電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張艷娟

山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司技能培訓(xùn)中心），山西 太原 030000

0 引言

在市場(chǎng)中，電力電子技術(shù)主要包含電力制造電子技術(shù)和電力交流供電技術(shù)。電力電子技術(shù)的發(fā)展非?？欤谏鐣?huì)各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于利用大功率的電力電子器件實(shí)現(xiàn)電能的變換與有效控制，從而在不同的負(fù)載環(huán)境下得到最佳電能，保證電力系統(tǒng)供電正常。為了保證電力行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，還應(yīng)不斷發(fā)展電子元器件。研究電力電子技術(shù)需要綜合分析其在不同環(huán)境中的應(yīng)用，還需要對(duì)電力電子技術(shù)的重要性有正確認(rèn)識(shí)。

1 電力電子技術(shù)概述

電力電子技術(shù)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的歷史發(fā)展時(shí)期，先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代。整流器時(shí)代主要使用大功率硅整流管和晶閘管，隨著電解、牽引、傳動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都得到了飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)整流時(shí)代的開啟也意味著整個(gè)電力行業(yè)的技術(shù)水平開始不斷提高。到了20世紀(jì)70—80年代，人們開始研究交流電機(jī)的變頻調(diào)速，在電力系統(tǒng)中將直流電逆變?yōu)榻涣麟姵蔀殡娏π袠I(yè)中常見的提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的辦法，但這時(shí)受到技術(shù)水平的限制，只能進(jìn)行低頻的逆變。20世紀(jì)80年代后，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)開始發(fā)展，電力行業(yè)也開始與電子信息技術(shù)結(jié)合，因而產(chǎn)生了超大規(guī)模集成電路，電路擴(kuò)大規(guī)模意味著電力輸送功能的增強(qiáng)，電路網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)范圍能夠進(jìn)一步擴(kuò)大。隨之而來(lái)的是集成電路與高電壓和大電流的結(jié)合，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)就此正式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信設(shè)備的出現(xiàn)使電力電子技術(shù)在人們生產(chǎn)生活中得到了更加廣泛的應(yīng)用。

在我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展中，電力電子技術(shù)的應(yīng)用仍是需要探索的新技術(shù)領(lǐng)域，為了維持我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要不斷提高電力電子技術(shù)的水平?，F(xiàn)階段，電力行業(yè)主要利用的是電力電子技術(shù)的制造供電功能和交流供電功能。

2 電力系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的重要作用

2.1 提高電能質(zhì)量

電力電子技術(shù)在我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行中的主要作用是提高電能質(zhì)量，通過提高電力輸送的穩(wěn)定性，能夠保證及時(shí)、足量供電，對(duì)電力輸送網(wǎng)絡(luò)上的電力設(shè)備也有一定的保護(hù)作用，能夠保證正常的生產(chǎn)生活用電[1]。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行模式中，對(duì)電網(wǎng)輸電工作缺乏保護(hù)裝置的設(shè)置，電網(wǎng)運(yùn)行過程中存在許多故障問題，這使得電網(wǎng)的維修工作量居高不下，群眾的用電需求也得不到滿足，電能質(zhì)量難以提升。在輸電側(cè)、發(fā)電側(cè)、負(fù)荷側(cè)廣泛應(yīng)用電力電子技術(shù)，能夠使電能達(dá)到最佳狀態(tài)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。電能的產(chǎn)生、運(yùn)輸、分配、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要應(yīng)用電力電子技術(shù)，從而不斷提高電能質(zhì)量。當(dāng)前，電力電子技術(shù)的大范圍使用有助于提高直流輸電輸送過程中的穩(wěn)定性，降低電能損耗率，不僅能夠節(jié)約資源，還能夠提高輸電質(zhì)量，提高電力資源使用效率的同時(shí)，也能更好地滿足群眾在生產(chǎn)生活中的用電需求，能夠?yàn)楦黝愲娏υO(shè)備提供充足的電能。

