電力電子技術(shù)在電力系統中的應用分析

一、前言

電力電子技術(shù)是一個(gè)以功率半導體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)、現代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺。經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展歷程，它在傳統產(chǎn)業(yè)設備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開(kāi)發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來(lái)越廣泛的應用。最成功地應用于電力系統的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電(HVDC)。自20世紀80年代，柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統中的應用研究得到了極大的關(guān)注，多種設備相繼出現。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節中、輸電環(huán)節中、在配電環(huán)節中的應用和節能環(huán)節的運用。

二、電力電子技術(shù)的應用

自20世紀80年代，柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統中的應用研究得到了極大的關(guān)注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關(guān)設備的基本原理和應用現狀。以下按照電力系統的發(fā)電、輸電和配電以及節電環(huán)節，列舉電力電子技術(shù)的應用研究和現狀。

(一)在發(fā)電環(huán)節中的應用

電力系統的發(fā)電環(huán)節涉及發(fā)電機組的多種設備，電力電子技術(shù)的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。

1大型發(fā)電機的靜止勵磁控制

靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個(gè)中間慣性環(huán)節，因而具有其特有的快速性調節，給先進(jìn)的控制規律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。

2水力、風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁

水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時(shí)(尤其是抽水蓄能機組)，機組的最佳轉速便隨之發(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(chē)捕捉最大風(fēng)能的轉速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過(guò)調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術(shù)核心是變頻電源。

3發(fā)電廠(chǎng)風(fēng)機水泵的變頻調速

發(fā)電廠(chǎng)的廠(chǎng)用電率平均為8%，風(fēng)機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內外有眾多的生產(chǎn)廠(chǎng)家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

(二)在輸電環(huán)節中的應用

電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱(chēng)為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩定運行特性。

1、直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDC Light)技術(shù)

直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優(yōu)點(diǎn)，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標志著(zhù)電力電子技術(shù)正式應用于直流輸電。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。

2、柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)

FACTS技術(shù)的概念問(wèn)世干20世紀80年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現代控制技術(shù)對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調節的輸電技術(shù)，可實(shí)現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。

20世紀90年代以來(lái)，國外在研究開(kāi)發(fā)的基礎上開(kāi)始將FA CTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統工程。其輸出無(wú)功的大小，設備結構簡(jiǎn)單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。

(三)在配電環(huán)節中的應用

配電系統迫切需要解決的問(wèn)題是如何加強供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿(mǎn)足對電壓、頻率、諧波和不對稱(chēng)度的要

求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現代控制技術(shù)在配電系統中的應用，即用戶(hù)電力(custom Power)技術(shù)或稱(chēng)DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫FACTS設備理解為FACTS設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場(chǎng)介入相對容易，開(kāi)發(fā)投入和生產(chǎn)成本相對較低，隨著(zhù)電力電子器件價(jià)格的不斷降低，可以預期DFACTS設備產(chǎn)品將進(jìn)入快速發(fā)展期。

(四)在節能環(huán)節的運用

1、變負荷電動(dòng)機調速運行

電動(dòng)機本身挖掘節電潛力只是節電的一個(gè)方面，通過(guò)變負荷電動(dòng)機的調速技術(shù)節電又是另一個(gè)方面，只有將二者結合起來(lái)，電動(dòng)機節電方較完善。目前，交流調速在冶金、礦山等部門(mén)及社會(huì )生活中得到了廣泛的應用。首先是風(fēng)機、泵類(lèi)等變負荷機械中采用調速控制代替擋風(fēng)板或節流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著(zhù)的效果。國外變負荷的風(fēng)機、水泵大多采用了交流調速，我國正在推廣應用中。

變頻調速的優(yōu)點(diǎn)是調速范圍廣，精度高，效率高，能實(shí)現連續無(wú)級調速。在調速過(guò)程中轉差損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，節電率一般可達30%左右。其缺點(diǎn)主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。

2、減少無(wú)功損耗，提高功率因數

在電氣設備中，變壓器和交流異步電動(dòng)機等都屬于感性負載，

這些設備在運行時(shí)不僅消耗有功功率，而且還消耗無(wú)功功率。因此，無(wú)功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無(wú)功平衡，否則，將會(huì )使系統電壓降低，設備破壞，功率因數下降，嚴懲時(shí)會(huì )引起電壓崩潰，系統解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網(wǎng)或電氣設備無(wú)功容量不足時(shí)，應增裝無(wú)功補償設備，提高設備功率因數。

結束語(yǔ)

電力電子技術(shù)正在不斷發(fā)展，新材料，新結構器件的陸續誕生，計算機技術(shù)的進(jìn)步為現代控制技術(shù)的實(shí)際應用提供了有力的支持，在各行各業(yè)中的應用越來(lái)越廣泛。電力電子技術(shù)在電力系統中的應用研究與實(shí)際工程也取得了可喜成績(jì)。