淺談電力電子技術在電力系統中的應用

楊華

[摘 要]：電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興技術。隨著科技的發展，電工電子技術已經在國民經濟中發揮著巨大的作用。本文按照電力系統的發電、輸電、配電以及節電環節，列舉電力電子技術的應用研究和現狀。

[關鍵詞]：電力電子技術 電力系統 發電機

電力電子技術是以功率半導體器件、電路技術、現代控制技術和計算機技術為支撐的一個技術平臺。目前在新能源開發、電能質量控制和民用產品等多個行業應用越來越廣泛。大功率電力電子技術在電力系統應用中最成功的是直流輸電。二十世紀八十年代以后，出現了柔性交流輸電概念，于是電力電子技術在電力系統中的應用和研究引起了巨大關注。之后許多介紹和總結相關設備的基本原理和應用現狀層出不窮，多種相關設備相繼出現。以下是電力電子技術在電力系統各環節中運用的詳細介紹。

一、發電環節

電力系統中的發電環節涉及到發電組的多種設備，改善這些設備的運行特性是電力電子技術參與應用的主要目的。

1、大型發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，其結構簡單、可靠性高以及造價相對比較低，故在世界的各大電力系統被廣泛采用。因為省去了勵磁機這個中間慣性環節，所以使其具有了特有的快速性調節，這樣就給先進的控制規律提供了發揮作用和產生良好效果提供了有利條件。

2、水力、風力發電機的變速恒頻勵磁

水力發電的有效功率是由水頭壓力和流量決定的。當水頭變化幅度較大時，特別是抽水蓄能機組變化幅度較大時，最佳轉速會隨著水頭的變化而變化。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的變化而變化。要獲得最大的有效功率，可讓機組變速運行，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。變頻電源是此項應用的技術核心。

3、發電廠風機水泵的變頻調速

發電廠的廠用電率平均值為8%，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，不僅耗量大且運行效率低。要想達到節能的目的，在低壓或高壓變頻器使用時采用風機水泵變頻調速，從而減少電量的消耗。現在，低壓變頻器技術已經非常成熟，國內外的生產廠家也很多，只不過系列產品還不夠完整。同時具備高壓大容量變頻器設計和生產的企業還是比較少，目前國內有很多院校和企業抓緊聯合開發，以滿足生產需求。

二、輸電環節

電力電子器件在高壓輸電系統中的應用被稱為“硅片引起的第二次革命”，電力網的穩定運行特性的到了大幅度的改善。

1、直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術

直流輸電電容量大、穩定性好、控制調節非常靈活，但它對遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電優勢獨特。一九七零年世界上出現了第一項晶閘管換流器，它宣告著電力電子技術正式應用于直流輸電。此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

二十世紀八十年代后期，FACTS技術的概念問世。FACTS技術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，可以靈活控制交流輸電功率潮流，大大提高了電力系統的穩定性。二十世紀九十年代后，國外開始研究將FACTS技術用于實際電力系統工程當中，使其設備結構簡單，控制方便，成本較低。

三、配電環節

加強供電可靠性和提高電能質量是配電系統迫切需要解決的問題。電能質量控制不僅要抑制各種瞬態的波動和干擾，還要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求。用戶電力（Custom Power）技術或稱為DFACTS技術，是在成熟的FACTS技術基礎上發展起來的電能質量控制新技術，它是電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用。其實DFACTS設備就是FACTS設備的縮小版，因為其原理、結構、功能是很相似的。由于市場的需求較大，開發和生產成本較低，再加上電力電子器件價格日益降低，所以發展空間不斷增大，可以預計DFACTS設備產品將迅速進入快速發展階段。

四、節能環節

1、變負荷電動機調速運行

要想在節能環節有所成就，電動機本身節電是一個方面，通過變負荷電動機的調速技術節電又是一個方面，只有二者結合起來，電動機的節能才能達到良好的效果。目前，在國外多采用了變負荷的風機、水泵采用交流調速，我國也正在逐漸推廣。風機、泵類等變負荷機械中采用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量和水流量收到良好的效果，其特點是調速范圍廣，精度高，效率高，還可實現連續無級調速，在調速過程中轉差損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，可以達到30% 的節電率。缺點是成本較高，產生高次諧波污染電網。

2、減少無功損耗，提高功率因數

在電氣設備中，屬于感性負載的變壓器和交流異步電動機，在運行的過程中同時消耗有功功率和無功功率。保證電能質量無功電源與有功電源是一樣的，所以在電力系統中必須要保持無功平衡，不然就會系統電壓降低、設備遭到破壞，嚴重時還會造成大面積的停電事故。因此，當電力網或電氣設備無功容量不足時，必須要增裝無功補償設備，才能提高設備功率因數。

綜上所述，電力系統是電力電子技術應用的一個重要領域，只有不斷的加大已有研究成果的技術應用和運行投入，不斷改善經濟可行性，才能大幅度提高電力系統的穩定水平，產生巨大效益。

參考文獻：

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