電廠電力系統(tǒng)中電力電子裝置的主要應(yīng)用研究

侯小龍

摘要：隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，電力電子裝置技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。若將該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，不僅能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，而且能保證電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?；诖?，本文詳細(xì)探討了電廠電力系統(tǒng)中電力電子裝置的主要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);電力電子裝置;應(yīng)用

電力電子裝置廣泛應(yīng)用于電廠電力系統(tǒng)中，它們從發(fā)電、儲(chǔ)能、微電網(wǎng)、輸電、電能質(zhì)量等方面提高了系統(tǒng)的整體性能，推動(dòng)了電力系統(tǒng)的改革創(chuàng)新。而可靠性評(píng)估、故障運(yùn)行管理和電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的應(yīng)用效能是電力電子裝置研發(fā)及運(yùn)行的主要內(nèi)容，能延長(zhǎng)裝置生命周期，降低投資成本，提高安全可靠性。在不久的將來，根據(jù)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，有效解決電力電子裝置應(yīng)用中的各種難題，能促進(jìn)電力系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

一、電力電子裝置在電廠電力系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的應(yīng)用

1、發(fā)電領(lǐng)域。①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。此機(jī)組中，最根本的設(shè)備是變流器，逆變器和整流器能把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)固的電能?？墒窃陲L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展中，有緣中點(diǎn)鉗位和三電平往多電平拓?fù)涞姆较虬l(fā)展，可很好地提高發(fā)電等級(jí)與容納標(biāo)準(zhǔn)。②發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁。它在大規(guī)模的發(fā)電機(jī)組中有著廣泛的使用，和普通的勵(lì)磁比起來，其靜止勵(lì)磁技術(shù)掌握起來更簡(jiǎn)單，調(diào)整速度更快，能更好地提高電廠工作效率，水力發(fā)電可使用勵(lì)磁技術(shù)調(diào)節(jié)電流頻度，從而達(dá)到調(diào)整水流量和壓力的目的，改良發(fā)電速度和質(zhì)量。③光伏電站。大規(guī)模的光伏電站可聚合太陽能然后進(jìn)行使用，可用并聯(lián)逆變器方法掌控，對(duì)有源濾波、無功補(bǔ)償、動(dòng)壓補(bǔ)償?shù)奶岣哂泻艽髱椭?/p>

2、電能存儲(chǔ)。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，提升了電力設(shè)備的使用率和電網(wǎng)使用效率，同時(shí)可科學(xué)地面對(duì)電力故障問題，從根本上提高電力質(zhì)量與用電效率。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能達(dá)到最佳效果;②空氣壓縮蓄能。其是在電力系統(tǒng)用電低時(shí)，使剩余的電量推動(dòng)空氣壓縮機(jī)，通過高壓空氣方式將能量?jī)?chǔ)存;③電池儲(chǔ)能。主要采用鋰離子、鈉離子、全釩液流等電池，通過小功率的DC/DC變換器進(jìn)行電池模塊的電流均衡調(diào)節(jié)。大功率的DC/DC變換器集成到電池模塊內(nèi)，通過電池模塊輸出接口實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓等級(jí)的提高和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)化。

3、微型電網(wǎng)。其是一個(gè)小型發(fā)配電系統(tǒng)，一般由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、功率變換器、相關(guān)符合及監(jiān)控保護(hù)裝置組成。一般微型電網(wǎng)能與外部電網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行工作，并能實(shí)現(xiàn)一部分功率平衡。在微型電網(wǎng)中，采用多變換器方案能實(shí)現(xiàn)分布式電源和儲(chǔ)能裝置間的互聯(lián)。但多變換器中又存在著成本高，系統(tǒng)性能差的缺點(diǎn)，因而在微型電網(wǎng)中開始使用多接口變換器，從而實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷相連，這樣能提升電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)性能，從而提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。

4、輸電系統(tǒng)。①分頻輸電。這種輸電方式經(jīng)常運(yùn)用于效率較低的發(fā)電系統(tǒng)中，比如風(fēng)力、水力發(fā)電。分頻輸電方式主要運(yùn)用較低的頻率傳輸電能，這樣低頻的情況縮短了交流線路間的電氣距離，進(jìn)而減少了電氣之間電壓、電流的相互干擾，有效提高了輸電效率。②直流輸電。其根據(jù)換流器的不同分為兩種，即運(yùn)用于晶閘管的換流器其為常規(guī)直流輸電，運(yùn)用于全控期間的換流器其為柔性直流輸電。柔性直流輸電更適應(yīng)可再生資源的連接，并能在一定獨(dú)立區(qū)域、城市供電網(wǎng)中輸電。為了柔性直流輸電更為有效，柔性交流輸電系統(tǒng)中潮流控制器和固態(tài)限流器還需工程人員進(jìn)行有效研究。③固態(tài)變壓器。固態(tài)變壓器的應(yīng)用更為全面，可與電磁耦合電能變換技術(shù)相結(jié)合，能對(duì)輸電線路中的電壓值、電流值、其幅度、相位等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效觀察與調(diào)節(jié)。此外，固態(tài)變壓器還可對(duì)輸電線路進(jìn)行潮流控制，調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，這樣對(duì)輸電線路的輸電穩(wěn)定性有了更好地保障。

