電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

頡風(fēng)

（包頭供電局 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014060）

電力電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)，伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越深入。電力電子技術(shù)的核心是完成電力的互換，通過(guò)對(duì)電能進(jìn)行互換和控制，能夠提高電力運(yùn)用的靈活性與便捷性，讓電能在社會(huì)生產(chǎn)與人們生活中發(fā)揮更大的作用。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛和深入。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)達(dá)國(guó)家人們所使用的電能中，有超過(guò)58%的電能都是通過(guò)電力電子變流設(shè)備處理后輸送出去的。沒(méi)有電力電子技術(shù)的支持，發(fā)展現(xiàn)代化高技術(shù)電力系統(tǒng)也就無(wú)從談起。直流電通常應(yīng)用在距離跨度大、電能龐大的電力傳輸上，在利用這種方式進(jìn)行電能輸送時(shí)，輸出端的整流閥以及輸入端的逆變閥均裝配有晶閘管變流設(shè)施。此外，柔性交流輸電也要依托于電力電子設(shè)施才能夠正常運(yùn)行。當(dāng)下，電力電子設(shè)施在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，在推動(dòng)電力系統(tǒng)不斷改進(jìn)和完善上發(fā)揮了重要作用。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展

從20 世紀(jì)50年代中期到70年代末期，電子電力技術(shù)以晶閘管為基礎(chǔ)獲得了大范圍的應(yīng)用。電力電子技術(shù)在促進(jìn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，并對(duì)傳統(tǒng)晶閘管進(jìn)行了優(yōu)化與升級(jí)，增加了可控硅整流設(shè)施，該裝置的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)獲得了質(zhì)的飛躍。在此之后，人類對(duì)電能的控制以及變換逐步踏入到以電子電力技術(shù)為核心的變流器時(shí)代[1]。因此，可控硅整流設(shè)施的應(yīng)用預(yù)示著電子電力技術(shù)的正式問(wèn)世。

電子電力技術(shù)在被發(fā)明之后，在電力系統(tǒng)中就有著較為廣泛的應(yīng)用，并在之后經(jīng)歷了三次重大的發(fā)展?；诘谝淮娏﹄娮蛹夹g(shù)生產(chǎn)的最典型器件就是二極管以及晶閘管，當(dāng)時(shí)的電力電子器件都具有體積小、功耗低的特征[2]。在電子電力技術(shù)出現(xiàn)之后，對(duì)傳統(tǒng)的汞弧整流器產(chǎn)生了巨大沖擊，并在極短的時(shí)間內(nèi)完全取代了汞弧整流器，為電力電子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供了巨大幫助。此外，通過(guò)電力二極管的使用，還能夠有效強(qiáng)化電路的性能，具體表現(xiàn)為縮小電路對(duì)電能的損耗，同時(shí)改善電能的利用效率[3]。

隨著電子電力技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，當(dāng)下整流二極管的類型豐富多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也更加完善和強(qiáng)大。緊接著到20 世紀(jì)70年代末期，產(chǎn)生第二代電力電子器件，這一代的電子電力器件在原有功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)關(guān)斷功能[4]。于此同時(shí)，相比較于初代的可控性電子電力器件，這一代的器件的開(kāi)關(guān)速度有了質(zhì)的飛躍，能夠滿足更多的高頻率開(kāi)關(guān)運(yùn)行電路中。

圖1：晶閘管控制電抗器的接線示意圖

圖2：雙極聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)原理圖

圖3：三相PWM 變壓器工作示意圖

電力電子技術(shù)在發(fā)展到20 世紀(jì)90年代時(shí)，出現(xiàn)了第三代電力電氣器件，并且隨著電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，對(duì)電子電力器件的結(jié)構(gòu)和造型有了更加嚴(yán)格的要求，使得第三代電力電子器件的體積更加微小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局也更加密實(shí)。同時(shí)在應(yīng)用需要標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越苛刻的背景下，還將不同類型的電力電子器件組合成一個(gè)模塊，有效提升了電力電子器件運(yùn)用的靈活性與便捷性。緊接著依托于集成模塊，將用于控制電力電子技術(shù)的不同電力器件聯(lián)系起來(lái)，使之形成集成電路。伴隨著功率集成電路的問(wèn)世，進(jìn)一步推動(dòng)了電力電子技術(shù)向高頻化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化以及集成化方向邁進(jìn)[5]。

2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

通常情況下，該補(bǔ)償裝置主要實(shí)現(xiàn)的功能是強(qiáng)化輸電系統(tǒng)的可靠性、提高電能品質(zhì)以及閃變抑制等。以往交流電網(wǎng)中使用的機(jī)械控制效果不理想，不僅控制動(dòng)作遲緩、不連續(xù)，同時(shí)精準(zhǔn)性也較低，隨著靈活交流輸電系統(tǒng)技術(shù)的運(yùn)用，有效解決了這樣的問(wèn)題，在改善輸電系統(tǒng)的輸電效能、潮流控制水平、保障電力系統(tǒng)可靠性與降低系統(tǒng)振蕩上發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。當(dāng)下，主流的靈活交流輸電裝置主要有靜止無(wú)功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器等[6]。

