電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

吳大江

信陽(yáng)工業(yè)學(xué)校，河南 信陽(yáng) 465150

以功率半導(dǎo)體器件﹑電路技術(shù)﹑計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐依據(jù)的電力電子技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前在新能源開發(fā)﹑電能質(zhì)量控制和民用產(chǎn)品等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。直流輸電是最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)。20世紀(jì)80年代之后，提出了柔性交流輸電（FACTS）概念，于是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究引起的很大的關(guān)注，許多介紹和總結(jié)相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀層出不窮，相繼又出現(xiàn)了多種設(shè)備。筆者按照電力系統(tǒng)的發(fā)電﹑輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。

1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)都會(huì)被涉及到，如何改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性就需要電力電子技術(shù)參與應(yīng)用。

1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

靜止勵(lì)磁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑可靠性高以及造價(jià)相對(duì)較低 ，采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，在世界的各大電力系統(tǒng)被廣泛采用。省去勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，使其擁有了特有的快速性調(diào)節(jié)。這樣使得控制規(guī)律的方法和更加先進(jìn)，效果更加良好。

1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

水頭壓力和流量決定了水力發(fā)電的有效功率，抽水蓄能機(jī)組最佳轉(zhuǎn)速變會(huì)隨著水頭的變化幅度而變化。風(fēng)速的三次方與風(fēng)力發(fā)電的有效功率成正比，隨風(fēng)速的變化，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化。所以機(jī)組變速運(yùn)行，即調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定，從而獲得最大有效功率。變頻電源是此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心。

1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

發(fā)電廠的廠用電率平均8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約是火電設(shè)備總耗電量的65%，不僅耗量大且運(yùn)行效率低，為了節(jié)能，在低壓或高壓變頻器使用時(shí)可以使風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速，從而減少電量的消耗。目前來(lái)講，低壓變頻器技術(shù)以達(dá)到一定 的水平，國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)廠家也比較多，只是系列產(chǎn)品還不夠完整。但是高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的企業(yè)還是比較少，需要院校和企業(yè)抓緊聯(lián)合開發(fā)，以滿足生產(chǎn)需求。

2 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

被稱為“硅片引起的第二次革命”就是電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)，這樣使得電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性大幅度的改善。

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

流輸電相對(duì)遠(yuǎn)距離輸電﹑海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，因?yàn)槠洳粌H輸電容量大﹑穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而且控制調(diào)節(jié)非常靈活，從。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流器之后，世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥，這也是電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電的里程碑。

2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

20世紀(jì)80年代后期，F(xiàn)ACTS技術(shù)的概念問(wèn)世，這是項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗﹑電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可以靈活控制交流輸電功率潮流，使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平大大的提高。

20世紀(jì)90年代后，國(guó)外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統(tǒng)工程。其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，成本較低，所以應(yīng)用較早。

2.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量是配電系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題，電能質(zhì)量控制既要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾，還要滿足對(duì)電壓﹑頻率﹑諧波和不對(duì)稱度的要求，在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電能質(zhì)量控制新技術(shù)就是用戶電力（Custom Power）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，它是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。其實(shí)FACTS設(shè)備的縮小版就是DFACTS設(shè)備，因?yàn)槠湓愆p結(jié)構(gòu)﹑功能是相似。由于市場(chǎng)較大的需求，所以使用會(huì)日益的廣泛，再加上電力電子器件價(jià)格日益降低，可以預(yù)計(jì)DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將迅速進(jìn)入快速發(fā)展期。

3 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

3.1 變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行

要想在節(jié)能環(huán)節(jié)有所成就，就必須從電動(dòng)機(jī)本身和變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用兩方面入手，只有二者結(jié)合起來(lái)，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能才能達(dá)到良好的效果。

目前，變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)﹑水泵采用交流調(diào)速在國(guó)外居多，在我國(guó)還需要進(jìn)一步推廣應(yīng)用。風(fēng)機(jī)﹑泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量收到良好的效果，其調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)速且在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子﹑轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，可以達(dá)到30%的節(jié)電率，缺點(diǎn)就是成本較高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，即使這樣，并不影響其在在冶金﹑礦山等部門及社會(huì)生活中應(yīng)用推廣。閥門控制和變頻控制水泵流量如圖1﹑圖2所示。

圖1 閥門控制水泵流量

圖2 變頻調(diào)節(jié)水泵流量

3.2 減少無(wú)功損耗，提高功率因數(shù)

在電氣設(shè)備中，屬于感性負(fù)載的變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行的過(guò)程中是有功功率和無(wú)功功率均消耗的設(shè)備，作為保證電能質(zhì)量不可缺少的部分無(wú)功電源與有功電源是一樣的，所以在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無(wú)功平衡，不然就會(huì)系統(tǒng)電壓降低﹑功率因數(shù)下降﹑設(shè)備遭到破壞 ，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成大面積的停電事故，為防止這樣的事情發(fā)生，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無(wú)功容量不足時(shí)，增裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)勢(shì)在必行。

4 結(jié)論

總之，電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，只有不斷的加大已有研究成果的技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)行投入，不斷改善經(jīng)濟(jì)可行性，才能大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大效益。

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