電路系統(tǒng)中電力電子技術的應用研究

張雅娟

（武漢職業(yè)技術學院 武漢 430074）

引言

電力電子技術是一種集合了電子學、電工原理和自動化控制三項專業(yè)的電力技術，在應用中主要起到電路優(yōu)化與控制的作用，這一條件下，將電力電子技術應用于電力系統(tǒng)當中，可以有效降低電路運作能耗、提升運作安全性、提升能源利用率。因此，為了提升電力系統(tǒng)運作質量，如何正確應用電力電子技術，是現(xiàn)代相關領域值得重視的問題。

1 電力電子技術主要內容

電力電子技術的發(fā)展至今已有40余年，通過長期的發(fā)展，該項技術現(xiàn)存在多種應用形式，其中較具代表性的為IGBT、GTO、晶閘管，三項技術可以聯(lián)合應用，但功能上大同小異，主要起到優(yōu)化電能轉化、強化電能控制的作用。在應用方式上有二，即全控化、集成化，其中全控化主要應用于存在自動斷電需要的電路系統(tǒng)當中（此類系統(tǒng)中的電子元件因不支持長時間運作或其他因素影響，必須定時自動斷開），針對所有電子元件進行全面控制，對其狀態(tài)進行掌控，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)超標則執(zhí)行自動斷開命令；集成化主要應用于綜合性電氣系統(tǒng)中（此類系統(tǒng)主要由多種電子元件組成，具有綜合性功能表現(xiàn)），應用中首先需要借助計算機設備作為終端，將所有電子元件的數(shù)據(jù)信息集成到計算機上，其次通過集成結果可以得到系統(tǒng)運行曲線，以供判斷，如果發(fā)現(xiàn)異常則進行控制[1]。

該項技術的應用了傳統(tǒng)電路系統(tǒng)控制手段，例如全控化可取代傳統(tǒng)半控型普通晶閘管，在特定條件下具有更高的應用價值。而電力電子技術在電路系統(tǒng)中的應用還有其他表現(xiàn)，基本可以對系統(tǒng)進行全面覆蓋，起到全局管控的作用。

2 電力電子技術在電路系統(tǒng)中的功效

2.1 電力能耗優(yōu)化

現(xiàn)代因電路系統(tǒng)的普及，使得電力能源涉及到各個領域，而在不同領域的電力能源使用情況上來看，其普遍存在較大電能消耗的現(xiàn)象，所以如何治理這一現(xiàn)象是電路系統(tǒng)應用中值得關注的問題。而通過電力電子技術可以實現(xiàn)治理目的，即在電耗成因上，大部分電能消耗都是因為傳統(tǒng)電能轉化手段的電能轉化率較低，導致部分電能被浪費，但通過電力電子技術中的手段，可以提升電能轉化率，代表電能的利用率提升，電耗自然也被降低。此外，借助計算機等設備還可以對電能應用情況進行數(shù)據(jù)化監(jiān)測，使一些可能會造成較大電耗的問題可以被及時處理，同樣起到降低電力能耗的作用[2]。

2.2 電氣控制

電氣控制在原理上是利用弱電與強電之間的關系，通過弱電來控制強電，強電作為電力輸出，在良好的控制條件下，其安全性、可靠性都將提升，因此電力電子技術作為實現(xiàn)弱電控制強電的重要因素，在現(xiàn)代電路系統(tǒng)中具有較高地位。在應用形式上，電力電子技術的弱電控制強電可以分為兩類，即對電力能源生產(chǎn)產(chǎn)能進行控制，例如通過儀表等設備對電能生產(chǎn)原料的化學反應、熱量流程進行監(jiān)控，使其始終保持在高標準水平上；對電力能源生產(chǎn)行為進行控制，例如對電力能源生產(chǎn)中的機械設備運作效率、運作準確性進行控制，利用計算機設備來完成檢測，確?？刂撇呗詼蚀_性。此外，除電力電子技術以外，雖然還存在其他可實現(xiàn)弱電控制強電的技術，但是在功能表現(xiàn)上，電力電子技術控制效果更加優(yōu)秀，且覆蓋面廣泛，說明該項技術具有應用優(yōu)勢。

