電力技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

酒泉鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司供應(yīng)鏈管理分公司 江雨津

二十世紀(jì)五十年代，晶閘管的發(fā)明極大地促進(jìn)了電子電力技術(shù)發(fā)展效果，從而使其在傳統(tǒng)的晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新研究，最后研制出了可控硅整流器，這對(duì)電力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)來說，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。電能轉(zhuǎn)化和可控也使得我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展有了一次質(zhì)的飛躍，在后續(xù)進(jìn)程中也進(jìn)入到了電力電子變流器時(shí)代發(fā)展。

隨著電力技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，電力系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。功率二極管和可控硅是第一代功率電子設(shè)備，第一代功率電子設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是體積更小、能耗更低，迅速替代了傳統(tǒng)的整流器，為進(jìn)一步完善和發(fā)展電子功率技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二極管的問世使整個(gè)電路的性能得到了極大的提高，其存在既可減少電力消耗，又可增加電力利用率。隨著第三代電子設(shè)備的出現(xiàn)，功率電子設(shè)備在尺寸、結(jié)構(gòu)等方面都有了較大的提高。第三代產(chǎn)品將電路、驅(qū)動(dòng)、控制、功率器件等集成到一起，制造出了功率集成電路，雖然功率比以前低了不少，但也讓電子電力技術(shù)進(jìn)入了全新的研究領(lǐng)域。

1 電子電力技術(shù)在電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償主要用于改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量、抑制閃變等諸多方面。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備包括可控硅控制反應(yīng)器（TCR）、可控硅投切電容（TSC）、可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）等。當(dāng)兩個(gè)并聯(lián)的可控硅與一個(gè)電抗器串聯(lián)時(shí)，就構(gòu)成了TCR的單相結(jié)構(gòu)，通過對(duì)可控硅的觸控延遲角度的變化，可使電抗器的電流幅度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器的基本無(wú)功進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。TCR采用了以三相AC電壓調(diào)節(jié)電路為基礎(chǔ)的三角聯(lián)接方式。

TSC具有無(wú)機(jī)磨損、快速響應(yīng)、平滑投切和綜合補(bǔ)償?shù)染C合性能，其利用其中的小電感器來抑制進(jìn)入電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的脈沖電流。TSC具有更快速的調(diào)整度來降低所有諧波的補(bǔ)償。該方法采用電抗器將自換相橋電路與電網(wǎng)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流橋電路的交流電壓的相位和振幅進(jìn)行調(diào)整，使其能夠產(chǎn)生符合要求的無(wú)功電流。

1.2 高壓直流輸電技術(shù)

以可控硅技術(shù)為基礎(chǔ)，可將HVDC技術(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)，而在此之前可控硅一直被用于傳輸系統(tǒng)的直流電輸中，而后來的GTO等功率傳輸控制器則是基于可控硅，在這種情況下很少使用交流變換變壓器。直流聯(lián)絡(luò)線按單層聯(lián)絡(luò)線、雙極聯(lián)絡(luò)線、同極聯(lián)絡(luò)線、背靠背四種不同的輸電線路。

1.3 智能電網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

智能化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民的生活質(zhì)量發(fā)生了巨大的改變，電力供給的質(zhì)量和穩(wěn)定性也隨之提高。隨著電力網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也日益廣泛。要實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同層次的電力網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度，單靠現(xiàn)有的電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)已不可能，尤其是隨著電力市場(chǎng)的逐步發(fā)展，電力調(diào)度自動(dòng)化的工作將會(huì)變得十分困難。在未來發(fā)展過程中電力調(diào)度自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化的。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，收集和分析電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程集中調(diào)度，使電網(wǎng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定和安全，滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。

智能化技術(shù)分析。通過對(duì)電網(wǎng)用戶、電網(wǎng)設(shè)備、電網(wǎng)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，從而達(dá)到最大限度地提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。智能電網(wǎng)應(yīng)用先進(jìn)的電氣設(shè)備。如故障限制器、人性化交流輸電設(shè)備、儲(chǔ)能控制設(shè)備、智能保護(hù)設(shè)備等，這些設(shè)備都可與其他技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而以智能化技術(shù)保障其電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提升其可靠性。利用系統(tǒng)控制技術(shù)，可迅速地對(duì)電網(wǎng)的故障進(jìn)行診斷，并根據(jù)專家系統(tǒng)的分析，提出相應(yīng)的解決辦法。該控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的有關(guān)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)配電、變電自動(dòng)化、繼電保護(hù)、電網(wǎng)智能化等方面的綜合應(yīng)用。

智能化運(yùn)行發(fā)展。隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，電力調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)作也要向著智能化的方向發(fā)展，以適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。通過智能技術(shù)，可將整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)等多種信息整合起來，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)控結(jié)果實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的最優(yōu)控制，同時(shí)還可對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)警，對(duì)電網(wǎng)的故障進(jìn)行分析和處理，從而保證電網(wǎng)的安全。這種方法能在一定程度上改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，成為今后電力調(diào)度的發(fā)展方向[1]。

