探析電路系統(tǒng)中電力電子技術的應用

曾健洪 段金成 趙志曉 藺蘭翔

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-7570

摘? 要：電力電子技術主要包括電子變流技術以及電子器件制造技術等，目前在電路系統(tǒng)中廣泛應用?；诖?，本文先簡單介紹了電力電子技術內容，然后強調了在電路系統(tǒng)中應用電力電子技術的優(yōu)勢，最后提出了在電路系統(tǒng)中電力電子技術的具體應用。以期能夠不斷開發(fā)先進的電力電子技術，引進先進的電子元件，完善電路系統(tǒng)，推動電力事業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：電路系統(tǒng)? 電力電子技術? 發(fā)電輸電? 電路保護

中圖分類號：TM1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-3

Application of Power Electronic Technology in Circuit System

ZENG Jianhong? ?DUAN Jincheng? ?ZHAO Zhixiao? ?LIN Lanxiang*

（Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150022 China）

Abstract： Power electronic technology mainly includes electronic converter technology and electronic device manufacturing technology， which is widely used in the circuit system. Based on this， this paper first briefly introduces the content of power electronic technology， then emphasizes the advantages of power electronic technology in the circuit system， and finally puts forward the specific application of power electronic technology in the circuit system. In order to continuously develop advanced power electronic technology， introduce advanced electronic components， improve the circuit system， and promote the development of power industry.

Key Words： Circuit system; Power electronic technology; Power generation and transmission; Circuit protection

電力電子技術在我國各行各業(yè)中廣泛應用，且逐漸發(fā)展成熟。在電力事業(yè)中廣泛應用電子器件、微電子技術等，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，豐富電路系統(tǒng)功能，具有較高應用價值。電力電子技術具有重量、容量和體積小的優(yōu)勢，在維護過程中操作便捷，使其具備更廣泛的發(fā)展空間。因此本文針對電力電子技術在電路系統(tǒng)中的應用展開研究，以期能夠通過技術和元件的應用，提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1? 電力電子技術內容

在我國電力電子技術的應用已經(jīng)有數(shù)十年，目前廣泛應用于各行各業(yè)中。電力電子技術的應用方式多種，最具代表性的包括晶閘管、GTO以及IGBT等，在電路系統(tǒng)中應用電力電子技術能夠促進電能的轉化，減少能耗，強制化控制電能。在應用方式上，可以分為集成化控制和全控化控制。全控化是應用于有自動斷電需要的系統(tǒng)中，在這類系統(tǒng)中，電子元件由于不支持長期運行或其他因素，會定時自動斷開，全面控制電子元件，能夠掌握電子元件狀態(tài)，若發(fā)生狀態(tài)超標會自動斷開[1]。集成化控制是由多種元件構成，具有綜合性表現(xiàn)，先利用計算機設備為終端，將電子元件數(shù)據(jù)整合在計算機上，利用集成成果得到系統(tǒng)運行曲線，輔助判斷系統(tǒng)的運行情況。在傳統(tǒng)電路系統(tǒng)中使用電力電子技術，能夠取代傳統(tǒng)普通晶閘管，在特定條件下具備更高的應用價值。

2? 在電路系統(tǒng)中應用電力電子技術的優(yōu)勢

2.1 減少電力能耗

隨著電路系統(tǒng)廣泛應用，在社會各個領域中電力能源均得到廣泛應用，且形成大量電能消耗，針對電能浪費問題的管理受到了全社會的關注。通過電力電子技術能夠從技術層面上進行治理。形成電耗的原因在于電能轉化過程中，由于電能轉化率較低造成電能被浪費。利用電力電子技術提高電能轉化率，能夠減少電能消耗。利用計算機設備數(shù)據(jù)化監(jiān)測電能，及時處理造成電能消耗的位置，從而減少電力能耗。

2.2 電氣控制

在電路系統(tǒng)中，電氣控制是利用強電和弱電的關系進行電氣控制，強電作為輸出電力，利用弱電進行強電的控制，能夠達到良好的控制效果，提高可靠性以及安全性。電力電子技術作為弱電對強電控制的關鍵技術，通過對生產(chǎn)產(chǎn)能進行電力能源的控制。如利用儀表設備監(jiān)控熱量流程以及生產(chǎn)原料，使得產(chǎn)能保持較高水平，控制電力能源行為。如控制電力能源生產(chǎn)上對于運作準確性和效率的控制，可使用計算機設備檢測，保證控制策略準確有效。電力電子技術能夠實現(xiàn)弱電控制強電，控制效果良好，覆蓋范圍廣，具有突出優(yōu)勢。

