電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應用

陸偉

【摘要】目前，電力系統(tǒng)在我們的生活中是非常重要的，并且在我國的經濟發(fā)展中也發(fā)揮著不可估量的作用。本文分析了電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應用，以供同仁參考借鑒。

【關鍵詞】電力；電力系統(tǒng)；電子裝置；應用

引文：電力電子裝置能夠促進電力系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展和智能化轉型。從發(fā)電、儲能、微型電網、輸電和電能質量5個方面，介紹了電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的主要應用。從提高電力電子裝置可靠性、安全性、經濟性和標準化的視角，綜述了可靠性評估、故障運行管理、硬件在回路仿真和電力電子標準模塊的研究工作。

一、電力電子裝置的研究方向

（1）可靠性：目前，電力電子裝置自身具備較高的復雜性和多樣性，同時電力電子裝置發(fā)展的還不夠成熟與電力系統(tǒng)之間的關聯(lián)度也比較高，正是由于電子裝置的這些特點使得電力電子裝置自身的可靠性面臨著非常嚴峻的考驗。而電力電子裝置的可靠性較低會導致電力系統(tǒng)中的電流與電壓的供應量不足，從而導致電力電子的整個裝置受到破壞從而影響電網正常運行。

（2）安全性：要想保障電力電子裝置的安全，就需要對電力電子裝置中的故障進行排查和管理。當前的研究方向是研究恰當的診斷方法，從而能及時進行故障的診斷，對電力電子裝置的故障進行分析，結合實際的情況，盡可能地挖掘電力電子裝置中的故障特征，然后采取措施來避免發(fā)生故障，從而提高電力系統(tǒng)的運行性能，提高其安全性。

二、電力系統(tǒng)中電力電子裝置的主要應用

（1）發(fā)電環(huán)節(jié)：

發(fā)電機組勵磁。大型發(fā)電機組應用靜止勵磁技術，與勵磁機相比，具有調節(jié)速度快、控制簡單的特點，顯著提高了發(fā)電廠的運行性能和效率。水力發(fā)電機組應用交流勵磁技術，通過對勵磁電流頻率的動態(tài)調整，實現了發(fā)電系統(tǒng)對水頭壓力和水流量動態(tài)變化的快速調節(jié)，改善了發(fā)電品質，提升了發(fā)電效率。

風力發(fā)電。風電變流器通過整流器和逆變器將不穩(wěn)定的風能變換為電壓、頻率和相位符合并網要求的電能。隨著變流器拓撲結構向多電平拓撲方向發(fā)展，使得風力發(fā)電系統(tǒng)的容量和電壓等級逐步提高，有效降低了線路損耗和傳輸導線成本，促進了風電，特別是海上風電的大規(guī)模開發(fā)。目前國際上新的并網運行規(guī)則要求，在風力發(fā)電系統(tǒng)接入電網時，發(fā)電系統(tǒng)需具備有功功率控制、無功功率調節(jié)、并網頻率變化、故障穿越和低電壓穿越能力。

光伏電站。大型光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波器和升壓變壓器構成，是大規(guī)模集中利用太陽能的有效方式。通過給并聯(lián)逆變器施加“電網友好”的控制方案，光伏電站可以實現無功補償、有源濾波和動態(tài)電壓補償等功能。目前，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)正處于從示范到大范圍推廣應用的關鍵階段，因此，光伏電站的科學設計需要綜合考慮光伏陣列的組合方式、逆變器的組合方式及其并網拓撲等因素。

（2）電能存儲

可調速抽水蓄能。抽水蓄能電站通常由上水庫、下水庫和輸水及發(fā)電系統(tǒng)組成。在運行過程中，上下水庫落差不斷變化，因此抽水蓄能電站只有工作在變速狀況下才能取得最佳發(fā)電效率。目前，可調速抽水蓄能機組主要采用轉子繞組勵磁方式，勵磁調節(jié)系統(tǒng)通常采用基于晶閘管的周波變換器或基于全控器件的電壓型或電流型變換器。

壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能的工作原理為：當電力系統(tǒng)的用電處于低谷時，利用富余電量驅動空氣壓縮機，把能量以高壓空氣的形式存儲起來；當用電負荷處于高峰時，將儲氣空間內的高壓空氣釋放出來，驅動發(fā)電機發(fā)電。近年來，關于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直非?；钴S。在空氣壓縮過程中，通過采用變頻驅動技術可以大幅度調整電網負荷并提高空氣壓縮效率；在發(fā)電過程中，通過采用控制發(fā)電機的勵磁可以拓寬儲氣系統(tǒng)的發(fā)電運行范圍和發(fā)電效率。

