電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳俁潼，謝麗蓉

新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

電力企業(yè)的進(jìn)步發(fā)展可以在一定程度上提高我國(guó)的整體經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，電力電子工程是我國(guó)電力行業(yè)中的先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用有利于我國(guó)電力工程的可持續(xù)發(fā)展。隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，我國(guó)的電力電子技術(shù)取得了較大的發(fā)展，這促進(jìn)了我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展、國(guó)家電網(wǎng)穩(wěn)定性的提高及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

目前，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子技術(shù)時(shí)，存在技術(shù)應(yīng)用意識(shí)不強(qiáng)、落后地區(qū)的技術(shù)引進(jìn)受限、無法及時(shí)更新現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備等問題[1]。相關(guān)工作人員應(yīng)意識(shí)到電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有利于保障電網(wǎng)安全與提高電能質(zhì)量，進(jìn)而提高電力企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，電力企業(yè)相關(guān)工作人員應(yīng)立足電力電子技術(shù)的發(fā)展，從多角度研究電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而助推電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 電力電子技術(shù)概述

電力電子技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，晶閘管的問世代表了電力電子技術(shù)的誕生[2]。電力電子技術(shù)是電力系統(tǒng)中一種重要的傳動(dòng)技術(shù)，以晶閘管技術(shù)為基礎(chǔ)，可以開發(fā)得到可控硅整流裝置?？煽毓枵餮b置的問世，表明電力電子技術(shù)取得了大的進(jìn)步，標(biāo)志著電能的變換和控制進(jìn)入變流器控制時(shí)代。由此可見，可控硅整流裝置是電力電子技術(shù)的主要標(biāo)志。

根據(jù)電子電力技術(shù)的功能，電力電子技術(shù)可以分為通用交流供電技術(shù)與制造供電技術(shù)兩大類[3]。在通用交流供電技術(shù)中，電力人工技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，電力人工技術(shù)常用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的電力設(shè)備，其可以降低電網(wǎng)運(yùn)行中的故障發(fā)生率。

2 電力電子技術(shù)及電力電子器件的發(fā)展歷程

（1）第一代電力電子器件。自從開始應(yīng)用電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)和電力電子器件取得了良好的發(fā)展，電力二極管和晶閘管是第一代電力電子器件的主要代表[4]。晶閘管具有耗能低與體積小的特點(diǎn)，可以取代原有電力系統(tǒng)中的老式汞弧整流器，推動(dòng)電力電子技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展；電力二極管可以提高電路的性能，有利于降低電路損耗、提高電源使用率。

（2）第二代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件得到了發(fā)展，如整流二極管的多樣化。20世紀(jì)70年代，第二代電力電子器件誕生，其主要特點(diǎn)為可以自動(dòng)關(guān)斷。第二代電力電子器件顯著提升了開關(guān)速度，被應(yīng)用在開關(guān)頻率較高的電路[5]。

（3）第三代電力電子器件。20世紀(jì)90年代，產(chǎn)生了第三代電力電子器件，其體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊。此外，還出現(xiàn)了將幾種電力器件結(jié)合的電子模塊，推動(dòng)了電力電子器件的發(fā)展。在此之后，研究人員以集成模塊為基礎(chǔ)，將用于電力技術(shù)的多種電力器件結(jié)合，得到了集成電路。集成電路的產(chǎn)生標(biāo)志著我國(guó)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入智能化與集成化的階段。電力電子技術(shù)需要以電力電子器件的變革為基礎(chǔ)，朝著現(xiàn)代化的技術(shù)方向發(fā)展，除了實(shí)現(xiàn)高頻技術(shù)，還需要加強(qiáng)技術(shù)的自動(dòng)化、環(huán)保性與節(jié)能性等[6]。

3 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 人員的技術(shù)應(yīng)用意識(shí)不強(qiáng)

雖然電力電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)比較突出，但是部分工作人員觀念落后，對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用意識(shí)不強(qiáng)。部分工作人員持著誤解與懷疑的態(tài)度，對(duì)電力電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)不全，不認(rèn)可該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。即使技術(shù)人員對(duì)新技術(shù)持認(rèn)可態(tài)度，但也存在不夠了解新技術(shù)、使用方法不當(dāng)?shù)葐栴}，這對(duì)新興電氣技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生較大的阻礙[7]。

3.2 落后地區(qū)的技術(shù)引進(jìn)受限

我國(guó)的國(guó)土面積較大，在應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的過程中，不同地區(qū)對(duì)新技術(shù)的使用程度、支持程度與資金投入等有一定的差異。落后地區(qū)交通不夠便利，人員綜合素質(zhì)不高，技術(shù)比較落后，這些問題會(huì)阻礙電力電子技術(shù)的引進(jìn)。電力電子技術(shù)對(duì)人專業(yè)人才有較大的依賴，落后地區(qū)缺少電力電子技術(shù)的專業(yè)人才，而且部分工作人員無法接觸最新的電力電子技術(shù)，這不利于電氣技術(shù)的發(fā)展[8]。

