電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

張星赟

（江蘇赟江科技有限公司，江蘇 南京 210000）

在智能電網(wǎng)中，電力電子技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。電力電子技術(shù)具備可控性高、響應(yīng)速度快、效率高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的精確調(diào)節(jié)和電力質(zhì)量的改善。因此，研究電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 電力電子技術(shù)的實(shí)際作用

1.1 能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性

在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨變的背景下，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向存量發(fā)展，這就對電網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求。與以往的電網(wǎng)建設(shè)水平相比，電力工業(yè)的發(fā)展同樣要求在技術(shù)上發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。隨著電力市場規(guī)模的擴(kuò)大，電力市場對能源的需求越來越大，而電網(wǎng)的發(fā)展卻相對滯后。在過去幾十年的電網(wǎng)建設(shè)中，存在著重?cái)?shù)量，輕質(zhì)量的現(xiàn)象。隨著企業(yè)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提升，對電網(wǎng)的建設(shè)，從最初的普及供電的需求，變成了對高質(zhì)量供電能力的需求，而對電網(wǎng)進(jìn)行改造和建設(shè)，是解決這一問題的一個重要途徑[1]。通過強(qiáng)化電力電子技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，這是確保電網(wǎng)安全，有效地維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的必要舉措。智能電網(wǎng)的構(gòu)建，是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，對電網(wǎng)進(jìn)行再配置，從技術(shù)上保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 實(shí)現(xiàn)資源的有效配置

由于不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，資源分配也不平衡，造成了能源供需差距過大的現(xiàn)象。盡管國家持續(xù)加大對這些方面的投入，努力改善這一現(xiàn)狀，但總體而言，電力供應(yīng)短缺，季節(jié)性需求和區(qū)域性需求過大的問題依然較為突出。因此，電力企業(yè)應(yīng)科學(xué)地結(jié)合電力電子技術(shù)與可再生能源，實(shí)現(xiàn)二者的合理配置，優(yōu)化供電結(jié)構(gòu)，構(gòu)建綠色智能電網(wǎng)，從而更好地促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。同時，電力供應(yīng)各環(huán)節(jié)的企業(yè)還可以在智能電網(wǎng)中，根據(jù)自身的實(shí)際需求，加強(qiáng)對能源使用的調(diào)節(jié)，進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)營，減少電力能源的浪費(fèi)，創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 變流器技術(shù)

2.1.1 交流/直流變流器

交流/直流變流器是智能電網(wǎng)中常見的電力電子裝置，可實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的相互轉(zhuǎn)換。它們在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用非常廣泛，例如將分布式發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)給電網(wǎng)，以及將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電供應(yīng)給電動車充電等。交流/直流變流器的設(shè)計(jì)和控制技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[2]。

2.1.2 多級變流器

多級變流器是一種電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過將多個低功率器件級聯(lián)起來，能夠提高整體功率和效能。在智能電網(wǎng)中，多級變流器能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的功率傳輸和電力電子器件的可靠性。它們通常被用于大規(guī)模的電能轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)，比如高壓直流輸電系統(tǒng)，以及用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率的電子變壓器等。

2.1.3 逆變器技術(shù)

逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置。在智能電網(wǎng)中，逆變器廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光伏電站和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。逆變器能夠?qū)⒖稍偕茉串a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入電網(wǎng)，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)對電池儲能系統(tǒng)的充電。逆變器的設(shè)計(jì)和控制策略對于提高能源轉(zhuǎn)換效率和確保智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

2.2 儲能技術(shù)

2.2.1 電池儲能系統(tǒng)

電池儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的儲能技術(shù)之一。電池儲能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中的多余電能儲存起來，以供電網(wǎng)需求高峰時使用，從而平衡供需關(guān)系和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前主要應(yīng)用的電池技術(shù)包括鋰離子電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。

第一，鋰離子電池（Li-ion）。鋰離子電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命和低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，因此成為智能電網(wǎng)中常用的電池技術(shù)之一。它被廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能系統(tǒng)和便攜式設(shè)備等領(lǐng)域。

表1 鋰離子電池和鉛酸電池的性能參數(shù)

第二，鉛酸電池。鉛酸電池是一種傳統(tǒng)的儲能技術(shù)，具有成本低、可靠性高和循環(huán)壽命長的特點(diǎn)。它被廣泛用于UPS 系統(tǒng)、微電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，由于其較低的能量密度和對環(huán)境的負(fù)面影響，鉛酸電池正在逐步被其他高性能電池技術(shù)所取代[3]。