2.2 保障電網(wǎng)安全

國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障是電網(wǎng)的運(yùn)行安全，電力滲透在社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面，無(wú)論是生產(chǎn)制造行業(yè)還是工、農(nóng)、商業(yè)，都離不開電力的使用。我國(guó)的電力系統(tǒng)安全保障措施仍然處在起步階段，相比于西方國(guó)家，我國(guó)電網(wǎng)的運(yùn)行安全性還有所不足，尤其是在配電與輸電兩個(gè)重要方面，我國(guó)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置得較簡(jiǎn)單，往往缺乏故障預(yù)警功能與故障應(yīng)對(duì)措施。除此之外，我國(guó)幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，許多山區(qū)的電網(wǎng)是近些年剛剛鋪設(shè)的，惡劣的自然條件使得部分地區(qū)的輸電線路設(shè)置受到更多約束與限制。

使用電力電子技術(shù)能夠提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，人為消除限制因素，使電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平不斷提高。使用電力電子技術(shù)也能夠改善輸電和發(fā)電現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)架構(gòu)的不斷優(yōu)化。電力電子技術(shù)與通信技術(shù)的深度結(jié)合，有助于電網(wǎng)工作人員實(shí)時(shí)跟蹤電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中的不良現(xiàn)象，分析輸電線路的故障問題，在簡(jiǎn)化電網(wǎng)架構(gòu)的同時(shí)，提高輸電質(zhì)量。

3 在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的電力電子技術(shù)

3.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

為了保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，必須加大電力供給，我國(guó)工農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高使得電力需求越來(lái)越大，對(duì)新型大功率交流電力的使用需求也越來(lái)越大。當(dāng)前，國(guó)家電網(wǎng)需要不斷提高電力功率輸送性能，通過提高電網(wǎng)電力輸送的穩(wěn)定性來(lái)保證在電網(wǎng)功率不斷變化、電力不間斷供給到不同單位的過程中能按照電力輸送的額定需求傳送電力。電力電子技術(shù)在這一過程中的主要應(yīng)用體現(xiàn)在靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用。該裝置能夠?qū)_擊性更大的負(fù)荷電流進(jìn)行無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，采用無(wú)源恒功交流補(bǔ)償技術(shù)能夠有效控制單向電力系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的電力功率。靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置可以使單向電網(wǎng)電力輸送時(shí)的交流電壓更加穩(wěn)定，進(jìn)而極大地降低電網(wǎng)供電安全隱患問題的發(fā)生率，提高電網(wǎng)供電管理效率。

靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置主要包括同步無(wú)功補(bǔ)償器、晶閘管上的投切器和電容器、靜止式無(wú)功補(bǔ)償控制裝置、可控制的串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償控制裝置以及晶閘供電管路的控制器和電抗器等[2]。其中，靜止式無(wú)功補(bǔ)償控制裝置通過并聯(lián)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有損電流的補(bǔ)償聯(lián)接，并聯(lián)形式下調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸出電壓能夠形成無(wú)損與有損電流的補(bǔ)償，從而進(jìn)行正常的電壓吸收和電流發(fā)出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提升電網(wǎng)運(yùn)行過程中的電力輸送效率。采用可控制的串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償控制裝置也能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)電控制，可以和串聯(lián)電容之間根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)并聯(lián)轉(zhuǎn)換，串聯(lián)補(bǔ)償裝置的運(yùn)行參數(shù)會(huì)隨著串聯(lián)晶閘體的變化來(lái)調(diào)整電流大小，進(jìn)而保證電網(wǎng)輸電狀態(tài)的穩(wěn)定性。

3.2 高壓直流輸電技術(shù)

