電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用

山東中實易通集團有限公司 常立望

1 電子電力技術(shù)概述

1.1 電子電力技術(shù)的定義

電子電力技術(shù)是一種新型電力系統(tǒng)技術(shù)，從概念上講，電子電力技術(shù)是指將信息技術(shù)和電氣技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電能的有效控制、傳輸及利用，從而提高電能使用效率的先進的技術(shù)。從功能上講，以信息技術(shù)為基礎是其本質(zhì)特征。其包括以下四個基本要素，第一是通過信息處理手段，使各種物理量之間的聯(lián)系得到充分表達。第二是通過各種通信方式，實現(xiàn)信息的傳遞。第三是采用各種檢測和控制裝置，實現(xiàn)信息的獲取和轉(zhuǎn)換。第四是通過各種計算方法和軟件，對所獲得的信息進行分析、判斷，并做出相應的控制。

1.2 電子電力技術(shù)的分類

根根據(jù)不同的劃分方法，可將現(xiàn)代電子電力的類型分為，按用途分類：如用于輸配電系統(tǒng)中的變流設備，用于用電系統(tǒng)的配網(wǎng)自動化設備，以及用于發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)和電廠計算機控制系統(tǒng)等。通常來說，電子電力技術(shù)的分類見表1。

表1 電子電力技術(shù)分類表

1.3 電子電力技術(shù)的原理

電子電力技術(shù)是一種通過使用電力電子器件，達到對電能進行變換和控制的技術(shù)。電能變換是指在輸入和輸出的過程中，將電壓電流以及頻率，相位和相數(shù)中的一項進行改變。其中，單相半波可控制流帶電阻負載的工作情況如圖1所示，其中的電壓與電流成正比例關(guān)系，兩者的變化波形是一樣的。

圖1 能流開關(guān)模型圖

當晶閘管承受正向陽極的電壓，形成施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用α表示，這個電角度也被叫做觸發(fā)角或者是控制角，并用θ表示晶閘管在一個電源周期中通態(tài)的電角度。直流輸出的電壓平均值為：Ud=1/2π∫πα√2U2sinωtd（ωt）=√2U2/2π（1+cosα）=0.45U21+cosα/2，VT的α移相的范圍為180°，其中通過對觸發(fā)脈沖的控制相位來控制直流的輸出電壓的大小變化，這種方式稱為相位控制方式。

2 電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用價值

2.1 優(yōu)化電網(wǎng)資源

對資源的優(yōu)化配置，不僅是對新資源進行優(yōu)化分配，其中也包括對舊設備的最大限度的利用。人們所熟悉的柔性交流輸電技術(shù)，可以通過對已有的電網(wǎng)設施的應用，達到對可再生資源的優(yōu)化，如水電以及核電的運輸輸送。通過這樣的方式可以最大限度地將資源進行利用，有效實現(xiàn)降低成本的目的，同時還有一定的環(huán)保作用。

我國社會經(jīng)濟在發(fā)展過程中存在的問題主要是資源的分布情況不均勻，這種情況如果在隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展中無法得到解決，將會激化資源供求之間的矛盾，甚至會出現(xiàn)一系列的效應，引發(fā)更多的社會問題。而應用這種電能。通過這樣的傳輸方式，在一定程度上可實現(xiàn)電能的均勻分配，進一步優(yōu)化資源，有效緩解我國電能的供求矛盾，穩(wěn)定社會的發(fā)展，保障經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展，這樣對電網(wǎng)的優(yōu)化，在實踐中的效果是非?？捎^的。

2.2 保障電網(wǎng)的安全運行

目前，在我國智能電網(wǎng)的建設中，即使對電子電力技術(shù)的應用較為廣泛，但在實際的應用中還是存在一些問題，如缺少完善對相應的應用進行評估的體系。為實現(xiàn)電子電力技術(shù)的有效應用，安全是不容忽視的關(guān)鍵問題，在建設智能電網(wǎng)的過程中，安全性也具有重要的意義。結(jié)合我國目前的電網(wǎng)構(gòu)架可發(fā)現(xiàn)，有較多需要優(yōu)化和完善的地方。如在輸電和配電的問題上，有較多的不足和問題。為此，在建設智能電網(wǎng)的實際工作中，要靈活開發(fā)交流輸電的裝置。并要加強對電網(wǎng)構(gòu)架的完善。在社會經(jīng)濟發(fā)展的進程中，對電力的需求也在不斷增加，因此智能電網(wǎng)的建設也符合社會發(fā)展的需求，是電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。