3.3 無法及時(shí)更新生產(chǎn)設(shè)備

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)不斷推陳出新，生產(chǎn)效率顯著提高[9]?？v觀各地區(qū)的實(shí)際情況，生產(chǎn)過程會(huì)受到資金、人員與地點(diǎn)的影響。如果設(shè)備的數(shù)量少、功能少，生產(chǎn)效率將無法提高。與此同時(shí)，我國(guó)在電氣化方面的扶持政策較少，生產(chǎn)設(shè)備的更新受到多方面因素影響，部分地區(qū)無法及時(shí)將設(shè)備更新為現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備，也沒有貫徹落實(shí)現(xiàn)有的扶持政策，這也會(huì)對(duì)我國(guó)的電氣化發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。

4 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用

4.1 保障電網(wǎng)安全

國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要以電網(wǎng)安全為保障[10]。當(dāng)前，我國(guó)電力系統(tǒng)還處于初級(jí)發(fā)展階段，從整體上來看電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家比較，我國(guó)在配電與輸電方面差距較大。加之我國(guó)地形比較復(fù)雜，電網(wǎng)分布相當(dāng)廣泛，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。這些因素都會(huì)威脅電網(wǎng)的安全，因此，有必要采取一定的措施避免這些因素影響網(wǎng)格建設(shè)。如果采用人工方式會(huì)增加網(wǎng)格建設(shè)的難度和工作量，而應(yīng)用電力電子技術(shù)可以優(yōu)化電網(wǎng)架構(gòu)，降低網(wǎng)格建設(shè)的難度，從而保障電網(wǎng)安全。

4.2 提高電能質(zhì)量

在我國(guó)電力技術(shù)快速發(fā)展的今天，電子電力技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性會(huì)影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。由此可見，相關(guān)技術(shù)人員要確保電網(wǎng)運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性，從而從根本上促進(jìn)電力系統(tǒng)整體電能質(zhì)量的穩(wěn)步提升。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式中，針對(duì)電網(wǎng)輸出質(zhì)量沒有相關(guān)的保護(hù)與改進(jìn)措施，無法提高電能的質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用電力電子技術(shù)可以最大限度地控制直流電輸送系統(tǒng)電能的最大損耗率，提高整體的輸電效率，從而優(yōu)化配置資源，提高電能質(zhì)量。

5 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

5.1 電力系統(tǒng)節(jié)能

在電力系統(tǒng)節(jié)能方面應(yīng)用電力電子技術(shù)可以從兩個(gè)方面入手。一方面，可以借助變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的；另一方面，可以借助電力電子技術(shù)不斷提高電動(dòng)機(jī)的節(jié)電潛力，通過提高電能使用率充分發(fā)揮節(jié)電的作用。同時(shí)，需要將兩方面的應(yīng)用結(jié)合，以最大限度地發(fā)揮電力系統(tǒng)的節(jié)能作用。

通常情況下，電廠的配電和生產(chǎn)可能無法發(fā)揮機(jī)電組的作用，而且還可能出現(xiàn)嚴(yán)重浪費(fèi)電能資源與產(chǎn)生無功功率的問題。雖然可以通過控制變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來提高生產(chǎn)與配合的效果，然而在實(shí)際工作中存在較多的問題，如生產(chǎn)與配置負(fù)荷電動(dòng)機(jī)時(shí)需要花費(fèi)較多的成本，在實(shí)際工作中很容易影響電網(wǎng)，適用范圍較小，更適合應(yīng)用在中大型電廠。此外，當(dāng)前的電力設(shè)備在送電期間的電能損耗較大，生產(chǎn)成本較高，這也會(huì)影響電能質(zhì)量。因此，必須在配電系統(tǒng)中增加與配送系統(tǒng)有關(guān)的可控設(shè)備，以調(diào)控電能，確保電能的穩(wěn)定性與質(zhì)量，從而促進(jìn)整體節(jié)能效果的提高。

通常來說，交流異步電動(dòng)機(jī)與變壓器都會(huì)消耗無功功率與有功功率，為了保障電能質(zhì)量，需要控制有功電源與無功電源。若無法保證電力系統(tǒng)的無功平衡，很容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓下降，從而損壞設(shè)備。此外，功率不平衡很容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓崩潰解裂的問題，甚至造成大面積停電。若電網(wǎng)設(shè)備中出現(xiàn)明確的缺乏無功容量的問題，可以增加無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)，降低不良事故的發(fā)生率，避免浪費(fèi)電能。

5.2 輸電環(huán)節(jié)