高壓直流輸電技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，其輸送功率大、穩(wěn)定性高，在電力輸送頻率不同的輸電網(wǎng)絡(luò)中都能夠形成穩(wěn)定的聯(lián)絡(luò)。與交流輸電相比，直流輸電的優(yōu)點(diǎn)在于線路走廊比交流輸電窄，直流輸電只需要2條線路即可完成電能的傳輸，相比于交流輸電（最少需要3條線路），可節(jié)省工程預(yù)算；在相同電壓和導(dǎo)線截面積下，直流輸電的極限功率大。

我國(guó)在20世紀(jì)中期研發(fā)出大容量直接脈沖觸發(fā)式晶閘管，其屬于一種新型電力電子器件，對(duì)高壓直流輸電技術(shù)有顯著的改善作用，晶閘控制閥門電路得到了極大的簡(jiǎn)化。電力電子技術(shù)發(fā)展至今，高壓直流輸電技術(shù)可以結(jié)合控制系統(tǒng)、光纖通信等技術(shù)，對(duì)高壓直流輸電的保護(hù)作用越來(lái)越強(qiáng)大，整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也日趨完善。隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)的控制功能可以集中在數(shù)字化平臺(tái)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)控制和遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)中的冗雜功能得到了整合，操作流程得到了簡(jiǎn)化。隨著電力系統(tǒng)中使用的電子元件數(shù)量的減少，維修檢查工作量將極大地減少，高壓直流輸電的運(yùn)行將會(huì)更加順暢，從而提高有源電能濾波供應(yīng)的質(zhì)量[3]?？刂朴性措娔転V波的電子裝置可以利用可控的有源電力使電子裝置在運(yùn)行中產(chǎn)生適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的脈動(dòng)電流，能夠取代部分無(wú)源電能濾波，從而減少大型電力輸送設(shè)備的使用，簡(jiǎn)化電網(wǎng)架構(gòu)。

3.3 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)與遠(yuǎn)程控制輸電技術(shù)、自動(dòng)化輸電技術(shù)是未來(lái)輸電系統(tǒng)發(fā)展的三大重要支撐技術(shù)。其中，在柔性交流輸電技術(shù)中，可以利用先進(jìn)的大功率交流電力專用電子技術(shù)對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)的交流電力控制系統(tǒng)進(jìn)行改革，通過控制交流電力系統(tǒng)的交流電壓、相位、夾角、功率，同時(shí)加入新的信息技術(shù)，可以使電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而大幅度提高我國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)的交流供電能力，使我國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使用的電力電子元件與裝置都只能實(shí)現(xiàn)對(duì)部分穩(wěn)態(tài)電力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，而不能在電力輸送頻率改變的動(dòng)態(tài)環(huán)境下有效控制電力系統(tǒng)，在部分電力系統(tǒng)中還出現(xiàn)了控制響應(yīng)過慢的問題。使用柔性交流輸電技術(shù)，可以縮短控制開關(guān)的動(dòng)作切換時(shí)長(zhǎng)，使電力系統(tǒng)更快地響應(yīng)控制指令，在電力運(yùn)行過程中能夠適應(yīng)快速連續(xù)調(diào)節(jié)電力運(yùn)行的要求，極大地提高我國(guó)電網(wǎng)的電力輸送效率和電網(wǎng)運(yùn)行安全性。應(yīng)用柔性交流輸電技術(shù)解決交流輸電控制中的控制誤差問題后，能為更多的供電場(chǎng)景輸送電力，提升電網(wǎng)的交流輸電能力和供電質(zhì)量。

4 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

4.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用

我國(guó)當(dāng)前的發(fā)展策略是提高資源與能源的利用率，電力作為各行各業(yè)的重要資源，如何推進(jìn)能源建設(shè)可持續(xù)發(fā)展成為重要問題。在我國(guó)社會(huì)發(fā)展中，發(fā)電是保證能源供給的重要舉措。在建設(shè)電網(wǎng)體系的過程中，需要不斷加入信息技術(shù)和智能化建設(shè)手段，在發(fā)電環(huán)節(jié)使用電力電子技術(shù)也就顯得至關(guān)重要。智能電力裝置的應(yīng)用和微電子技術(shù)的研發(fā)能夠使清潔能源在更多行業(yè)中得到推廣，電力資源的綜合利用效率也能得到顯著提高。電力電子技術(shù)與通信技術(shù)和信息化技術(shù)的結(jié)合能夠減少大型電力設(shè)備的使用，減少在供電過程中的冗雜輸電流程，還能夠降低電力輸送過程中的損耗率，對(duì)電力行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