此外，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也會變得越來越復雜。加上我國部分地區(qū)自然災害頻發(fā)，如地質(zhì)災害和氣候災害等，這也對智能電網(wǎng)的建設增加了難度。這就需要在建設智能電網(wǎng)的過程中，有效應用先進的電子電力技術(shù)，強化對電力系統(tǒng)的控制，以及對電網(wǎng)構(gòu)架的優(yōu)化，進一步確保電網(wǎng)輸電和配電的安全性。

2.3 提升輸電的質(zhì)量

電力電網(wǎng)的運行隨著社會經(jīng)濟水平的提高而有更高的要求，在傳輸過程中，電能的質(zhì)量一直都是關(guān)注的焦點問題。通過對電子電力技術(shù)的有效應用，可進一步保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。對電能資源的質(zhì)量的提升具有重要的意義，有效滿足社會發(fā)展的需求。在目前的電網(wǎng)建設中，對電子電力器件系統(tǒng)的控制器的應用較為廣泛。此外，在通信技術(shù)的控制和保護下，可進一步提高電網(wǎng)的自適應和恢復能力。同時，微網(wǎng)和能量存儲的技術(shù)，也可以使用戶有更多的選擇，對建設高效的智能電網(wǎng)具有重要意義。

3 電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用

3.1 柔性交流技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，是將可持續(xù)發(fā)展理念作為基礎，強調(diào)對風能以及電能等新能源的充分利用。智能電網(wǎng)的建設比較注重新能源以及清潔性，柔性交流輸電技術(shù)不僅具備電子電力的控制性能，其還將現(xiàn)代微電子以及通信技術(shù)有效融合，并進一步發(fā)展，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)交流輸電的整個過程進行有效控制這一目的，并且可對輸電的動態(tài)進行實時的掌握，這一技術(shù)可有效保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。目前，在我國建設智能電網(wǎng)的過程中，高壓輸電系統(tǒng)通常是建設基礎，在建設中對這一輸電技術(shù)的應用過程中，要對新能源與清潔能源之間的隔離以及介入進行綜合分析。

目前，在我國柔性交流輸電系統(tǒng)中主要應用的是換流器，其大多數(shù)采取的是自換相模式，通過獨立控制的方法，該技術(shù)在偏遠地區(qū)的供電中，適用性更強，對電網(wǎng)的整體傳輸能力有很強的提升作用。柔性交流輸電技術(shù)融合發(fā)展了交流與控制技術(shù)，可調(diào)節(jié)和控制各項電力的參數(shù)，將輸送電力過程中的線損降到最低，確保輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.2 互動式交直流混合微電網(wǎng)

互動式交直流混合微電網(wǎng)是將交直流兩種不同的能源形式有機結(jié)合起來的微網(wǎng)，該微網(wǎng)由多個微型電源組構(gòu)成，能夠同時向多個用戶提供有功或無功電源。

3.3 智能開關(guān)

在智能電網(wǎng)的建設中，對電子電力技術(shù)較為常用的應用技術(shù)就是智能開關(guān)。該技術(shù)可對指定位置的電流電壓進行控制，使其閉合或者切斷，可起到保護系統(tǒng)，避免出現(xiàn)過流的現(xiàn)象，同時可避免漏電的現(xiàn)象發(fā)生，進一步確保電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和安全。

3.4 高壓變頻技術(shù)

高壓變頻技術(shù)也是一種較為常用的技術(shù)，目前這一技術(shù)的應用不僅在電網(wǎng)中應用，且在日常生活中也被廣泛應用[1]。由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行模式為大容量、高頻率，因此為了保證整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要通過電壓控制的方式，對輸電和用電設備的端電壓進行實時監(jiān)測，從而確保各設備端電壓不超過額定值，防止發(fā)生故障或事故時，出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象。這一技術(shù)可幫助企業(yè)實現(xiàn)降電能消耗的目的，可有效節(jié)約電能，對帶能資源進行優(yōu)化配置。不僅有保護環(huán)境減少污染的作用，還有降低企業(yè)的運行成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟收益的作用。

在我國目前的發(fā)展市場中，高壓變頻技術(shù)的應用潛力較大。這一技術(shù)最大的優(yōu)點就是有較強的節(jié)電率，最高可達30%。但這一技術(shù)也有一定的缺點，就是應用的成本較高。以500kW的高壓變頻器為例，其參數(shù)如下：輸出電流0～35A；額定輸入電壓10kV，允許變化的范圍-20%～+15%；額定輸入頻率50Hz，允許變化的范圍-10%～+10%；諧波＜3%。