第三，鈉硫電池（NaS）。鈉硫電池是一種高溫儲能技術(shù)，具有高能量密度和長壽命等優(yōu)點(diǎn)。它主要應(yīng)用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)，如電網(wǎng)調(diào)峰和可再生能源的平滑輸出。鈉硫電池在高溫操作下能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度的儲存，目前已經(jīng)有多個大型鈉硫電池儲能項(xiàng)目在全球范圍內(nèi)投入運(yùn)營。

2.2.2 超級電容器儲能系統(tǒng)

超級電容器儲能系統(tǒng)主要包含超級電容器模塊和電力電子轉(zhuǎn)換單元。超級電容器模塊由多個超級電容器組成，通過并聯(lián)和串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)所需的電壓和容量。電力電子轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將電能從電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為超級電容器儲能系統(tǒng)所需的電壓和頻率。此外，儲能系統(tǒng)還需要配備相應(yīng)的管理控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測和控制儲能系統(tǒng)的充放電過程。

2.2.3 儲能系統(tǒng)的控制策略

第一，能量管理策略。能量管理策略根據(jù)電網(wǎng)需求和儲能系統(tǒng)的狀況，調(diào)配儲能系統(tǒng)的充放電策略，最大限度地提高能量利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。這需要結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測、可再生能源發(fā)電預(yù)測以及市場電價(jià)等信息，通過優(yōu)化算法確定最優(yōu)的能量調(diào)度方案。

第二，優(yōu)化調(diào)度策略。優(yōu)化調(diào)度策略基于負(fù)荷預(yù)測和能源價(jià)格等信息，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和能量平衡。通過優(yōu)化算法，確定最佳的充放電時間和功率，以滿足用戶需求、降低能耗成本，并協(xié)調(diào)多個儲能系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行。

第三，容量規(guī)劃策略。容量規(guī)劃策略考慮電網(wǎng)的發(fā)展需求和儲能系統(tǒng)的規(guī)模，確定適當(dāng)?shù)膬δ苋萘亢筒季郑詽M足電網(wǎng)的長期需求。容量規(guī)劃需要綜合考慮電網(wǎng)儲能需求、儲能系統(tǒng)成本、技術(shù)可行性等因素，以獲得最佳的儲能系統(tǒng)配置方案。

通過合理的控制策略，優(yōu)化運(yùn)行計(jì)劃和系統(tǒng)配置，儲能技術(shù)能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)提供可靠、高效的能量儲備和功率支撐，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源的集成和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 電力質(zhì)量改善技術(shù)

電力質(zhì)量是指電力系統(tǒng)中電壓、電流以及頻率等參數(shù)的穩(wěn)定性和純度程度。為了維護(hù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和提供高質(zhì)量的電能供應(yīng)，智能電網(wǎng)中廣泛使用了多種電力質(zhì)量改善技術(shù)，包括無功補(bǔ)償技術(shù)、諧波濾波技術(shù)以及電力質(zhì)量監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

2.3.1 無功補(bǔ)償技術(shù)

無功補(bǔ)償技術(shù)用于解決電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)問題，通過調(diào)節(jié)和補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率，提高電網(wǎng)功率因數(shù)并減少潛在的過電壓問題。無功補(bǔ)償技術(shù)可以分為無源方式和有源方式。

1.無源方式：通過使用無源元件，如電容器和電感器，來進(jìn)行無功補(bǔ)償。電容器通過釋放或吸收無功功率，來調(diào)整功率因數(shù)和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。電感器則通過儲存或釋放無功功率，來平衡電網(wǎng)的無功需求。

2.有源方式：通過使用有源元件，如靜態(tài)無功發(fā)生器（STATCOM）或活動無功發(fā)生器（SVC），來進(jìn)行無功補(bǔ)償。這些設(shè)備能夠根據(jù)電網(wǎng)需要主動地產(chǎn)生或吸收無功功率，從而實(shí)現(xiàn)更精確的無功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)[4]。

無功補(bǔ)償技術(shù)的效果可通過功率因數(shù)（Power Fact or，PF）進(jìn)行評估。功率因數(shù)是有功功率與視在功率之比。將功率因數(shù)和靜態(tài)無功補(bǔ)償器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 功率因數(shù)和靜態(tài)無功補(bǔ)償器的相關(guān)參數(shù)

2.3.2 諧波濾波技術(shù)

