電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳映芳

摘 要：電力電子技術(shù)是一門新興的電子技術(shù)，主要應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)、電機(jī)傳動(dòng)、汽車工業(yè)、綠色照明、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，電力電子技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，在我國(guó)電力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。文章闡述了電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)的基本內(nèi)容和概念，探討了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，希望對(duì)促進(jìn)我國(guó)電力系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展帶來益處。

關(guān)鍵詞：電力電子 電力系統(tǒng) 技術(shù)應(yīng)用

1 引言

電力電子技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，目前已在眾多領(lǐng)域得到廣泛地運(yùn)用，諸如民用產(chǎn)品、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備以及新能源開發(fā)等行業(yè)。它將現(xiàn)代控制技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電路技術(shù)作為支撐依據(jù)，已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮出不可替代的重要作用，其直接影響著未來輸電系統(tǒng)的性能。電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)得以充分應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，其核心是利用各類電子器件實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制。因此，探討電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 電力電子技術(shù)簡(jiǎn)介

電力電子技術(shù)，又稱為電力電子學(xué)，是一門研究電力系統(tǒng)的現(xiàn)代應(yīng)用工程學(xué)科，是電氣工程領(lǐng)域中的一個(gè)主要分支。這門學(xué)科的研究為電能系統(tǒng)提供了解決方案，可以最大限度地提高電力系統(tǒng)的效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

電力電子技術(shù)首先源于20世紀(jì)50年代美國(guó)新發(fā)明的半導(dǎo)體器件，并迅速發(fā)展成為一個(gè)完整的學(xué)科。這門學(xué)科融合了電氣工程中的機(jī)電系統(tǒng)、信息工程中的控制系統(tǒng)、電子工程中的半導(dǎo)體器件和電力系統(tǒng)中的電力技術(shù)。它為電力系統(tǒng)提供了可靠的解決方案，使得電力傳輸及分配效率極大地提高。目前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)出智能化、數(shù)字化和高效率的特征[1]。

3 電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、送變電線路、供配電所和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)輸電、變電和配電將電能供應(yīng)到各用戶。電力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、用電負(fù)荷、監(jiān)控與控制系統(tǒng)五大部分組成。

3.1 發(fā)電機(jī)組

發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)的核心部分，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為電力系統(tǒng)提供電源。發(fā)電機(jī)組的性能直接影響電力系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3.2 輸電系統(tǒng)

輸電系統(tǒng)是將發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能輸送到各個(gè)用電負(fù)荷點(diǎn)的系統(tǒng)，包括輸電線路、變電所、變壓器等設(shè)備。輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電能的輸送和質(zhì)量。

3.3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是將輸電系統(tǒng)輸送的高壓電能轉(zhuǎn)化為低壓電能，向用戶提供電能的系統(tǒng)，包括配電變壓器、配電開關(guān)設(shè)備等。配電系統(tǒng)的安全可靠性直接關(guān)系到用戶的用電質(zhì)量和安全。

3.4 用電負(fù)荷

用電負(fù)荷是電力系統(tǒng)的最終目的地，包括工業(yè)、商業(yè)、居民等各種用電負(fù)荷，用電負(fù)荷的特性和變化直接影響電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性和負(fù)荷平衡。

3.5 監(jiān)控與控制系統(tǒng)

監(jiān)控與控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的智能控制中樞，包括自動(dòng)化控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等，它們能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

4 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可以改善電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。基于電力電子技術(shù)構(gòu)建的電力電子系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備及能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等組成，通過電力電子設(shè)備對(duì)電能進(jìn)行高效、靈活的轉(zhuǎn)換及控制，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行及電氣設(shè)備的高效利用[2]。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及到電力系統(tǒng)的變流技術(shù)、直流輸電技術(shù)、柔性輸電技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)、電力控制技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)等。這些技術(shù)在電力系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，它們可以更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的電力系統(tǒng)，提高電力系統(tǒng)的質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性。

4.1 變流技術(shù)