2.3 方便更新系統(tǒng)

電路系統(tǒng)在運行過程中需要定期更新，傳統(tǒng)模式并不能實現(xiàn)更新系統(tǒng)的作用，每次更新都需要較大工程量，造成成本損耗較多。使用電力電子技術能夠避免發(fā)生成本損耗，應用電力電子技術能夠將設備和元件作為獨立的模塊，各模塊具備可調控能力，便于更新替換，系統(tǒng)的靈活性高。在出現(xiàn)新需求時，使用電力電子技術進行調整模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的更新。

3? 在電路系統(tǒng)中電力電子技術的具體應用

3.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

在發(fā)電環(huán)節(jié)中使用的電力電子技術主要體現(xiàn)在變頻調速、靜止勵磁、水利和風力機。（1）變頻調速。變頻調速作為新能源發(fā)電的重要形式，但我國目前仍然是以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電消耗大量資源和能源，電能轉化率較低[2]。（2）靜止勵磁。作為常見的電子電路技術，通過靜止勵磁能夠提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常見晶閘管整流方案，該方案可有效實現(xiàn)大型發(fā)電機的發(fā)電。（3）水利和風力機。在新能源發(fā)電中，風能和水能作為主要關注要點，在發(fā)電中風能和水能發(fā)電的控制相對困難，借助于電力電子技術能夠提高控制效果。如水利發(fā)電中，通過電力電子技術測量流量以及壓力，計算能源發(fā)電恒頻勵磁狀態(tài)，按照變速恒頻勵磁的標準，保證發(fā)電機保持最佳運行的狀態(tài)。在風能發(fā)電中，使用電力電子技術能夠通過功率大小和風速成正比的關系控制風能，從而提高風能獲取量，將清潔能源轉化為電能。在風力發(fā)電中使用電力電子技術改變火力發(fā)電中變頻調速方式，能夠滿足發(fā)電實際需要，將能耗控制在最低水平。

3.2 輸電環(huán)節(jié)

在輸電環(huán)節(jié)中，電能安全問題受到了重點關注。輸電環(huán)節(jié)中，多種風險因素會引發(fā)安全隱患，如果沒有妥善處理，將安全風險控制在最低。電力企業(yè)在輸送患者中采取安全防護技術進行電能的運輸，并取得了理想的效果?，F(xiàn)階段安全防護是通過硬件設施實現(xiàn)，在長期運行狀態(tài)下，硬件設備可能會出現(xiàn)多種故障，難以達到良好的安全防護效果。這時要利用電力電子技術監(jiān)控安全防護設施，充分了解設備狀態(tài)以及運行數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，要及時處理[3]。電力電子技術在監(jiān)控安全防護設施外，也能實現(xiàn)柔性交輸電技術以及直流輸電技術，這兩項技術具備強大的穩(wěn)定性，具備控制相位、電壓以及阻抗的能力，從而優(yōu)化輸電環(huán)節(jié)，減少安全事故的發(fā)生。其中直流輸電技術具有較高的穩(wěn)定性，且輸電容量大，輸電環(huán)節(jié)中使用晶閘管換流器，能夠解決不同頻率的輸電需要，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定輸電，能夠支持遠距離輸電和不同頻率系統(tǒng)輸電。柔性交流輸電技術主要進行交流輸電，使用電力電子技術靈活控制相位、電位以及電阻，操作方便，輸出無功，能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時由于設備簡單，成本較低，已經(jīng)在電路系統(tǒng)中得到廣泛應用。

3.3 配電環(huán)節(jié)

配電環(huán)節(jié)重點強調供電質量以及供電可靠性，若無法滿足將會給配電環(huán)節(jié)造成直接影響。通過對電力電子技術，對配電環(huán)節(jié)傳輸電能的質量和方向進行監(jiān)測，能夠實時獲取配電速率、配電電壓等數(shù)據(jù)，通過這部分數(shù)據(jù)能夠判斷配電環(huán)節(jié)是否存在瞬態(tài)干擾或者波動。若發(fā)現(xiàn)干擾和波動需要立即處理，提高電能供給安全性以及配電質量。面對配電環(huán)節(jié)對于供電可靠性和電能質量的高要求和高標準，要使用最少的資源配送安全可靠的電能，從而實現(xiàn)抗干擾的作用。使用用戶電力技術，和柔性交流輸電技術接近，具備同樣的工作原理。在配電網(wǎng)中使用串聯(lián)補償器、并聯(lián)補償器以及有源濾波器，實現(xiàn)補償負荷、補償系統(tǒng)以及抑制諧波。在配電環(huán)節(jié)中，電力電子技術的使用可以提高輸電效率以及發(fā)電效率，構建一個智能化、信息化、自動化的配電網(wǎng)。

