基于電工電子技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：近年來，全國(guó)范圍對(duì)電力資源需求的提升，對(duì)電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。如何解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中存在的監(jiān)督管理不足、配電環(huán)節(jié)等問題，成為相關(guān)研究者關(guān)注的問題?；诖?，為保障用戶的用電質(zhì)量和用電安全，本文以電工電子技術(shù)為主，對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開了研究，并對(duì)變壓器、交流側(cè)濾波等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證，本文的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低電力企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞：電工電子技術(shù)；電力系統(tǒng)；輸電系統(tǒng)；配電系統(tǒng)

一、引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和電力需求的不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為當(dāng)今世界不可或缺的重要領(lǐng)域。電工電子技術(shù)作為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效傳輸提供了有力支持。同時(shí)，電工電子技術(shù)的應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及對(duì)電力傳輸質(zhì)量效率等方面有著直接的影響。其不僅涉及電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)，還涉及電力設(shè)備的制造、安裝、調(diào)試和維修。電工電子技術(shù)的應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的性能得到了顯著提升，同時(shí)也為電力系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。本文將詳細(xì)介紹基于電工電子技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)原理和應(yīng)用實(shí)踐，以期為提高我國(guó)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和效率提供有益借鑒。

二、電工電子技術(shù)的概述

電工電子技術(shù)是傳統(tǒng)電工技術(shù)與現(xiàn)代電子信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以傳統(tǒng)電工技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新電工電子應(yīng)用技術(shù)，集中電工技術(shù)和電子技術(shù)的作用，實(shí)現(xiàn)多角度融合，是時(shí)代進(jìn)步的必然需求。在電力系統(tǒng)的發(fā)展過程中，電工電子技術(shù)的作用越來越重要，它不僅提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還降低了運(yùn)營(yíng)成本。此外，電工電子技術(shù)還推動(dòng)了電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，使電力系統(tǒng)更加完善、效率更高、技術(shù)手段更先進(jìn)。

要深入理解電工電子技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展的作用，可以從其特點(diǎn)方面逐一進(jìn)行分析。電工電子技術(shù)具有集成化、全控化、高頻化以及高效化等特點(diǎn)。首先，從全控化特點(diǎn)方面來看，電工電子技術(shù)的全控化實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)中各器件的全自動(dòng)化關(guān)斷以及全面控制，能夠有效提高系統(tǒng)的效能。全控化能力還為電力系統(tǒng)設(shè)備提供了智能化功能，能夠提升電力系統(tǒng)的自主調(diào)控和自動(dòng)化處理能力，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)發(fā)展提供有力支持；其次，從高頻化方面來看，具體表現(xiàn)為電力系統(tǒng)中電子設(shè)備的芯片高度集成化。電工電子技術(shù)的應(yīng)用，可以根據(jù)需求來提高電器元件的頻率，以此達(dá)到降低電能損耗和機(jī)械磨損的目的，使得電器元件的使用周期得到提升；最后，站在高效化角度，降低電力器件的損耗率，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和器件的開關(guān)速度，從而保障了電力系統(tǒng)的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

三、基于電工電子技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

（一）電力系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保障新能源接入后，電力系統(tǒng)保持安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)引入電工電子技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的基本架構(gòu)也面臨著新的挑戰(zhàn)和變革。為了應(yīng)對(duì)這些問題，國(guó)家能源局于2023年發(fā)布了《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》，明確了新型電力系統(tǒng)的發(fā)展理念、內(nèi)涵特征和發(fā)展路徑，提出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的總體架構(gòu)和重點(diǎn)任務(wù)。本文將圍繞新型電力系統(tǒng)總體架構(gòu)進(jìn)行探討，并展望其發(fā)展前景。新型電力系統(tǒng)總體架構(gòu)以“一個(gè)基本目標(biāo)、一條主線引領(lǐng)、四大體系建設(shè)、三維創(chuàng)新支撐”為核心，構(gòu)建清潔、高效、安全、智能的電力系統(tǒng)，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電力的需求。一條主線引領(lǐng)：以電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展為主線，推動(dòng)電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)的能源消費(fèi)型向能源節(jié)約型、清潔型、智能型轉(zhuǎn)變。四大體系建設(shè)：分別是能源供應(yīng)體系、能源消費(fèi)體系、能源技術(shù)體系、能源政策體系。三維創(chuàng)新支撐：技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、制度創(chuàng)新，為新型電力系統(tǒng)發(fā)展提供有力支撐。

（二）發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.靜止勵(lì)磁技術(shù)