在我們的生產(chǎn)和生活中，有些地方需要使用高壓電，減少電能的損耗，如輸電、動(dòng)車組牽引；有些地方需要使用低壓電，這樣對(duì)用戶更安全；有些地方需要用直流電，有些地方需要用交流電。為了實(shí)現(xiàn)不同電能之間的轉(zhuǎn)換，我們就需要用到各種變流技術(shù)。

變流技術(shù)是電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要分支，它是通過將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而實(shí)現(xiàn)電力的控制和變換?；镜淖兞髟砜梢愿爬槔秒娏﹄娮悠骷?duì)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)電壓、電流和功率的轉(zhuǎn)換[3]。變流技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制、直流輸電、交流輸電、電動(dòng)汽車充電樁和逆變器等領(lǐng)域。它可以使電力系統(tǒng)更加高效、可靠和性能更加穩(wěn)定。下面是幾種常用的變流設(shè)備。

4.1.1 變壓器

變壓器一般是指將交流電升壓或者降壓的裝置，交流電通過線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)又會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

輸入側(cè)的線圈稱為變壓器的一次側(cè)，輸出側(cè)的線圈稱為變壓器的二次側(cè)。在不計(jì)電能和磁能損耗的情況下，兩側(cè)的電壓比等于線圈的匝數(shù)比，而電流則與電壓成反比。若二次側(cè)的匝數(shù)大于一次側(cè)，則為升壓變壓器；反之，則為降壓變壓器。

為了減少能耗，線圈通常使用導(dǎo)電性比較好的銅，用導(dǎo)磁性較好的鐵或鐵的氧化物做磁芯，為了減小在磁場(chǎng)磁芯中產(chǎn)生的渦流，磁芯可以用相互絕緣的鐵片拼接而成。在相同狀況下，三相變壓器比單相變壓器節(jié)約材料。

4.1.2 整流器

整流器是一種電氣設(shè)備，可將周期性反轉(zhuǎn)方向的交流電轉(zhuǎn)換為僅沿一個(gè)方向流動(dòng)的直流電。這個(gè)過程被稱為整流，因?yàn)樗绷穗娏鞯姆较?。在物理上，整流器有多種形式，包括真空管二極管、濕化學(xué)電池、汞弧閥、銅和硒氧化物板組、半導(dǎo)體二極管、可控硅整流器和其他硅基半導(dǎo)體開關(guān)。 歷史上，甚至使用了同步機(jī)電開關(guān)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。早期的無線電接收器，稱為晶體收音機(jī)，使用貓須狀細(xì)線壓在方鉛礦（硫化鉛）晶體上作為點(diǎn)接觸整流器或晶體檢測(cè)器。

整流器有很多用途，但經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)用作直流電源和高壓直流輸電系統(tǒng)的組件。除了產(chǎn)生用作電源的直流電之外，整流還可以起到其他作用。如前所述，整流器可以用作無線電信號(hào)的檢測(cè)器。在燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)中，火焰整流用于檢測(cè)火焰的存在。

4.1.3 逆變器

逆變器技術(shù)是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的一種技術(shù)，它可以將直流電轉(zhuǎn)換為純正的交流電，從而實(shí)現(xiàn)電力的控制和變換。逆變器技術(shù)不僅可以通過電池實(shí)現(xiàn)電力存儲(chǔ)，還可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用。

隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，可靠、高效、節(jié)能的電力轉(zhuǎn)換技術(shù)變得越來越重要。逆變器技術(shù)作為一種關(guān)鍵的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，已經(jīng)成為家庭和商業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的一部分。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和性能特點(diǎn)，逆變器分為多種類型。以下是常見的幾種類型。

*集中式逆變器：適用于大型光伏電站和風(fēng)力發(fā)電站，具有高功率密度、高效率、高可靠性等特點(diǎn)。但是，集中式逆變器的成本較高，需要專業(yè)的維護(hù)和管理。