3.5 高壓直流輸電技術(shù)

直流電在直流輸電系統(tǒng)中，一般只存在輸電的環(huán)節(jié)中，交流電依然是主要的形式，存在在發(fā)電和用電的環(huán)節(jié)中。在整個輸電線路的送端中，交流系統(tǒng)的交流電，在經(jīng)過換流站的環(huán)節(jié)時，換流變壓器的作用下，被輸送到整流器中，這在一過程中，高壓交流電可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，并最終在直流的輸電線路中進行輸送。輸電線路將直流電輸送到受端換流站中的逆變器，這個過程中，高壓直流電又被轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏航涣麟姟Ｔ谥绷鬏旊娤到y(tǒng)中控制換流器的作用下，可以工作于整流或者是逆變中。在輕型直流輸電系統(tǒng)中，組成換流器的，一般采用的是可關(guān)斷的器件，這樣可以提高中型直流輸電工程，在完成較短輸送距離的輸電任務中的競爭力。

3.6 無功補償

通過實時監(jiān)測負荷，動態(tài)調(diào)整無功功率，從而改善電壓質(zhì)量。根據(jù)負荷特性，可以將無功補償分為感性無功補償和無功就地平衡兩類。無功補償是實現(xiàn)動態(tài)平衡的重要手段之一，目前大部分配網(wǎng)系統(tǒng)均采用靜止補償方式。靜止補償一般由變電站、線路等負荷側(cè)設備完成，需要大量的無功功率進行支撐。如果將部分負荷轉(zhuǎn)移至用戶側(cè)，一方面可減少線路損耗，另一方面也可有效降低用戶的線損[2]。

3.7 能量轉(zhuǎn)換以及儲能技術(shù)

能耗低，污染低以及排放量低是社會發(fā)展的重要方向，其中最關(guān)鍵的就是能量轉(zhuǎn)換以及儲能技術(shù)的應用?？梢宰畲笙薅壤蔑L能以及太陽能等可再生能源。目前，我國已經(jīng)掌握風力發(fā)電組變流器的控制技術(shù)，對風電場的并網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)和有效運行，將逐漸成為電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。隨著新能源的快速發(fā)展，光伏發(fā)電和風電逐漸成為主要的發(fā)電量，然而，其巨大的能量密度卻難以有效利用。

為了解決這一問題各國均提出了各種儲能方案。其中，抽水蓄能電站因其具有投資少、見效快及可再生等特點，受到廣泛青睞。利用儲能技術(shù)對間歇式用電進行削峰填谷，從而提高系統(tǒng)效率。抽水蓄能的優(yōu)勢在于，其可調(diào)節(jié)性更強，且具有大容量特點，適合作為備用電源。能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)在智能電網(wǎng)的建設中，主要的應用是風能和太陽能，通過大規(guī)模的間歇性電源以及微網(wǎng)等，采用并網(wǎng)運行的方式，對可再生資源進行利用。

3.8 可控串補技術(shù)

是指通過控制電源電壓的波動范圍使輸出電壓穩(wěn)定在某一值的技術(shù)。可控串補技術(shù)是實現(xiàn)無觸點穩(wěn)壓電路的基礎，也是電力電子裝置中不可缺少的一種技術(shù)?？煽卮a技術(shù)利用串補器實現(xiàn)多臺并聯(lián)電機的功率控制。串補器的功能是把各相繞組的交流電壓按一定的比例進行分配。當某相繞組發(fā)生故障時，串補器將故障相的電壓降低到零。當其他正常相的繞組有電流通過，則該相繞組的電壓就會升高到原來的值，從而保證整個電網(wǎng)中的電壓和頻率不變，使設備免受損壞。

在電力系統(tǒng)中，為了維持系統(tǒng)的正常運行，要求系統(tǒng)中的各部分之間必須有一定的聯(lián)系，即要有無功功率的傳送。因此，無功補償裝置是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設備之一。目前，我國的無功補償方式主要有晶閘管的投切式、晶閘管的復合式、靜止同步電動機和電磁閥投切式。由于晶閘管的投切式和無功自動調(diào)節(jié)技術(shù)的應用，提高了電力系統(tǒng)的運行效率。

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟的快速增長以及電力的發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設和發(fā)展，也是未來電力發(fā)展的主要方向，而在智能電網(wǎng)的建設中，電子電力技術(shù)的應用可以有效提升電網(wǎng)的運行質(zhì)量。