基于電工電子技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電工電子技術(shù)的應(yīng)用，可為系統(tǒng)提供充足的動(dòng)力，保障發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中，從靜止勵(lì)磁技術(shù)應(yīng)用，控制大型發(fā)電機(jī)組靜止勵(lì)磁的，保障了電能的穩(wěn)定傳輸，優(yōu)化變頻電源轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率，保障了發(fā)電系統(tǒng)功率控制的有效性，提高了電力系統(tǒng)的控制能力（勵(lì)磁系統(tǒng)如圖2所示）。在靜止勵(lì)磁的應(yīng)用中，電子電工技術(shù)還為電力系統(tǒng)帶來了許多其他優(yōu)勢(shì)，例如，它可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化控制，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，電子電工技術(shù)還可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.恒頻勵(lì)磁

在風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電中，恒頻勵(lì)磁技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。恒頻勵(lì)磁技術(shù)通過利用先進(jìn)的電子電工技術(shù)，確保發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中保持恒定的頻率，對(duì)于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性至關(guān)重要。在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，恒頻勵(lì)磁技術(shù)能夠確保風(fēng)能有效轉(zhuǎn)化為電能，并保持穩(wěn)定的輸出頻率。同樣，在水力發(fā)電設(shè)備中，恒頻勵(lì)磁技術(shù)能夠確保水流或水輪機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力有效轉(zhuǎn)化為電能，并保持穩(wěn)定的輸出頻率。

3.機(jī)泵變頻調(diào)速

在電力系統(tǒng)中，機(jī)泵變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于確保電力輸送的穩(wěn)定性和效率具有重要意義。當(dāng)電力輸送電壓的高低極限值存在較大差異時(shí)，機(jī)泵變頻調(diào)速裝置能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。新型的水泵變頻技術(shù)可以顯著降低高壓電能與低壓電能的轉(zhuǎn)換成本，并提高交流電與直流電的連接順暢性，有助于提升整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，確保電力輸送的穩(wěn)定性和可靠性。

（三）輸電線路設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)中，輸電環(huán)節(jié)是確保電能安全、穩(wěn)定、高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。隨著電工電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。首先，電工電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠提高輸電效率，降低資源損耗。在輸電過程中，由于各種因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無功損耗等現(xiàn)象，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。而電工電子技術(shù)，可以優(yōu)化輸電系統(tǒng)，減少無功損耗，提高輸電效率，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。其次，電工電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠提高輸電系統(tǒng)的安全性。在輸電過程中，由于各種不確定因素的存在，可能會(huì)導(dǎo)致輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常情況。而通過應(yīng)用電工電子技術(shù)，可以對(duì)輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問題，確保輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。最后，電工電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在高壓直流電輸電技術(shù)和柔性交流電輸電技術(shù)方面。在高壓直流電輸電技術(shù)中，電工電子技術(shù)可以提高換流閥和晶閘管的移動(dòng)效率。在柔性交流電輸電技術(shù)中，電工電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電量消耗的全面控制，提高電力系統(tǒng)的電能輸出速度，增強(qiáng)電力系統(tǒng)中輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

（四）配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電環(huán)節(jié)是電力系統(tǒng)中將電能輸送到用戶端的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于確保用戶用電的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。電子電工技術(shù)在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，能夠通過智能化、精確化的方式，提高電能分配的效率和安全性。同時(shí)，還能夠確定供電點(diǎn)和負(fù)荷點(diǎn)的位置，規(guī)劃合理的配電網(wǎng)絡(luò)，確保電能傳輸?shù)男屎推胶??？紤]不同負(fù)荷類型和功率因素對(duì)配電系統(tǒng)的影響，進(jìn)行負(fù)荷流量計(jì)算和功率因數(shù)校正。首先，電子電工技術(shù)能夠智能檢測(cè)電路中的電能損耗。這種技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，精確計(jì)算電能損耗，并根據(jù)損耗大小判斷用電狀況。通過這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以更加合理地進(jìn)行電能分配，避免資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電能的高效利用。其次，在配電過程中，保證用電安全是非常重要的環(huán)節(jié)。電子電工技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)中的用電狀況進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的監(jiān)控，一旦檢測(cè)到系統(tǒng)出現(xiàn)用電故障，配電系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)電流或電壓波動(dòng)。系統(tǒng)可采用合適的開關(guān)設(shè)備（如斷路器和接觸器）和保護(hù)裝置（如熔斷器和過載保護(hù)器）進(jìn)行配電系統(tǒng)的安全保護(hù)。同時(shí)，可考慮并聯(lián)電容器或其他無功補(bǔ)償設(shè)備，以提高功率因數(shù)并減少無功功率流失。通過電子電工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中相應(yīng)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷和處理，能夠確保用戶的用電安全。最后，電子電工技術(shù)還可以對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。通過分析電能損耗、用電狀況等數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)存在的問題和不足，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化和改進(jìn)。這有助于提高配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低電能損耗，提高用戶滿意度。