*組串式逆變器：適用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和小型風(fēng)力發(fā)電站，可以串聯(lián)多個(gè)光伏電池板或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。組串式逆變器具有高可靠性、低成本、易于維護(hù)和管理等優(yōu)點(diǎn)。

*并網(wǎng)式逆變器：適用于將直流電轉(zhuǎn)換為市電或工頻交流電，具有高效率、低成本、易于維護(hù)和管理等優(yōu)點(diǎn)。并網(wǎng)式逆變器可以與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，也可以在電網(wǎng)故障時(shí)作為備用電源使用。

*離網(wǎng)式逆變器：適用于獨(dú)立的電力需求，如偏遠(yuǎn)地區(qū)、野外工作等。離網(wǎng)式逆變器具有獨(dú)立運(yùn)行、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 直流輸電技術(shù)

直流輸電，將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到受端交流電網(wǎng)的一種輸電方式。直流輸電技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新的技術(shù)，它可以將電力以直流的形式輸送到長(zhǎng)距離的地方。直流輸電技術(shù)可以使電力傳輸更加高效、節(jié)能、可靠和安全，是電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

高壓直流輸電技術(shù)作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要組成部分，在能源傳輸和電力供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。它通過采用直流電傳輸，具有較低的電阻損耗和電感損耗，能夠提高電力傳輸效率，并有效地降低能源損耗。

高壓直流輸電技術(shù)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和控制能力。由于直流電的特性，高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)電壓和頻率的變化相對(duì)不敏感，能夠在較長(zhǎng)的距離上穩(wěn)定地傳輸電能。此外，高壓直流輸電系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流、電壓和功率的精確控制，以滿足電力系統(tǒng)的需求，并具備靈活調(diào)度能力。

高壓直流輸電技術(shù)還具備較小的電磁干擾和環(huán)境影響。相比于交流輸電，高壓直流輸電系統(tǒng)的電磁輻射較低，對(duì)周圍環(huán)境和設(shè)備的干擾相對(duì)較小。同時(shí)高壓直流輸電線路相對(duì)交流輸電線路來說較為簡(jiǎn)潔，占地面積較小，對(duì)環(huán)境的破壞也相對(duì)較少，能夠更好地適應(yīng)城市化和環(huán)保要求。

4.3 柔性輸電技術(shù)

柔性輸電技術(shù)是綜合了電力電子、電力系統(tǒng)、通信和控制等先進(jìn)技術(shù)的一門交叉學(xué)科。柔性輸電技術(shù)能夠靈活和精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流、電壓等，應(yīng)用柔性輸電裝置，可以對(duì)輸電網(wǎng)按照設(shè)定的控制目標(biāo)和策略進(jìn)行。柔性輸電技術(shù)包括柔性交流輸電和柔性直流輸電等技術(shù)。

柔性交流輸電技術(shù)包括靜止無功補(bǔ)償器、可控串聯(lián)補(bǔ)償器、靜止同步無功補(bǔ)償器、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器、統(tǒng)一潮流控制器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器等。這些技術(shù)通過在交流線路加入串聯(lián)或者并聯(lián)的電力電子裝備，從而增強(qiáng)交流電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，提升輸電系統(tǒng)的輸電能力，抑制系統(tǒng)振蕩，提高輸、配、用電的電能質(zhì)量和效率。統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，簡(jiǎn)稱UPFC）是柔性交流輸電技術(shù)的典型代表。UPFC的功能主要包括：控制線路潮流，獨(dú)立地控制線路有功與無功；提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性，提高輸送能力；調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行電壓和無功平衡條件，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

柔性直流輸電是采用電壓源換流技術(shù)的直流輸電技術(shù)。在現(xiàn)有電網(wǎng)中使用柔性直流輸電系統(tǒng)，相當(dāng)于在電網(wǎng)中接入了一個(gè)閥門和電源，它不僅可以有效控制通過的電能，隔離電網(wǎng)故障的擴(kuò)散，而且還能根據(jù)電網(wǎng)需求，快速、靈活地發(fā)出或吸收一部分能量。柔性直流輸電技術(shù)主要包括柔性直流輸電、多端柔性直流輸電和直流電網(wǎng)等，能夠?qū)ο嗦?lián)的交流系統(tǒng)提供電壓、電流、相角、無功等參數(shù)的調(diào)控功能，可以實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)之間的非同步互聯(lián)，以及對(duì)傳輸電能的快速靈活調(diào)節(jié)和全面控制，且輸送距離和功率不受電力系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制。