5、電能質(zhì)量。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器能對(duì)電力系統(tǒng)的功率振蕩進(jìn)行抑制、確保電壓的穩(wěn)定性，改善和解決負(fù)荷電壓不平衡的問題。鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，可充分實(shí)現(xiàn)無功功率連續(xù)可調(diào)，且具有相應(yīng)速度快、可靠性等優(yōu)勢(shì)。諧波治理裝置主要利用多重化技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)等，降低變流裝置注入電網(wǎng)的諧波。此外，應(yīng)用電力濾波器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等，有效減少諧波含量，提高設(shè)備利用率。在一些企業(yè)中應(yīng)用的中低壓電力系統(tǒng)，若出現(xiàn)電壓暫降，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，而動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，能有效對(duì)不平衡電壓暫降進(jìn)行合理抑制。

二、電廠電力系統(tǒng)中電力電子裝置的應(yīng)用效能

1、可靠性評(píng)估。電力電子裝置的可靠性、故障率、平均無故障運(yùn)行時(shí)間、平均維護(hù)時(shí)間和使用率等指標(biāo)直接決定了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效能。因此，對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估是采取有效措施提升裝置安全性的基礎(chǔ)，可靠性評(píng)估有利于電力電子裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，定量評(píng)估的結(jié)果可用于確定設(shè)計(jì)是否符合技術(shù)規(guī)范。也可作為比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制策略和元件可靠性的準(zhǔn)則。此外，精確的可靠性預(yù)測(cè)也可為系統(tǒng)運(yùn)行，維護(hù)和管理提供重要指導(dǎo)。

2、故障運(yùn)行管理。在電力行業(yè)，技術(shù)的不斷提高使系統(tǒng)可靠性不斷增強(qiáng)，但無論如何運(yùn)行故障無法避免，在一些較重要的地方，電力電子裝置會(huì)由于電力設(shè)備的故障而損壞。對(duì)允許離線的電力電子裝置來說，一般采用故障或過熱管理等方式來降低故障率。通常，功率器件發(fā)生故障往往是因溫度循環(huán)中的問題，所以要控制其溫度變化，增加電子元件壽命，預(yù)測(cè)和診斷故障是保護(hù)電力電子裝置和容錯(cuò)運(yùn)行的基礎(chǔ)，在對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別時(shí)，往往對(duì)變換器端口或功率器件的電流電壓變化參數(shù)進(jìn)行比較。通過故障預(yù)測(cè)可推測(cè)一些電子元件的使用壽命，這樣能對(duì)未來的故障處理制定計(jì)劃。在電力電子裝置發(fā)生故障時(shí)，其本身容錯(cuò)能力能讓其在短時(shí)間內(nèi)采取措施，隔離故障部分，防止其他部分受到故障的影響。

3、電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊。它是將功率裝置、編程處理器及其他構(gòu)件集成到一個(gè)模塊中，其具備預(yù)定功能和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用接口。該標(biāo)準(zhǔn)模塊降低裝置投資成本、減少運(yùn)行損耗，還減少了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和維護(hù)費(fèi)用。通過電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的組合，可建立適合各類場(chǎng)所的電力電子裝置。模塊集成技術(shù)和控制層次化是電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的重要設(shè)計(jì)原則。關(guān)于電力電子裝置的模塊集成化，需解決開關(guān)損耗、信號(hào)監(jiān)測(cè)、熱管理等難題。常見的集成方式有硅片集成、封裝集成和三維集成，其中，硅片集成是將構(gòu)件安裝在硅片表層或中間;封裝集成是將構(gòu)件安裝在陶瓷或有機(jī)基板之中，這兩種集成方式不適合大功率變流器;三維集成是垂直安裝各構(gòu)件，以無源層作為變流器基板，有效提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

三、電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的智能化水平正在高速提升，電子裝置的更新及完善速度也較快，可以預(yù)見的是未來無論是軟件技術(shù)還是硬件裝置，對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)展都能起到極強(qiáng)的推動(dòng)作用，同時(shí)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的高速發(fā)展還需要技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，不斷提升系統(tǒng)自動(dòng)化水平，一些電子裝置應(yīng)用上的問題還需解決。例如國(guó)內(nèi)大型的光伏電站中使用的固態(tài)限流器，在研究方面還需不斷完善，這樣才能將光伏電站的實(shí)際價(jià)值發(fā)揮出來，才能體現(xiàn)出現(xiàn)代化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中有關(guān)變換器的功能設(shè)計(jì)還需完善，尤其是多能源功能，這對(duì)能源利用的進(jìn)步及提升發(fā)電的環(huán)保效益都是非常重要的問題，在柔性交流電的研究領(lǐng)域也有一些問題需完善，大容量裝置中涉及到非線性分析，這些問題都需解決，才能促進(jìn)電力系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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