諧波濾波技術(shù)用于減少電力系統(tǒng)中的諧波電流和諧波電壓，并提高供電負(fù)載的電力質(zhì)量。智能電網(wǎng)中，由于非線性負(fù)載和可再生能源的接入，諧波問題日益嚴(yán)重。諧波濾波技術(shù)主要通過諧波濾波器來消除或減少諧波成分。諧波濾波器根據(jù)其頻率特性選擇性地阻斷或通過諧波信號，以確?；ㄐ盘杺鬏?shù)耐瑫r抑制諧波信號[5]。

諧波問題可以通過諧波電壓畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）進(jìn)行評估。THD 是電壓或電流中諧波分量的總和與基波值的比值。有源濾波器能夠自適應(yīng)地消除諧波，對諧波的衰減效果通常高于40dB；被動濾波器通常用于消除低次諧波，能夠衰減諧波頻率10%以上。

2.3.3 電力質(zhì)量監(jiān)測與控制系統(tǒng)

電力質(zhì)量監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制電網(wǎng)的電力質(zhì)量參數(shù)，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和供電質(zhì)量。該系統(tǒng)通常包括傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控單元和控制單元。

1.傳感器：用于實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流、頻率等電力質(zhì)量參數(shù)。傳感器可以采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以評估電網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)和問題。

2.數(shù)據(jù)采集單元：負(fù)責(zé)收集傳感器生成的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給監(jiān)控單元進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)采集單元起到數(shù)據(jù)傳輸和存儲的作用。

3.監(jiān)控單元：接收從數(shù)據(jù)采集單元獲取的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行監(jiān)測、分析和診斷。監(jiān)控單元可以識別電力質(zhì)量問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或調(diào)節(jié)。

4.控制單元：根據(jù)監(jiān)控單元的分析結(jié)果，采取控制策略和措施來實(shí)現(xiàn)電力質(zhì)量的改善?？刂茊卧梢钥刂茻o功補(bǔ)償設(shè)備、諧波濾波器等來滿足電網(wǎng)的要求。

電力質(zhì)量監(jiān)測與控制系統(tǒng)能夠獲取并分析各種電力質(zhì)量參數(shù)的數(shù)據(jù)，如電壓、電流、頻率、波動、閃變等。通過這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)時監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)，并采取相應(yīng)的控制策略進(jìn)行質(zhì)量改善。

2.4 分布式能源管理

隨著可再生能源的快速發(fā)展和智能電網(wǎng)的興起，分布式能源的集成與管理成為智能電網(wǎng)中至關(guān)重要的一環(huán)。分布式能源包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等分散在用戶側(cè)或能源獨(dú)立系統(tǒng)中的小型能源源頭。有效地管理和利用分布式能源不僅有助于提高電能供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性，還能減少能源消耗和排放。

第一，資源檢測與監(jiān)測。通過安裝傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測分布式能源的產(chǎn)生和消耗情況，包括太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。監(jiān)測結(jié)果將作為后續(xù)管理和優(yōu)化的依據(jù)。

第二，數(shù)據(jù)采集與通信。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和匯總。采集到的數(shù)據(jù)包括能源產(chǎn)生、消耗和儲存等相關(guān)信息。

第三，能量管理與優(yōu)化。根據(jù)實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)和預(yù)測模型，優(yōu)化能源的分配和利用。通過智能算法和優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)分布式能源的最優(yōu)調(diào)度和利用效率的最大化。

第四，能源儲存與調(diào)度。利用電池儲能技術(shù)，將分布式能源進(jìn)行儲存和調(diào)度，以滿足用戶的需求和平衡電網(wǎng)負(fù)荷。儲能系統(tǒng)可以在低電力需求時儲存多余能源，在高電力需求時釋放儲存的能源。

第五，安全與可靠性保障。分布式能源管理中的安全與可靠性是重要的考慮因素。通過建立可靠的安全機(jī)制和監(jiān)測系統(tǒng)，確保分布式能源管理過程中的數(shù)據(jù)和能源安全可靠。

分布式能源管理是智能電網(wǎng)中一項(xiàng)重要的技術(shù)領(lǐng)域，對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的安全供應(yīng)和減少碳排放具有重要意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式能源管理將進(jìn)一步提升其效率和可靠性，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供更多的可能性。同時，政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的緊密合作也將進(jìn)一步推動分布式能源管理的實(shí)踐和創(chuàng)新。

3 結(jié)語

電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的研究應(yīng)用為電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和效率提升提供了有力的支持。通過電力電子設(shè)備的控制和優(yōu)化，智能電網(wǎng)能夠更好地應(yīng)對不同的電力需求和電力質(zhì)量問題。未來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，智能電網(wǎng)將迎來更廣闊的發(fā)展前景，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源和能源管理的目標(biāo)做出更大的貢獻(xiàn)。