電力電子技術(shù)在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉禹延

摘要：本文對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)介紹了其在電路系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、節(jié)能環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 電路系統(tǒng) 應(yīng)用

電力電子技術(shù)是從上世紀(jì)開始發(fā)展起來的，也稱為功率電子技術(shù)，它具有的特點(diǎn)是：小體積、小重量、大容量、低損耗、較長(zhǎng)的使用壽命，而且方便維護(hù)、有優(yōu)異的控制性能。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍特別廣，涉及通信、電器等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用在電路系統(tǒng)是其中一個(gè)重要方面，因此，研究電力電子技術(shù)在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用尤為重要。

1 電力電子技術(shù)介紹

電力電子技術(shù)是一個(gè)由多種技術(shù)支撐的平臺(tái)，不僅包括功率半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代控制技術(shù)，還包括計(jì)算機(jī)技術(shù)和電路技術(shù)。在近五十年來發(fā)展迅速，應(yīng)用的范圍也從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備以及電能質(zhì)量控制逐漸發(fā)展到新能源開發(fā)，而且在民用產(chǎn)品方面也有較廣泛的應(yīng)用。在電力電子技術(shù)眾多的應(yīng)用方面中，應(yīng)用于電路系統(tǒng)，尤其是直流輸電的大功率電力電子技術(shù)是其中的重要方面。自本文分別介紹了將此技術(shù)應(yīng)用在電路系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電和節(jié)能這四個(gè)環(huán)節(jié)。

2 電力電子技術(shù)在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用

自柔性交流輸電概念出現(xiàn)后，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注電力電子技術(shù)，并積極聯(lián)合多種技術(shù)，開發(fā)出許多相關(guān)的支持和應(yīng)用設(shè)備。下面對(duì)電力電子技術(shù)的多個(gè)電路系統(tǒng)應(yīng)用方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 將電力電子技術(shù)應(yīng)用在發(fā)電環(huán)節(jié)

在發(fā)電環(huán)節(jié)，可以將電力電子技術(shù)應(yīng)用在發(fā)電環(huán)境中的發(fā)電環(huán)節(jié)，涉及到的設(shè)備包括發(fā)電機(jī)組的大多數(shù)設(shè)備。在這種情況下，電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行特性改善的目的。第一種情況是用于靜止勵(lì)磁，尤其是對(duì)于大型發(fā)電機(jī)，采用晶閘管整流方式，利用靜止勵(lì)磁的自并勵(lì)方式，具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠獲得極高的可靠性，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)也不高，所以其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)獲得了國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者的青睞。在這一項(xiàng)應(yīng)用中，將中間的慣性環(huán)節(jié)也就是勵(lì)磁機(jī)部分省去了，所以它的調(diào)節(jié)速度更快。調(diào)節(jié)速度的加快對(duì)于更好的控制規(guī)律的應(yīng)用更為有益，從而控制效果的進(jìn)一步優(yōu)化就能隨之實(shí)現(xiàn)。第二種情況是應(yīng)用于水力和風(fēng)力發(fā)電中。對(duì)于水力發(fā)電而言，水頭壓力和流量是決定其變速恒頻勵(lì)磁的關(guān)鍵因素，一旦水頭出現(xiàn)較大的變化幅度，機(jī)組將會(huì)隨著水頭的變化出現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)速的改變。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言，有效功率的大小正比于風(fēng)速的三次方，而且風(fēng)車會(huì)隨著風(fēng)速的改變出現(xiàn)捕捉最大風(fēng)能的功能的轉(zhuǎn)變。在上述情況中，為了實(shí)現(xiàn)有效功率的最大化，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的速度的變化，可以通過將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)。也就是疊加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以保持輸出頻率也就是定子頻率的不變，在這項(xiàng)應(yīng)用中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)是變頻電源。第三種是應(yīng)用在變頻調(diào)速中。在發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)水泵的耗電量是非常巨大的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，火電設(shè)備的總耗能的65%都是風(fēng)機(jī)水泵貢獻(xiàn)的，而其中的8%又是變頻調(diào)速消耗的，也就是說風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速的運(yùn)行效率是比較低的。如果要實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，不管是在高壓還是低壓變頻器中，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵是最佳的解決思路。