電力系統(tǒng)專用電子技術(shù)是電力電子技術(shù)與其他電力輸送技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的交流穩(wěn)壓輸電控制技術(shù)，為了優(yōu)化輸電流程，電力系統(tǒng)中各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的控制需要通過遠(yuǎn)程操作來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)能是可再生能源和天然能源，利用風(fēng)能結(jié)合微電子技術(shù)，能夠促進(jìn)動(dòng)力電機(jī)與動(dòng)力電網(wǎng)的結(jié)合，能夠解決電力裝置的充放電利用問題，對(duì)提升整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行效率有顯著作用，同時(shí)能夠維持發(fā)電環(huán)節(jié)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 在電力系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)節(jié)能控制是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的主要問題，我國(guó)是能源消耗大國(guó)，各行各業(yè)的能源使用量都非常大，電力能源的消耗對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)造成很大負(fù)擔(dān)[5]。例如，在電力系統(tǒng)中，直流變壓器和異步變壓電動(dòng)機(jī)屬于重要設(shè)備，在不同的電力傳輸過程中有不同的運(yùn)行狀態(tài)。兩種設(shè)備都會(huì)消耗有功輸出功率和無(wú)功功率，這樣才能維持整個(gè)電力系統(tǒng)的做功平衡，維持電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備和相關(guān)裝置的正?？刂茽顟B(tài)[6]。

近些年，我國(guó)電力系統(tǒng)中的高功率、大損耗用電設(shè)備越來(lái)越多，動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷隨之增加，電力電子技術(shù)在電力節(jié)能方面的應(yīng)用得到了電力公司的重視，應(yīng)用電力電子技術(shù)解決電力系統(tǒng)節(jié)能問題成為主流[7]。利用電力電子技術(shù)中的現(xiàn)代信息技術(shù)和微電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同電力設(shè)備的自動(dòng)控制運(yùn)行，自動(dòng)變速箱在運(yùn)行過程中也能進(jìn)行有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，優(yōu)化輸送電力的頻率，降低無(wú)功損耗，旨在達(dá)到電力系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能目的。

4.3 在負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，在負(fù)荷側(cè)也廣泛使用了電力電子技術(shù)，近些年大熱的變頻空調(diào)就是電力電子技術(shù)在負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用表現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)的工頻空調(diào)，變頻空調(diào)的能耗更低，能夠節(jié)省電力，同時(shí)兼具功率小、使用壽命長(zhǎng)和噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。變頻器與空調(diào)產(chǎn)品的結(jié)合屬于電力電子技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂?，而變頻器更多地用于工業(yè)生產(chǎn)。例如，電廠的泵與風(fēng)機(jī)可以通過變頻器進(jìn)行電力調(diào)節(jié)，在啟動(dòng)時(shí)能夠減少啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的啟動(dòng)電流，保護(hù)機(jī)械設(shè)備，也能降低啟動(dòng)瞬間電流對(duì)機(jī)械設(shè)備元件產(chǎn)生的沖擊，有助于延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)在電力電子技術(shù)的應(yīng)用上已經(jīng)取得了不少卓越成就，電力電子技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)合能夠?yàn)楣╇娤到y(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)更多便利。利用電力電子技術(shù)提高電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全已經(jīng)成為電力行業(yè)的重要運(yùn)行手段，電力行業(yè)技術(shù)人員應(yīng)加大對(duì)電力電子器件的研發(fā)力度，以促進(jìn)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。