1.4 電力系統(tǒng)中的太赫茲技術(shù)

電力系統(tǒng)中的電纜一般都是埋在地下的，因此在進(jìn)行故障定位時(shí)往往會(huì)遇到一些困難。利用太赫茲探測(cè)器，不僅可探測(cè)碳板、塑料、沙塵等，還可探測(cè)厚墻、干燥土層等。因此切需開發(fā)一種能夠通過對(duì)太赫茲波靈敏度進(jìn)行檢測(cè)的便攜式太赫茲探測(cè)器。利用太赫茲技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，能有效地解決電力系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)傳送問題，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送費(fèi)用，減少了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間。太赫茲技術(shù)能夠提供及時(shí)、可靠、高效、靈敏的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，滿足電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求，能夠在惡劣的條件下進(jìn)行全天候的通訊。保證電力網(wǎng)通訊的通訊品質(zhì)。

1.5 電力系統(tǒng)柔性化的支撐技術(shù)

自上個(gè)世紀(jì)之交我國(guó)電網(wǎng)發(fā)生了一系列重大的變革。隨著可再生能源的大規(guī)模接入，長(zhǎng)距離輸電在我國(guó)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。隨著電網(wǎng)安全、可靠性和供電品質(zhì)的不斷提高，對(duì)其數(shù)量和質(zhì)量的靈活、高效的管理成為了迫切的需求。下述主要分析“柔性電力技術(shù)”這一概念。該技術(shù)目前得到了廣泛的認(rèn)可，并在如今，“雙高”電力體系（高比例再生能源發(fā)電、高比例電力電子設(shè)備）、電力電子化發(fā)電等被普遍接受。

柔性電力技術(shù)是以電能的產(chǎn)生、輸送和應(yīng)用為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能的迅速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電能總量和形式控制。它在直流輸電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)以及配網(wǎng)電網(wǎng)中的電能品質(zhì)監(jiān)控中起到了關(guān)鍵作用。這一技術(shù)的實(shí)施主要集中在儲(chǔ)能技術(shù)、信息處理和控制技術(shù)等方面。

1.5.1 電力電子器件技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

柔性功率技術(shù)的關(guān)鍵在于功率電子學(xué)發(fā)展，而功率電子學(xué)包括器件、電路和系統(tǒng)三個(gè)層面，器件的開發(fā)與運(yùn)用是其基礎(chǔ)控制。未來功率電子設(shè)備的發(fā)展方向是電壓大、電流大、功率低、開關(guān)速度快，但這種特點(diǎn)很難在單一設(shè)備中得到充分的體現(xiàn)。當(dāng)前，隨著新材料、設(shè)備不斷地對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行組合，可充分利用各種設(shè)備優(yōu)勢(shì)，從而產(chǎn)生了各種各樣的功率電子設(shè)備。功率電子設(shè)備的性能提高有賴于材料和工藝的不斷進(jìn)步。寬禁帶半導(dǎo)體是未來電能控制領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。寬禁帶半導(dǎo)體材料的綜合性能和制程良率已成為研究的重點(diǎn)。

1.5.2 換流電路及其發(fā)展

柔性功率技術(shù)的應(yīng)用主要包括多種功率轉(zhuǎn)換和控制。電力的產(chǎn)生、輸送和相關(guān)的電力裝置的控制線路，包括各種形式的AC和DC的變換。AC功率可是具有不同幅值、頻率或相位的AC，而DC功率可是幅度不同的DC。換流器的發(fā)展主要可分成以下三個(gè)階段：

整流器時(shí)代。整流器是一種把交流電通過相控變換成直流電的設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有電解、牽引和直流驅(qū)動(dòng)。大功率整流器可把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這種技術(shù)在上世紀(jì)六七十年代得到了迅速發(fā)展，成為了第一個(gè)發(fā)展時(shí)期。這一時(shí)期還開創(chuàng)了以可控硅為基礎(chǔ)的直流傳輸技術(shù)。

逆變器時(shí)代。逆變器是把直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流的裝置，自20世紀(jì)80年代起，由于變頻器的廣泛使用，門極可關(guān)式可控硅（GTO）、大功率逆變晶體管、大型功率晶體管（GTR）等已逐漸成為功率電子設(shè)備的主流。這些裝置的研制和應(yīng)用推動(dòng)了電源型直流輸出、靜態(tài)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)确矫娴陌l(fā)展。

變頻器時(shí)代。隨著單片機(jī)技術(shù)和復(fù)合變換器技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著電力電子技術(shù)可方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行各種不同的電能交換。高電壓大容量變頻器的研制成功為采用模塊式組合的電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)支持。模塊化多電平技術(shù)是一種新型的變頻器[2]。