2.2 將電力電子技術(shù)應(yīng)用在輸電環(huán)節(jié)

在輸電環(huán)節(jié)，尤其是高壓輸電過程中，電力電子技術(shù)應(yīng)用素有“硅片引起的第二次革命”的稱號(hào)，它的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電力網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的大幅度提高。在直流輸電技術(shù)中，直流和輕型直流輸電具有容量大、性能穩(wěn)定、易于靈活控制的特點(diǎn)，所以高壓直流輸電在長(zhǎng)距離輸電以及在海底電纜輸電中擁有無法取代的優(yōu)勢(shì)。晶閘管換流器于上世紀(jì)七十年代第一次出現(xiàn)，代表著直流輸電正式進(jìn)入電力電子技術(shù)應(yīng)用時(shí)代，從此以后，晶閘管換流閥開始廣泛應(yīng)用于直流輸電工程。在1980年到1990年，柔性交流輸電技術(shù)開始出現(xiàn)，這項(xiàng)輸電技術(shù)是以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，借助現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)交流輸電系統(tǒng)的電壓，阻抗和相位的技術(shù)，能夠充分保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 電力電子技術(shù)應(yīng)用在配電環(huán)節(jié)

存在于配電環(huán)節(jié)的主要問題是電能質(zhì)量的保證和供電可靠性的保證。其中對(duì)于電能質(zhì)量問題來說，既要滿足控制電壓、頻率和諧波的要求，又要滿足不對(duì)稱度的要求，同時(shí)還要防止出現(xiàn)瞬態(tài)波動(dòng)和干擾。應(yīng)用電力電子技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)，應(yīng)用于電路系統(tǒng)中的配電環(huán)節(jié)，是近些年來發(fā)展起來的新型電能質(zhì)量控制技術(shù)。市場(chǎng)對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的需求比較大，而且由于其開發(fā)簡(jiǎn)單、成本低廉，所以這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景非常好。

2.4 電力電子技術(shù)應(yīng)用在節(jié)能環(huán)節(jié)

電動(dòng)機(jī)運(yùn)用變負(fù)荷方式進(jìn)行節(jié)電只是節(jié)能的一個(gè)方面，而電動(dòng)機(jī)變負(fù)荷調(diào)速技術(shù)是節(jié)能研究的另一個(gè)方面，只有二者的有力結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。交流調(diào)速是目前廣泛用于冶金和礦山等部門的一項(xiàng)技術(shù)。風(fēng)機(jī)、泵類是首先采用調(diào)速控制的變負(fù)荷機(jī)械，此技術(shù)用于替代風(fēng)板或節(jié)流閥，在對(duì)風(fēng)流量和水流量進(jìn)行控制時(shí)的效果非常明顯。變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵，國(guó)外普遍選擇交流調(diào)速方式，但在我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)還處于應(yīng)用推廣階段。變頻調(diào)速的具有調(diào)速范圍廣，效率和精度高，可以連續(xù)無級(jí)調(diào)速。這種技術(shù)具有損耗小，節(jié)電效率客觀的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在成本高，易產(chǎn)生高次諧波，從而對(duì)電網(wǎng)造成污染的問題。對(duì)于無功損耗的問題，功率因數(shù)的提高對(duì)于電氣設(shè)備節(jié)能尤為重要。感性負(fù)載一般是指交流異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等，在運(yùn)行這些設(shè)備時(shí)，會(huì)同時(shí)消耗有功功率和無功功率，所以為了實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的優(yōu)化，要同時(shí)保證無功與有功電源的優(yōu)化。一旦電力網(wǎng)或電氣設(shè)備出現(xiàn)無功容量不夠的情況時(shí)，為使得設(shè)備功率因數(shù)提高，需要加設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力電子技術(shù)仍然處于快速發(fā)展階段，這個(gè)過程中又不斷的有新結(jié)構(gòu)器件、新材料出現(xiàn)，而且不斷進(jìn)步的計(jì)算機(jī)技術(shù)也為現(xiàn)代控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供可能。在相關(guān)輔助技術(shù)的發(fā)展支持下，電力電子技術(shù)在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

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