電池儲能。電池儲能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)和功率調節(jié)系統(tǒng)。在電池系統(tǒng)中，采用小功率 DC/DC變換器可實現電池模塊的電流均衡。大功率和高增益DC/DC變換器可集成到電池模塊內，并作為電池模塊輸出接口實現串并聯(lián)成組，從而提高直流母線電壓等級、簡化均衡控制要求和優(yōu)化功率調節(jié)系統(tǒng)的拓撲。在功率調節(jié)系統(tǒng)中，電壓型四象限變換器作為電池系統(tǒng)與電網的電力電子接口，變換器可采用三相橋式模塊并聯(lián)型和H橋模塊級聯(lián)型拓撲，除了進行電池充放電管理外還能實現儲能系統(tǒng)的各項并網功能。

（3）微型電網：微型電網是由分布式電源、儲能裝置、功率變換器、相關負荷以及監(jiān)控保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。通過功率變換器的調節(jié)，微型電網可與外部電網并網運行，實現局部的功率平衡與能量優(yōu)化；在外部電網故障時，通過變換器的解列，使微型電網運行在獨立模式，可以繼續(xù)向關鍵負荷供電，提高用電的安全性和可靠性。實踐表明，將分布式電源以微型電網的形式接入到電網中并網運行，與電網互為支撐，是發(fā)揮分布式電源效能的最有效方式。

（4）輸電環(huán)節(jié)：

直流輸電。直流輸電包括常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電。與常規(guī)直流輸電相比，柔性直流輸電具有有功功率和無功功率獨立可控、無需濾波及無功補償裝置、可向無源負荷供電、潮流翻轉時電壓極性不變等優(yōu)勢，因而被廣泛應用。

分頻輸電。分頻輸電系統(tǒng)利用較低的頻率傳輸電能，可減少交流輸電線路電氣距離，提高系統(tǒng)傳輸能力，抑制線路電壓波動。在水電、風電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，十分適合利用低頻進行發(fā)電和輸電。目前，分頻輸電主要通過變頻器實現輸電線路與工頻電網的連接。

固態(tài)變壓器。固態(tài)變壓器是一種將電力電子變換技術和基于電磁耦合電能變換技術相結合，可對電壓或電流的幅值、相位、頻率、相數和形狀等特征進行變換的新型變壓器。

（5）電能質量：

無功補償。采用動態(tài)無功補償器對抑制系統(tǒng)功率振蕩、保持母線電壓穩(wěn)定、解決負荷電壓閃變和不平衡等問題有重要作用。鏈式靜止同步補償器（STATCOM）可以實現獨立分相補償和模塊化冗余設計，與靜止無功補償器（SVC）相比，具有無功功率連續(xù)可調、總諧波畸變率小、響應速度快、效率與可靠性高、易于擴展和占地面積小等優(yōu)點。

諧波治理。諧波治理分為從諧波源本身出發(fā)抑制諧波的主動諧波治理和增加額外諧波治理裝置的被動諧波治理。主動諧波治理采用多重化技術和脈寬調制技術，降低變流裝置注入電網的諧波。被動諧波治理采用混合型、級聯(lián)型有源電力濾波器（APF）和統(tǒng)一電能質量調節(jié)器（UPQC）等在諧波源外部進行動態(tài)諧波治理，可以減少網側電流諧波含量，提高電力設備效率和利用率。

電壓暫降抑制。在中低壓電力系統(tǒng)中，電壓暫降可引起企業(yè)的生產中斷、設備損壞和產品報廢。動態(tài)電壓恢復器（DVR）是一種基于電壓源逆變技術的串聯(lián)型電能質量控制器，可以動態(tài)補償正序、負序和零序電壓，抑制不平衡的電壓暫降。目前，采用從電網提取能量、無串聯(lián)變壓器的多電平逆變器方案是動態(tài)電壓恢復器的發(fā)展方向。

結束語：

當前，微型電網中對電能質量控制的方法、功率變流器在可再生能源發(fā)電中的可靠性、電壓源型換流器在風電場多端直流輸電系統(tǒng)中的應用的研究等都是當前電力電子裝置應用中亟需解決的問題。

參考文獻：

【1】韋林，廖慧昕，易干洪. 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究[J].數字技術與應用，2012（10）：97-98

【2】張文亮，湯廣福，查鯤鵬等. 先進電力電子技術在智能電網中的應用[J].中國電機工程學報，2010，30（4）：1-7.