電力電子技術在電力系統中的應用

歐陽修明

摘 要：電力電子技術在電力系統中的應用已得到了極大的關注，多種設備相繼出現，本文主要介紹電力電子技術在電力系統的發電、輸電和配電以及節電環節的應用，并列舉目前存在的問題和解決方法。

關鍵詞：電力電子應用 自動化 電力系統

1 電力電子技術介紹

電力電子技術主要是用半導體電子器件進行功率變換、控制及開斷電路的應用技術，主要包括電力電子變換技術和電力電子控制技術。

1.1 電力電子變換技術

電力電子變換電路的基本功能是將電網的電能轉換為負載需要的形式，不論電路拓撲結構如何，其基本轉換電路只有4種形式：(1)整流電路AC—DC：(2)斬波電路DC—DC：(3)逆變電路DC—AC：(4)交流變換電路AC—AC。

1.2 電力電子控制技術

電力電子控制電路的基本功能是應用自動控制理論和計算機技術來提高系統的性能，一般的控制方式有：相控方式，頻控方式，斬控方式，相頻控制方式及斬頻控制方式,先進的控制方式對改進變換電路的性能和效率是必不可少的關鍵技術之一。

2 電力電子技術的應用

2.1 在發電環節中的應用

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

2.1.1 大型發電機的靜止勵磁控制

靜止勵磁采用晶閘管整流并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優點，被電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環節，因而具有其特有的快速性調節，給先進的控制規律提供了充分發揮作用并產生良好控制效果的有利條件。

2.1.2 水力、風力發電機的變速恒頻勵磁

水力發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，機組的最佳轉速變隨之發生變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過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。此項應用的技術核心是變頻電源。

2.1.3 發電廠風機水泵的變頻調速

風機水泵耗電量占火電設備總耗電量的一半以上，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實旋風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。

2.2 電力電子器件應用于高壓輸電系統

2.2.1 直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDC Light)技術

直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。

2.2.2 柔性交流輸電(FACTS)技術

FACTS技術的概念問世于20世紀8O年代后期，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節的輸電技術，可實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。2O世紀9O年代以來，國外在研究開發的基礎上開始將FACTS技術用于實際電力系統工程。

2.3 在配電環節中的應用

配電系統迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術。可以將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。

2.4 在節能環節的運用

在電氣設備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無功平衡，否則，將會使系統電壓降低，設備破壞，功率因數下降，嚴重時會引起電壓崩潰，系統解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網或電氣設備無功容量不足時，應增裝無功補償設備，提高設備功率因數。

3 電力電子技術在電力系統應用中所產生的負面影響及解決方案

3.1電力電子裝置在電力系統中的影響

主要影響包括電網品質惡化，裝置的功率因數降低和無功消耗增大，負載的波形發生畸變等。無功功率對電網造成的影響是眾所周知的，它主要表現在以下3個方面：

(1)頻繁的無功功率負載沖擊會引起電網電壓的波動，使供電質量嚴重降低；

(2)增加電網上所連設備的容量；

(3)增加設備和線路的損耗。

諧波產生的危害主要有以下幾方面：

(1)諧波使電能產生和傳輸環節的效率降低；

(2)諧波使連在電網上的用電設備不能正常工作， 比如引起振動、產生噪聲以及電機過熱甚至燒毀等；

(3)諧波很容易使電網上無功補償電容器和系統中的電抗器產生諧振，從而燒毀電容器及電抗器；

(4)諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使自動控制系統失效；

(5)諧波還會對通信系統產生干擾，嚴重的可以導致信息丟失、通訊設備中斷等。

3.2 電力系統諧波抑制及補償技術的研究

目前，裝設諧波補償裝置來補償諧波屬于比較可行的措施，主要有兩種治理方式：無源濾波器與有源濾波器，及由其兩者結合產生的混合有源濾波器，一般將混合有源濾波器歸為有源濾波器的種類中去，作為有源濾波器發展的一個分支。

3.2.1 無源電力濾波器

用無源電力濾波器進行抑制諧波、補償無功和提高電網的功率因數。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，從而減小流向電網的諧波電流。無源濾波器(PPF)具有初期投資小，運行效率高等優點。但PPF的濾波效果受電力系統阻抗的影響較大，且只能消除特定次數的諧波，還可能與系統發生串、并聯諧振，導致諧波放大，使設備過載甚至燒毀，而且裝置笨重，體積大，有效材料消耗多。

3.2.2 有源電力濾波器

與PPF相比，有源電力濾波器具有明顯的優越性能，具體表現在：

(1)不僅能補償各次諧波，還可同時補償無功功率、抑制閃變、調節和平衡三相不平衡電壓等；

(2)濾波特性不受系統阻抗和頻率的影響，可消除與電網阻抗發生串、并聯諧振的危險，且對外電路的諧振具有阻尼作用；

(3)具有自適應能力， 能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償；

(4)不存在過載問題，當負載諧波電流較大時，控制電路易實現限流保護以提高系統的安全性。

4 結語

電力電子技術的發展掀開了科技史上的新篇章，也帶來很多需要不斷解決的問題，比較典型的就是引起電力系統中的諧波污染問題，必須再利用電力電子技術對其進行有效的治理。

參考文獻

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