5.2.1 靜止無功補(bǔ)償器

自進(jìn)入20世紀(jì)，在電力系統(tǒng)中靜止無功補(bǔ)償器得到了廣泛應(yīng)用。在較大功率的輸電系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子技術(shù)可以控制電壓，提高輸電功率系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般情況下，靜止無功補(bǔ)償器沒有旋轉(zhuǎn)部件，對(duì)大容量電容器的需求不大，而且可以通過利用無功功率獲得電感。此外，可以通過靜止無功補(bǔ)償器調(diào)控電抗器，進(jìn)而減少無功功率，提高電能利用率。

5.2.2 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要應(yīng)用。在傳統(tǒng)的電力輸送工作中，使用比較粗放的方法控制電力功率，很難在輸電時(shí)控制與調(diào)整電能，增加了輸電工作期間的電能損耗，顯著增加了輸電成本。在輸電線路運(yùn)行期間，需要發(fā)揮電力電子技術(shù)裝置的作用，使用柔性交流輸電技術(shù)實(shí)時(shí)控制各項(xiàng)參數(shù)，合理配置、利用輸電器件的電能功率，從根本上降低電能損耗與輸電成本損耗，為電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

5.2.3 高壓直流輸電裝置

在電力系統(tǒng)的輸電環(huán)節(jié)應(yīng)用高壓直流輸電技術(shù)，需要應(yīng)用晶閘管。在晶閘管中，晶閘管換流閥的應(yīng)用比較廣泛，以其為基礎(chǔ)，還出現(xiàn)了其他具有較強(qiáng)操作性的電力輸送控制器，如交直流轉(zhuǎn)換變壓器。在電力輸送設(shè)備的電流轉(zhuǎn)換期間，交直流轉(zhuǎn)換變壓器的使用率較低，可以節(jié)約電能成本。

5.3 發(fā)電環(huán)節(jié)

5.3.1 發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制與變頻調(diào)速

在電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用電力電子技術(shù)，主要是對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行勵(lì)磁控制與變頻調(diào)速。當(dāng)前，我國(guó)大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，也就是通過晶閘管進(jìn)行整流，并在自勵(lì)的基礎(chǔ)上控制靜止勵(lì)磁。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)的應(yīng)用在某種程度上可以讓原本靜止的勵(lì)磁控制構(gòu)造逐步變得更簡(jiǎn)單、成本更低且性能更高。此外，電力電子技術(shù)可以取代勵(lì)磁機(jī)，此時(shí)靜止勵(lì)磁可以實(shí)現(xiàn)快速且及時(shí)的自我調(diào)節(jié)，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

5.3.2 風(fēng)力與水力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁控制

水力發(fā)電機(jī)的輸出功率容易受到單位時(shí)間內(nèi)水力流動(dòng)量和水源頭壓力的影響，若水頭發(fā)生較大的變化，水力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作中，風(fēng)速僅影響風(fēng)力發(fā)電的有效功率，且二者成正比例的關(guān)系，即風(fēng)速越快，風(fēng)車轉(zhuǎn)速越快，有效功率越大。由此可見，可以通過調(diào)整風(fēng)力與水力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)勵(lì)磁電流頻率，確保發(fā)電機(jī)機(jī)組的電流頻率、輸出頻率及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一致性。在調(diào)控過程中，變速恒頻勵(lì)磁技術(shù)是核心技術(shù)，有利于充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功能。

5.3.3 風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速和太陽能發(fā)電控制機(jī)組控制

在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)應(yīng)用電力電子技術(shù)可以對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，以及對(duì)太陽能發(fā)電控制機(jī)組進(jìn)行控制。電廠的發(fā)電量較大，為了保證節(jié)能效果，可以在轉(zhuǎn)換高低壓時(shí)改變?cè)凶冾l器，借助風(fēng)機(jī)水泵變頻機(jī)實(shí)現(xiàn)高低壓的轉(zhuǎn)化的目標(biāo)，提高電能的使用效率，解決傳統(tǒng)工作中電能轉(zhuǎn)換效率不高且耗能大的問題。太陽能是新型能源，在發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面具有重要的作用。當(dāng)前，我國(guó)比較常見的是西門子太陽能發(fā)電廠和10～15 kV的獨(dú)立發(fā)電廠。結(jié)合實(shí)際工作可知，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的功率較大，而且通過太陽能發(fā)電機(jī)組發(fā)電需要對(duì)生產(chǎn)的電能進(jìn)行及時(shí)轉(zhuǎn)換。為了保障電能轉(zhuǎn)換的效率，需要應(yīng)用功率較大的電流轉(zhuǎn)換器，提高電能的使用效率。

6 結(jié)束語

綜上所述，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子技術(shù)可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障正常供電，節(jié)約成本，促進(jìn)資源的合理利用，提高電力系統(tǒng)的整體性能。因此，電力企業(yè)可在電力系統(tǒng)節(jié)能、輸電環(huán)節(jié)、發(fā)電環(huán)節(jié)等方面應(yīng)用電力電子技術(shù)，充分發(fā)揮電力電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高自身的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。