晶閘管控制電抗器是靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置中的一種，該電抗器主要包含了兩個(gè)晶閘管與一個(gè)電抗器，前者并聯(lián)后與后者串聯(lián)起來(lái)，在調(diào)整晶閘管觸發(fā)延遲角參數(shù)后，就能夠得到不同的電流值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器基波無(wú)功功率的無(wú)極變更[7]。如圖1 所示為晶閘管控制電抗器的接線示意圖。

和靜止無(wú)功補(bǔ)償器相比較，靜止同步補(bǔ)償器擁有更加優(yōu)秀的調(diào)節(jié)速度、運(yùn)行范圍更廣泛，同時(shí)在引入多電平與PWM 技術(shù)等手段之后，能夠顯著降低補(bǔ)償電流中的諧波占比率。能夠取得這樣的效果，主要是由于在電網(wǎng)上并聯(lián)了一個(gè)自換相橋式電路，對(duì)相橋式電路中的電壓相位以及幅值進(jìn)行更改，就能夠控制無(wú)功電流的收發(fā)量，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

2.2 高壓直流輸電技術(shù)

高壓直流輸電是指將發(fā)電廠產(chǎn)生的交流電，利用換流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，之后依托于輸電線纜將直流電傳輸?shù)侥康牡?，緊接著將直流電變換為交流電，輸送給各個(gè)用戶。通過(guò)高壓直流輸電進(jìn)行電力傳輸具有非常大的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠提高電能傳輸?shù)墓β剩瑫r(shí)也能夠有效降低線路建造成本，還可以加強(qiáng)對(duì)電能傳輸?shù)目刂?，因此，高壓直流輸電能夠很好的滿足現(xiàn)階段高電壓大流量、遠(yuǎn)距離輸電以及異步聯(lián)網(wǎng)的需求。相比較于交流輸電線路，直流輸電線路不僅擁有消耗費(fèi)用少、電能損耗率低的優(yōu)勢(shì)，在電能輸送過(guò)程中還具有很好的穩(wěn)定性，能夠進(jìn)行額定頻率不相等電網(wǎng)的相互連接，一方面能夠進(jìn)行地表以下以及海底電纜輸電，另一方面也可以很好的控制潮流，還可以實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)施的分級(jí)分期構(gòu)建，也能夠?yàn)楹笃诘脑鋈輸U(kuò)建提供支持。

根據(jù)直流聯(lián)絡(luò)線方式的不同，可以將直流輸電工程劃分為四個(gè)方面，即單級(jí)、雙極與同級(jí)聯(lián)絡(luò)線、背對(duì)背直流輸電模式。如圖2所示為雙極聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)原理圖。

2.3 有源電力濾波器

有源電力濾波器是依托于瞬時(shí)無(wú)功功率理論實(shí)現(xiàn)的，該濾波器的主要工作途徑分為以下幾步[8]：

（1）在補(bǔ)償目標(biāo)中尋找出諧波電流等分量；

（2）根據(jù)獲得的分量屬性，補(bǔ)償設(shè)施會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與該分量數(shù)值相同、極性不同的補(bǔ)償分量；

（3）利用產(chǎn)生的分量將諧波電流中的分量中和掉，使得導(dǎo)入到電網(wǎng)中的電流僅僅涵蓋基波分量。

有源電力濾波器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較大優(yōu)勢(shì)，一方面能夠產(chǎn)生很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，另一方面所具備的補(bǔ)償功能靈活多變，同時(shí)補(bǔ)償特性還不會(huì)被電網(wǎng)阻抗所限制，在抑制諧波方面發(fā)揮了重要的作用。事實(shí)上，有源電力濾波器涵蓋了兩個(gè)部分，分別是指令電流運(yùn)算電路以及補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運(yùn)算電路主要功能是尋找出補(bǔ)償目標(biāo)中的諧波電路等分量；補(bǔ)償電路發(fā)生電路是依照獲得的分量值，發(fā)出與此相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流。

有源電力濾波器的電路類型通常選擇PWM 變流器，以圖3 所示為三相PWM 變壓器工作示意圖。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)電力電子技術(shù)的運(yùn)用，有效推動(dòng)了我國(guó)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，電力電子技術(shù)也在各種新技術(shù)支持下獲得了更好的發(fā)展。但是，當(dāng)下電力電子技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，其穩(wěn)定性依舊無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求，這也是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，保障電力系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。