變流技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳宇寧

(邵陽學(xué)院 湖南 邵陽 422000)

?

變流技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳宇寧

(邵陽學(xué)院 湖南 邵陽 422000)

電力電子技術(shù)，又稱功率電子技術(shù)，服務(wù)于以電力半導(dǎo)體器件及“變頻技術(shù)”為核心的電力電子行業(yè)，主要研究各種電力電子器件，以及這些電力電子器件所構(gòu)成的各種各樣能高效地完成對電能的變換和控制的電路或裝置?？梢哉f，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。

電力電子；變流技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

一、變流技術(shù)的概況

電力電子技術(shù)，又稱功率電子技術(shù)，服務(wù)于以電力半導(dǎo)體器件及“變頻技術(shù)”為核心的電力電子行業(yè)，是20世紀(jì)后期誕生和發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，主要研究各種電力電子器件，以及這些電力電子器件所構(gòu)成的各種各樣能高效地完成對電能的變換和控制的電路或裝置。作為一門新興學(xué)科，電力電子技術(shù)是以電力為研究對象的電子技術(shù)，它利用各種電力電子器件和控制技術(shù)對電能(包括電壓、電流、頻率和波形等)控制和變換。

二、電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子變流技術(shù)共有四大塊，即整流電路(AC-DC)、逆變電路(DC-AC)、交流調(diào)壓電路(AC-AC)、斬波電路(DC-DC)。它們在電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)起著舉足輕重的作用尤其是自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下介紹四大電路在電力系統(tǒng)中的作用。

(一)整流電路(AC-DC)

整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)在最早的一種，廣泛用于電能的變換電路，其作用是將交流電變換成大小可以調(diào)節(jié)的直流電，為直流用電設(shè)備供電，如電爐的溫度控制、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制、電鍍及電解電源控制等。用于大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制中，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。用于輸電環(huán)節(jié)，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。

隨著大功率全控性電力電子期間的誕生和發(fā)展，整流電路通過多相整流方式改變了輸出電壓的脈動頻率，使得輸出電壓基本實(shí)現(xiàn)了無脈動。通過對控制角的調(diào)節(jié)和功率因數(shù)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使得輸出電壓最大可能的提供給負(fù)載，減少電能在轉(zhuǎn)換過程中的能量損失。

(二)逆變電路(DC-AC)

電力系統(tǒng)中的逆變通常指的是無源逆變，即將直流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的不同頻率和電壓值的交流電，通常稱為逆變器。主要用于蓄電池、干電池、太陽能電池、交流電動機(jī)調(diào)速、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等。其核心部分都是逆變電路。逆變電路經(jīng)常和變頻的概念聯(lián)系在一起。

1.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)(尤其是抽水蓄能機(jī)組)，機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速亦隨之發(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.太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)

開發(fā)利用無窮盡的潔凈新能源——太陽能，是調(diào)整未來能源結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施。大功率太陽能發(fā)電，無論是獨(dú)立系統(tǒng)還是并網(wǎng)系統(tǒng)，通常需要將太陽能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所以具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統(tǒng)的核心。日本實(shí)施的陽光計(jì)劃以3～4kW的戶用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為主，我國實(shí)施的送電到鄉(xiāng)工程則以10～15kW的獨(dú)立系統(tǒng)居多，而大型系統(tǒng)有在美國加州的西門子太陽能發(fā)電廠(7.2MW)等。

3.發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并有完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。

三、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

(一)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。傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水利發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電能質(zhì)量較差，常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能的質(zhì)量，這就血藥電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也離不開電力電子技術(shù)。

(二)輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)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。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。直流輸電在長距離、大容量時(shí)有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年來發(fā)展起來的柔性交流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。

(三)配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

無功補(bǔ)償和諧波抑制對電力系統(tǒng)有重要意義。晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)都是重要的無功補(bǔ)償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源電力濾波器(APF)等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋Ｔ谂潆娤到y(tǒng)，電力電子裝置還可以用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量的控制，改善供電質(zhì)量。在變電所，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力電子技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活，在家用電器的節(jié)能方面，電力電子技術(shù)有著不可取代的作用。

[1]王兆安.電力電子技術(shù).第四版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，11.

[2]黃家善.電力電子技術(shù).第二版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009，2.

[3]李梅蘭.電力系統(tǒng)分析.第三版[M].北京：中國電力出版社，2005，8

陳宇寧(1995-)，男，漢族，河北石家莊人，本科在讀，邵陽學(xué)院，電氣工程及其自動化。