2.3 利于系統(tǒng)更新

電路系統(tǒng)的應用并不是一成不變，其也強調“與時俱進”的原則，說明該系統(tǒng)應用存在更新需求。但在傳統(tǒng)模式上，電路系統(tǒng)具有固化特征，每次更新都必須“大費周章”，且存在較大的成本損耗，而采用電力電子技術則可以避免此類現(xiàn)象發(fā)生，即電力電子技術的應用可以將電路系統(tǒng)當中的設備、元件等定義為模塊，此時介于模塊可調控性能，代表整個系統(tǒng)的靈活性更高，相應在出現(xiàn)更新需求時，直接通過電力電子技術對模塊進行調整即可實現(xiàn)更新目的。

3 電力電子技術在電路系統(tǒng)中的應用

3.1 各環(huán)節(jié)應用

目前，電力電子技術在電路系統(tǒng)中基本實現(xiàn)了全覆蓋，可以對其各個環(huán)節(jié)進行控制，相應體現(xiàn)出以上功效，例如發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、節(jié)能環(huán)節(jié)等。下文將對四個環(huán)節(jié)中電力電子技術應用表現(xiàn)進行分析。

1）發(fā)電環(huán)節(jié)

電力電子技術在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應用表現(xiàn)有三，即靜止勵磁、水利和風力機、變頻調速。①靜止勵磁：靜止勵磁是電子電路技術的應用形式之一，具有提升電路系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，應用方式上主要采用晶閘管整流方案，該方法面對現(xiàn)代較普遍的大型發(fā)電機運作由良好應用，而面對小型發(fā)電機也可以采用相似方法來產(chǎn)生作用；②水利和風力機：在現(xiàn)代新能源發(fā)電領域中，水能與風能是重點關注的新能源，但以往兩項能源在發(fā)電應用中普遍存在控制難度大的問題，而通過電力電子技術，可以起到優(yōu)化控制難度的作用，即針對水利發(fā)電，將電力電子技術應用于水頭中可以檢測其壓力與流量，相應計算出能源發(fā)電的變速恒頻勵磁狀態(tài)，這一條件下依照變速恒頻勵磁標準，可以始終保持發(fā)電機的最佳狀態(tài)。針對風能發(fā)電，電力電子技術可以依照“功率的大小正比于風速的三次方”的邏輯對風能獲取進行控制，保障風能獲取量最大化，同時還具有提升風能-電能轉化率的作用；③變頻調速：除新能源發(fā)電形式以外，現(xiàn)代主要發(fā)電方式還是火力發(fā)電，而火力發(fā)電存在較大能耗，且其中相當一部分的能耗均來源于變頻調速，但通過電力電子技術，可以改變傳統(tǒng)火力發(fā)電變頻調速運行方式，并保障變頻調速運作與實際需求吻合，實現(xiàn)能耗最小化[3]。

2）輸電環(huán)節(jié)

輸電環(huán)節(jié)是指電能輸送至用戶的通道，在該環(huán)節(jié)中電能安全是值得重視的問題，即輸電過程當中，電力會因為多種因素的影響而出現(xiàn)問題，如果不能妥善處理，將使得該環(huán)節(jié)安全性降低。針對這一問題，現(xiàn)代電力企業(yè)采用了相應的電力輸送安全防護技術來避免影響因素與輸送中的電力能源接觸，且取得了良好的效果，但長期來看因為安全防護技術均通過硬件設備來實現(xiàn)，而硬件設備長時間運作下可能會發(fā)生故障，無法起到安全防護效果，此時可以利用電力電子技術對安全防護設備的狀態(tài)進行監(jiān)測，了解設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)異常，可以第一時間進行管理。此外，電力電子技術除了能夠對輸電安全防護設備進行監(jiān)測以外，還實現(xiàn)了直流輸電技術、利益能柔性交輸電技術，兩項技術中前者具有輸電量大、穩(wěn)定性強的作用，后者可以增強輸電過程中對電壓、阻抗、相位的控制力，從根本上對該環(huán)節(jié)運作進行了優(yōu)化。