（五）交流側(cè)濾波設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，電路運(yùn)行時(shí)每一向都具備一個(gè)對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)。一般情況下，相差數(shù)值為2/3，輸出線電壓基波分量為：

（1）

在公式（1）中，輸出電線的電壓基波分量、調(diào)制深度、直流電壓、調(diào)制波頻率等分別由u、m、Ud及w來表示；調(diào)制時(shí)間和相角分別由t和f來表示。根據(jù)公式（1），電力系統(tǒng)中電力電子變壓器的輸入和輸出，均以電壓換流器為主，然后采用脈寬調(diào)制技術(shù)，進(jìn)行濾波處理。同時(shí)，換流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠從一定程度上對(duì)電壓進(jìn)行過濾處理。為了避免輸出的電壓出現(xiàn)諧波失真從而無法滿足需求的情況，保障電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)載負(fù)荷需求，系統(tǒng)還需要采用無源濾波器對(duì)電力系統(tǒng)的交流側(cè)濾波進(jìn)行處理，以此提高電能的質(zhì)量。

（六）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力電子控制器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于控制和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。針對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以通過電力電子控制器采集系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和控制邏輯，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，從而使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定和安全，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的可靠性和效率。并且，還可以結(jié)合需求設(shè)計(jì)監(jiān)控與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷情況和故障信息。控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷e986948614e3a1d6cc54eac764f117a7b2f1cb95dd05d45f0af172cdcfc0469f平衡，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況調(diào)整發(fā)電和配電策略，控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，如調(diào)度中心可以自動(dòng)切換發(fā)電機(jī)組、調(diào)整變壓器的負(fù)載分配等。

（七）安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力電子保護(hù)裝置，用于保護(hù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電力電子保護(hù)裝置能夠迅速檢測(cè)到故障信號(hào)，切斷故障線路，避免故障擴(kuò)大，從而保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。電力電子保護(hù)裝置包括繼電器、斷路器等，用于過流保護(hù)、接地保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)等。設(shè)計(jì)電力電子保護(hù)裝置時(shí)，還能夠根據(jù)不同電氣設(shè)備的特點(diǎn)和負(fù)荷情況，確定合適的保護(hù)參數(shù)和保護(hù)策略，確保系統(tǒng)和設(shè)備在故障情況下的安全可靠運(yùn)行。保護(hù)裝置的應(yīng)用還能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行故障記錄和事件分析，定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和巡檢，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[5]。

（八）質(zhì)量控制

配電系統(tǒng)是管控電能質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。首先，電工電子技術(shù)可為配電系統(tǒng)帶來實(shí)時(shí)調(diào)控能力。通過晶閘管等先進(jìn)設(shè)備，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整諧波、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，從而確保電能質(zhì)量始終滿足控制要求，并有效預(yù)防系統(tǒng)的瞬間波動(dòng)。其次，電工電子技術(shù)具有全頻化和集成化特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用電工電子技術(shù)，為改進(jìn)工頻配電系統(tǒng)變壓器提供了新的可能。這些技術(shù)不僅有助于解決傳統(tǒng)變壓器存在的過度污染和設(shè)備體積大等問題，還能進(jìn)一步提高配電系統(tǒng)的效率和可靠性。最后，為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理和信息安全性，需要結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)搭建實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以將分類后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存到電力系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，為電能質(zhì)量控制提供有效依據(jù)。同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力，能夠?yàn)楹罄m(xù)的系統(tǒng)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力支持，從而為用戶提供更加安全、可靠、高效的電力服務(wù)。

四、結(jié)束語

綜上所述，通過電子電工技術(shù)的引入，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化和升級(jí)提供了新的解決方案。電子電工技術(shù)不僅有助于提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還能優(yōu)化電能的應(yīng)用水平，使電力系統(tǒng)向著智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。同時(shí)，電子電工技術(shù)還能有效解決電力系統(tǒng)運(yùn)行中遇到的問題，保障了發(fā)電、配電、輸電等環(huán)節(jié)的安全性與穩(wěn)定性。未來，為了充分發(fā)揮電子電工技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)技術(shù)人員與研究人員需要不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，培養(yǎng)專業(yè)的技術(shù)人才，積極引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)理論，不斷完善電力系統(tǒng)的應(yīng)用功能，從而更好地滿足社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的需求，推動(dòng)電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步。

作者單位：秦育亮 廣饒縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校

秦育亮（1988.06-），男，漢族，山東東營(yíng)，本科，講師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用、電子信息工程。

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