhàn)場(chǎng)，有其不可推卸的責(zé)任，所以電力系統(tǒng)在不斷發(fā)展中要做出科學(xué)合理的調(diào)整，以滿足于社會(huì)發(fā)展下的需求。電力電子裝置應(yīng)用到電力系統(tǒng)的發(fā)電、存儲(chǔ)電能、微型電網(wǎng)等方面，有效地改善了電力系統(tǒng)的性能，推動(dòng)了電力系統(tǒng)改革的進(jìn)程。通過全文內(nèi)容所提出的電力電子的可靠性、故障反應(yīng)性能、硬件在回路仿真等性能，可以在這些方向進(jìn)行長(zhǎng)久的發(fā)展與不斷的開發(fā)，將促使電力電子裝置延長(zhǎng)使用壽命與降低成本、高效使用等方面的發(fā)展。將電力電子系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，是一次大膽的嘗試，同時(shí)也是一次具有科學(xué)性的嘗試，為電力系統(tǒng)的高效發(fā)展提供了強(qiáng)有力的理論支持。

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