3.4 節(jié)能環(huán)節(jié)

為踐行我國可持續(xù)發(fā)展方針，還需要加大力度節(jié)約能源，減少能源消耗，利用技術手段實現(xiàn)節(jié)能的目的。在電路系統(tǒng)中應用電力電子技術，主要在電動機中使用技術實現(xiàn)負荷轉變，從而對電力能源實現(xiàn)有效控制，調節(jié)設備轉速，從而將電能消耗降低到最小。通過使用變頻器調節(jié)發(fā)電系統(tǒng)，提高發(fā)電效率，改良發(fā)電機發(fā)電特性。由于變頻調速具備良好的特性，能夠提高節(jié)電率至30%。我國正大力推廣變負荷電動機，但由于成本較高，且容易出現(xiàn)高次諧波，對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，還需要謹慎。同時要不斷提高發(fā)電量以及電網(wǎng)運輸量，在發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機輸電量以及發(fā)電量都受到容量的局限，提高cosφ，能夠減少電力系統(tǒng)無功功率以及無功電流，讓發(fā)電機可以正常發(fā)出有功功率以及有功電流。此外在電力系統(tǒng)中存在電動機負載，運行期間會從電網(wǎng)獲得無功功率，無功功率占用輸電線、變壓器以及發(fā)電機容量，造成有功功率減少，對發(fā)電效率造成影響。使用無功補償裝置提供無功功率，能夠減少索取電網(wǎng)，提高功率因數(shù)和資源利用率，減少電能消耗。最后需要將電路其中中半導體器件等更換為具備變頻功能的器件，將頻率和電壓變?yōu)榭烧{電源電壓和頻率，在發(fā)電系統(tǒng)中改用變頻器也能有效節(jié)約能源，提高資源利用率。

3.5 控制功能

電力電子技術的應用最大作用在于控制功能的實現(xiàn)，提高電路系統(tǒng)整體的可控性，具有突出應用價值。首先在電路系統(tǒng)中安裝過電流保護裝置預防過電流問題的發(fā)生，過電流作為常見的故障事故，具有嚴重的安全威脅。對于這一問題，傳統(tǒng)電路系統(tǒng)會通過過電流保護中斷繼電器和熔斷器，保證過電流等問題得到控制。在現(xiàn)代視野中，由于電力設備規(guī)格減小，傳統(tǒng)方法無法適用，需要使用電力電子技術進行彌補。采取電力電子技術驅動信號替代自動化技術，利用橋臂互鎖保護裝置，能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4]。在過電流情況下，能夠按照指標檢測，若發(fā)現(xiàn)過電流問題，將會斷開設備保護系統(tǒng)。其次使用有源電力濾波器，作為硬件設備的一種，具備無功電流、諧波數(shù)量檢測的重要作用。使用濾波器檢測電路系統(tǒng)的補償元件，對檢測結果進行分析，獲得等分量諧波電流，利用諧波電流以及補償裝置分量電流，使得諧波分量以及電流分量能夠互相抵消，從而運行電流變?yōu)榛娏鳎邆淞己玫碾娏鞣€(wěn)定性，避免諧波電流的干擾性。最后使用PWM控制技術，作為調整脈沖寬度的技術，能夠改變電路系統(tǒng)波形[5-6]。

4? 結語

綜上所述，在電路系統(tǒng)中應用電力電子技術具有減少電力能耗、電氣控制、方便更新系統(tǒng)的優(yōu)勢。在電路系統(tǒng)中電力電子技術主要應用于發(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)、控制功能、保護環(huán)節(jié)、建設智能電網(wǎng)中。為保證電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還要重視日常維護，提高技術人員綜合素養(yǎng)，定期和不定期進行電路檢測。在電路系統(tǒng)運行過程中，使用先進技術進行實時監(jiān)控，第一時間察覺電路系統(tǒng)的異常情況，及時維修，保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全。

參考文獻

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