電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

歐陽修明

摘 要：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)，本文主要介紹電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用，并列舉目前存在的問題和解決方法。

關(guān)鍵詞：電力電子應(yīng)用 自動(dòng)化 電力系統(tǒng)

1 電力電子技術(shù)介紹

電力電子技術(shù)主要是用半導(dǎo)體電子器件進(jìn)行功率變換、控制及開斷電路的應(yīng)用技術(shù)，主要包括電力電子變換技術(shù)和電力電子控制技術(shù)。

1.1 電力電子變換技術(shù)

電力電子變換電路的基本功能是將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的形式，不論電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，其基本轉(zhuǎn)換電路只有4種形式：(1)整流電路AC—DC：(2)斬波電路DC—DC：(3)逆變電路DC—AC：(4)交流變換電路AC—AC。

1.2 電力電子控制技術(shù)

電力電子控制電路的基本功能是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能，一般的控制方式有：相控方式，頻控方式，斬控方式，相頻控制方式及斬頻控制方式,先進(jìn)的控制方式對(duì)改進(jìn)變換電路的性能和效率是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。

2.1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流并勵(lì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。

2.1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)水頭的變化幅度較大時(shí)，機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速變隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機(jī)組變速運(yùn)行，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。

2.1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

風(fēng)機(jī)水泵耗電量占火電設(shè)備總耗電量的一半以上，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)旋風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)

2.2.1 直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDC Light)技術(shù)

直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)

FACTS技術(shù)的概念問世于20世紀(jì)8O年代后期，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。2O世紀(jì)9O年代以來，國(guó)外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統(tǒng)工程。

2.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，是在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫ACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)均相同，功能也相似。

2.4 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

在電氣設(shè)備中，變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時(shí)，應(yīng)增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。

3 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中所產(chǎn)生的負(fù)面影響及解決方案

3.1電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的影響

主要影響包括電網(wǎng)品質(zhì)惡化，裝置的功率因數(shù)降低和無功消耗增大，負(fù)載的波形發(fā)生畸變等。無功功率對(duì)電網(wǎng)造成的影響是眾所周知的，它主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1)頻繁的無功功率負(fù)載沖擊會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低；

(2)增加電網(wǎng)上所連設(shè)備的容量；

(3)增加設(shè)備和線路的損耗。

諧波產(chǎn)生的危害主要有以下幾方面：

(1)諧波使電能產(chǎn)生和傳輸環(huán)節(jié)的效率降低；

(2)諧波使連在電網(wǎng)上的用電設(shè)備不能正常工作， 比如引起振動(dòng)、產(chǎn)生噪聲以及電機(jī)過熱甚至燒毀等；

(3)諧波很容易使電網(wǎng)上無功補(bǔ)償電容器和系統(tǒng)中的電抗器產(chǎn)生諧振，從而燒毀電容器及電抗器；

(4)諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使自動(dòng)控制系統(tǒng)失效；

(5)諧波還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致信息丟失、通訊設(shè)備中斷等。

3.2 電力系統(tǒng)諧波抑制及補(bǔ)償技術(shù)的研究

目前，裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波屬于比較可行的措施，主要有兩種治理方式：無源濾波器與有源濾波器，及由其兩者結(jié)合產(chǎn)生的混合有源濾波器，一般將混合有源濾波器歸為有源濾波器的種類中去，作為有源濾波器發(fā)展的一個(gè)分支。

3.2.1 無源電力濾波器

用無源電力濾波器進(jìn)行抑制諧波、補(bǔ)償無功和提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。無源濾波器(PPF)具有初期投資小，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。但PPF的濾波效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大，且只能消除特定次數(shù)的諧波，還可能與系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使設(shè)備過載甚至燒毀，而且裝置笨重，體積大，有效材料消耗多。

3.2.2 有源電力濾波器

與PPF相比，有源電力濾波器具有明顯的優(yōu)越性能，具體表現(xiàn)在：

(1)不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可同時(shí)補(bǔ)償無功功率、抑制閃變、調(diào)節(jié)和平衡三相不平衡電壓等；

(2)濾波特性不受系統(tǒng)阻抗和頻率的影響，可消除與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)，且對(duì)外電路的諧振具有阻尼作用；

(3)具有自適應(yīng)能力， 能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；

(4)不存在過載問題，當(dāng)負(fù)載諧波電流較大時(shí)，控制電路易實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)以提高系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

電力電子技術(shù)的發(fā)展掀開了科技史上的新篇章，也帶來很多需要不斷解決的問題，比較典型的就是引起電力系統(tǒng)中的諧波污染問題，必須再利用電力電子技術(shù)對(duì)其進(jìn)行有效的治理。

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