電力電子技術在電力系統中的應用和發展研究

楊立

【摘要】電力電子技術是建立在電子學、電力學和控制學三個學科基礎之上的一門新型學科，是強電和弱點的橋梁，在電力系統中有著廣泛的應用。在本文中，主要介紹了電力電子技術在電力系統中的應用，并依據它在應用中產生的負面影響提出了發展解決方案。

【關鍵詞】電力電子；電力系統；應用；發展

【中圖分類號】TM76 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0162-01

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兩個方向。其中電力電子變換技術主要是以電力電子變換電路作為基礎，實現將電網的電能轉換為負載需要的形式的基本功能，不論電路拓撲結構如何，其基本轉換電路只有4種形式：

（I）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ACAC。電力電子控制技術是以電力電子控制電路為基礎，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。

一、電力電子技術在發電環節中的應用

發電環節中涉及到電力系統中及發電機組的多種設備，改善這些設備的運行特性主要就是采用電力電子技術手段。

1、大型發電機的靜止勵磁控制

晶閘管整流自并勵方式被采用在靜止勵磁摔制上。它的優點是：結構簡單、可靠性高、造價低。因而世界各大電力系統均采用靜止勵磁控制。這種方式可省去勵磁機的中間慣性環節，可達到快速調節的效果，使其良好控制性為先進的控制規律提供了最有利條件。

2、水力、風力發電機的變速恒頻勵磁

水頭壓力和流量是決定水利發電的有效功率的兩個主要因素，當水頭的變化幅度較大時（尤其是抽水蓄能機組），機組的最佳轉速便隨之發生變化。風力發電的有效功率與風速的j次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效助率，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千頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。

3、發電廠風機水泵的變頻調速

發電廠的廠用電率平均為8%，風機水泵耗電最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，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并不完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業不多，國內有不少院校和企業正抓緊聯合丹發。

二、電力電子技術在輸電環節中的應用

1、電力電子器件應用于高壓輸電系統大幅度改善了電力網的穩定運行特性。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。高壓直流輸電通常采用可控整流和有源逆變的方式實現兩個交流電網的互聯。不僅可以實現電能大容量、遠距離的傳送、兩區域電網非同步互聯，還可通過控制實現功率的緊急援助、抑制低頻振蕩、提高交流系統的動態穩定性等。

2、柔性交流輸電系統（FACTS）是綜合利用現代電力電子技術、微電子技術、通訊技術和現代控制技術對電力系統的潮流和參數進行靈活快速調節控制，增加系統可控度與提高輸電容量的交流輸電系統。用于配電系統柔性交流輸電技術為用戶電力技術CPT。柔性交流輸電技術是一種用于遠距離輸電的靜態電力電子裝置，核心是FACTS控制器。基于FACTS產品包括靜止無功補償品、靜止調相機、統一潮流控制器、晶閘管可控串聯補償器、靜止快速勵磁器等。高壓直流輸電技術等用IGBT等可關斷電力電子器件組成換流器，應用脈寬調制技術進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷送電的問題。電力電子技術是FACTS和CPT同的技術基礎。

三、電力電子技術在節能環節的運用

1、變負荷電動機調速運行

節電的一個方面就是挖掘電動機的節電潛能，另一個方面是通過變負荷電動機的調節技術節電，只有二者結合才能夠達到最好的節電效果。我國目前的電動機節電技術已經比較完善，交流調速技術在冶金、采礦等方面的普及使得電動機節電效果更為顯著。用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量和水流量，這種手段在風機、泵等復合機械中使用更能體現出其優越性。交流調速在國外的變負荷風機、水泵中以及得到廣泛的應用，而我國在這一方面則相對滯后一些。

調速范圍廣，精度高，效率高是變頻調速的主要特點，這使得無級調速能夠實現，而且在調速過程中轉子損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，節電率一般可達30%左右。當然，任何事物都有兩面性，節能的同時，增加成本是不可避免的，另外調節過程中產生的產生高次諧波污染電網也不容忽視。

2、減少無功損耗，提高功率因數。

在電氣設備中，感件負載包括變壓器和交流異步電動機等，運行過程中這些設備在消耗有功功率的同時還會存在無功功率的消耗。因此，無功電源作為保證電能質量不可缺少的一部分，其作用與有功電源是一樣的。無功平衡是電力系統運行中必須遵循的平衡原則，若是打破這個平衡，那么就意味著系統電壓下降，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，進而造成無法預計的損失。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。

四、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

1、電力電子技術在電力系統應用中產生的負面影響

21世紀科技的發展日新月異，電力電子技術的發展更是掀開了科技歷史的新的一頁。但是，隨著電力電子裝置的普及，一些負面的影響也逐漸浮出水面。這些負面影響中，諧波污染諧波產生的危害最受人們的關注，這主要是因為諧波的存在會降低電能產生和傳輸環節的效率，進而影響到電網上的用電設備，使它們不能夠正常、有序的運行，進而影響人們的生產和生活。比如，諧波的存在會引起振動、產生噪聲以及電機過熱甚至燒毀等。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，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：同時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。

2、發展解決方案

目前，無源濾波器與有源濾波器是諧波抑制的兩種主要的途徑，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，但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。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有更大的優勢，有源電力濾波器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。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，能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償。

參考文獻

[1]崔振華，談電力電子技術在電力系統中的應用[J]中國新技術新產品，2009（8）

[2]歐陽修明，電力電子技術在電力系統中的應用[J]城市建設理論研究（電子版）2011（29）