3）配電環(huán)節(jié)

配電環(huán)節(jié)的應用主要強調供電可靠性與供電質量，如果配電環(huán)節(jié)不滿足而其中任意一項指標，都會導致負面影響的產(chǎn)生。在這一點上，通過電力電子技術的控制，可以實時監(jiān)測配電環(huán)節(jié)中電能傳輸方向、質量，獲取其中電壓、速率等數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)人工可以判斷當前配電環(huán)節(jié)是否存在瞬態(tài)波動、干擾等負面影響，如果存在則可以及時處理，由此保障配電質量、提升電能供給安全性。

4）節(jié)能環(huán)節(jié)

綜上可見，現(xiàn)代電力能源生產(chǎn)當中普遍存在較大的電能消耗，因此就產(chǎn)生了節(jié)能要求，需要通過相應技術來實現(xiàn)節(jié)能。這一條件下，可以將電力電子技術應用于電路系統(tǒng)當中（主要應用于電動機內）實現(xiàn)負荷轉變功能，此功能可以對電力能源進行有效控制，合理控制設備轉速，實現(xiàn)電能消耗最小化。

3.2 控制應用

綜上可見，電力電子技術在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中具有良好的控制能效表現(xiàn)，但這并不是全部，下文將對該項技術的其他控制表現(xiàn)進行分析，即過電流保護裝置控制、有源電力濾波器應用、PWM控制技術應用。

1）過電流保護裝置控制

過電流是電路系統(tǒng)運行當中經(jīng)常出現(xiàn)的故障問題，具有一定的安全威脅性，針對這一問題傳統(tǒng)電路系統(tǒng)主要采用過電流保護裝置來中斷熔斷器、電流繼電器等設備，確保問題不會惡化，在通過人工維修來解決這一問題。但在現(xiàn)代視角下，因為電力設備規(guī)格不斷減小，傳統(tǒng)方法不再適用，所以需要通過電力電子技術來彌補這一缺陷，即通過電力電子技術的驅動控制信號去除自動化技術，實現(xiàn)橋臂互鎖保護裝置，該裝置首先在適用性上與現(xiàn)代系統(tǒng)吻合，其次在發(fā)生過電流條件下，其可以依照指標進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)過電流特征，將自動斷開相關設備。

2）有源電力濾波器應用

有源電力濾波器是電力電子技術下的硬件設備之一，其具有分析、檢測電路諧波數(shù)量和無功電流的作用。原理上，首先濾波器可以對電路系統(tǒng)補償元件進行檢測，并分析檢測結果，由此可得等分量諧波電流，其次通過補償裝置、諧波電流對電流進行分量，使得電流分量、被檢測諧波分量互相抵消，此時可使運行電流變成基波電流，這種電流的穩(wěn)定性良好，不同于諧波電流具有一定干擾性。

3）PWM控制技術應用

PWM控制技術是一種對脈沖寬度設置進行調整，使電路系統(tǒng)波形進行改變的技術。原理上PWM主要利用面積等效原理，使面積相同、形狀不同的窄脈沖與慣性環(huán)節(jié)接觸，保障所有導出響應波的一致性，這一表現(xiàn)代表電力系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提升，且在控制中可以采用統(tǒng)一標準進行管理，無需過多操作。

4 結語

本文主要對電路系統(tǒng)中電力電子技術的應用進行研究，通過研究了解到：電力電子技術經(jīng)過長期的發(fā)展，現(xiàn)已進入成熟階段，其各種應用形式，可以對電路系統(tǒng)運作進行優(yōu)化；分析了電力電子技術的主要功效，可見該項技術對于電路系統(tǒng)運作的重要性；分析了電力電子技術在電力系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的應用及控制應用，闡述該項技術的應用方式、原理。