1.5.3 儲(chǔ)能技術(shù)

傳統(tǒng)電能的利用始終要堅(jiān)持“供需平衡”的基本原理，而靈活電能技術(shù)理念使得電能質(zhì)量的靈活控制和轉(zhuǎn)換成為了能源技術(shù)中主要的要求。以下將介紹一些柔性技術(shù)中的能量?jī)?chǔ)存技術(shù)。

抽水蓄能技術(shù)是一種將電能和水力能量轉(zhuǎn)化為能量的儲(chǔ)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、應(yīng)急備用、黑啟動(dòng)等領(lǐng)域。常規(guī)的抽水蓄能功率可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)千瓦，壽命達(dá)到30年以上。采用電力電子技術(shù)，以變頻調(diào)速技術(shù)，可達(dá)到75%的節(jié)能效果。變速抽水蓄能裝置調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高、功率響應(yīng)速度快，能夠充分滿足電力系統(tǒng)的調(diào)頻和大型可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)。

飛輪儲(chǔ)能是一種利用轉(zhuǎn)動(dòng)物體的動(dòng)能儲(chǔ)存能量的技術(shù)。飛輪能量密度高，可達(dá)到25年的使用壽命，高的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%，比抽水蓄能技術(shù)更好。但其持續(xù)放電時(shí)間只有一分鐘，且能量密度很小，是一種典型的電力存儲(chǔ)技術(shù)。

蓄能技術(shù)是一種把電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能并儲(chǔ)存起來，利用時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。由于直接轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的電能是以直流方式進(jìn)行，所以交流直流轉(zhuǎn)換是此類儲(chǔ)能系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。蓄能技術(shù)具有高效、低噪聲、低污染、無(wú)規(guī)模效應(yīng)、瞬態(tài)特性好、負(fù)載跟蹤性能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。但由于蓄能系統(tǒng)中存在著大量的交流、直流轉(zhuǎn)換和控制等問題，使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大提高。容量大、化學(xué)工藝復(fù)雜的大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也對(duì)城市設(shè)施的安全管理提出了新的要求。

超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）是指通過在超導(dǎo)線圈中流動(dòng)的電流，將其作為一種磁場(chǎng)來儲(chǔ)存電力，這一方法源自于發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)技術(shù)已廣泛用于電力系統(tǒng)，如超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器和SMES等。與其它儲(chǔ)能技術(shù)相比目前只有少數(shù)中小規(guī)模的SMES在商用運(yùn)營(yíng)[3]。

2 電力技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

電子電力技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用。采用電子電力技術(shù)，將大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁機(jī)更換為靜態(tài)勵(lì)磁控制，可迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，有效地提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率；在節(jié)能等方面，采用變頻調(diào)速設(shè)備取代傳統(tǒng)的變頻調(diào)速機(jī)組。將變速恒頻勵(lì)磁技術(shù)用于水力、電力發(fā)電機(jī)組，采用電子技術(shù)調(diào)節(jié)水力、風(fēng)力發(fā)電的功率，使水力發(fā)電效率最大化，采用能量存儲(chǔ)技術(shù)調(diào)節(jié)水力、風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，然后以電力技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)的并網(wǎng)傳輸，可提高能源利用率。另外，在分布式電源中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫并網(wǎng)，也是基于電子電力技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其利用效能，可縮短電網(wǎng)和用戶的距離，增加用戶使用的安全性[4]。

電子電力技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用。通過對(duì)電能進(jìn)行精確、迅速的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)切換裝置的切換，依據(jù)可控硅換流閥的應(yīng)用，從而使其在HVDC中得到應(yīng)用，極大地降低了交流變換變壓器的使用量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流變換裝置的移動(dòng)性，降低了發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了中、大電流變換裝置的競(jìng)爭(zhēng)能力。另外該技術(shù)在短距離傳輸中的應(yīng)用也是可行的；柔性直流輸電技術(shù)是電力技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合，通過對(duì)電網(wǎng)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證線路的安全和合理的損失。

電子電力技術(shù)在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用。在配電網(wǎng)中，采用電功率技術(shù)和FACTS技術(shù)是影響配電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。用戶電力技術(shù)能夠保證配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高品質(zhì)，而FACT技術(shù)能夠增強(qiáng)電網(wǎng)的控制性能，提高傳輸容量[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展時(shí)期，電力供應(yīng)是社會(huì)建設(shè)的基礎(chǔ)。電子電力技術(shù)將直接影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在節(jié)約用能等方面也關(guān)乎電力系統(tǒng)運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)。在此，為促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，應(yīng)依據(jù)各項(xiàng)功能努力創(chuàng)設(shè)電子電力技術(shù)。