4.4 電能質(zhì)量控制技術(shù)

電能質(zhì)量是指電能的電壓、電流和頻率等參數(shù)符合電力供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)范要求。電能質(zhì)量對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電器設(shè)備的可靠性有著重要影響。電力電子技術(shù)的普及應(yīng)用能夠有效促進(jìn)電能質(zhì)量的提升[4]。電力電子技術(shù)通過控制電力中的諧波、電壓波動(dòng)和電壓暫降等問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

電能質(zhì)量控制技術(shù)研究能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。它能夠改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量水平，減少電力系統(tǒng)內(nèi)部因電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的損耗，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，提高電力系統(tǒng)在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力；能夠減少對(duì)精密電子設(shè)備的影響，使用戶能夠在最佳的供電條件下進(jìn)行生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益；能夠促進(jìn)與電能質(zhì)量控制相關(guān)的電力電子新技術(shù)的發(fā)展。

4.5 電力控制技術(shù)

電力控制技術(shù)是指通過電力電子器件和控制系統(tǒng)對(duì)電力進(jìn)行控制。電力控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)自動(dòng)化、電力調(diào)度和能量管理等領(lǐng)域。它可以通過對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)電力的合理分配和優(yōu)化利用，提高電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。電力控制技術(shù)有以下幾種類型：

（1）開關(guān)控制技術(shù)：開關(guān)控制技術(shù)是最基本的電力控制技術(shù)之一。它通過控制電路中的開關(guān)元件（如繼電器、開關(guān)等）的開閉狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的控制。開關(guān)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)中，例如家用電器、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等。

（2）調(diào)速控制技術(shù)：調(diào)速控制技術(shù)用于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整電機(jī)的電壓、電流或頻率等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。調(diào)速控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，例如機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。

（3）調(diào)光控制技術(shù)：調(diào)光控制技術(shù)用于控制照明設(shè)備的亮度。通過調(diào)整燈具的電壓、電流或頻率等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮度的調(diào)節(jié)。調(diào)光控制技術(shù)在建筑照明、舞臺(tái)照明等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

（4）溫度控制技術(shù)：溫度控制技術(shù)用于控制溫度設(shè)備的溫度。通過控制加熱或冷卻設(shè)備的電力輸入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。溫度控制技術(shù)在冷凍設(shè)備、恒溫設(shè)備等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

4.6 智能電網(wǎng)技術(shù)

智能電網(wǎng)技術(shù)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、軟件技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等，以構(gòu)建一個(gè)智能化的電網(wǎng)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電力的收集、傳輸、分配、使用等功能的一種技術(shù)。智能電網(wǎng)技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，即智能電能計(jì)量與集成治理系統(tǒng)和智能供能技術(shù)系統(tǒng)。前者主要負(fù)責(zé)電能計(jì)量、需求預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)管理等，后者主要負(fù)責(zé)電力的穩(wěn)定輸出、解決電力暫態(tài)穩(wěn)定等問題。

智能電網(wǎng)的最終目標(biāo)是建設(shè)成為覆蓋電力系統(tǒng)整個(gè)生產(chǎn)過程，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度等多個(gè)環(huán)節(jié)的全景實(shí)時(shí)系統(tǒng)[5]。智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要借鑒現(xiàn)代化信息技術(shù)、通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等無數(shù)技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的高效、可靠、可控和可調(diào)度。

5 總結(jié)

總之，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它可以更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜，提高電力系統(tǒng)的質(zhì)量、效率和可靠性，同時(shí)還能更好地滿足用戶的需求，為電力行業(yè)的發(fā)展注入新的活力。

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