電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展

武明月

摘 要 電力電子技術(shù)是在電力系統(tǒng)中融入計(jì)算機(jī)技術(shù)的具體應(yīng)用，它是一門結(jié)合了電力學(xué)、電子學(xué)和控制學(xué)的綜合型學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)的不斷普及，電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)化和信息化的程度不斷提高，可以看出電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)用中占據(jù)著十分重要的地位。本文中筆者將詳細(xì)地闡述電力電子技術(shù)的發(fā)展和其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 電力系統(tǒng) 應(yīng)用 發(fā)展

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電子領(lǐng)域的技術(shù)，即使用電力電子器件對電能進(jìn)行變頻和控制的技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展為電力電子技術(shù)的發(fā)展提供了適宜的養(yǎng)分和土壤。所以，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用變得愈發(fā)重要和明顯，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在輸電環(huán)節(jié)、發(fā)電環(huán)節(jié)、節(jié)能環(huán)節(jié)和配電環(huán)節(jié)。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子技術(shù)興起于上世紀(jì)五十年代末，從其發(fā)展歷程的先后來看，可以分為整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代。而從其發(fā)展方向來看，傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)是以低頻技術(shù)為主，而現(xiàn)代的電力電子技術(shù)則是以高頻技術(shù)為主處理問題的。發(fā)展方向的轉(zhuǎn)變也使得電力電子技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于新能源開發(fā)、電能控制等等領(lǐng)域。上世紀(jì)八十年代，柔性交流輸電技術(shù)的出現(xiàn)和電力設(shè)備多樣化的開展進(jìn)展極大地促進(jìn)了電力系統(tǒng)的發(fā)展，但是相比歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，由于起步較晚，我國的電力電子技術(shù)還是存在明顯差距的。因此，我國電力電子技術(shù)的開發(fā)依然任重而道遠(yuǎn)，要想真正地實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，除了踏實(shí)認(rèn)真地學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家的技術(shù)外，我們更應(yīng)該注重創(chuàng)新，提高創(chuàng)新意識(shí)。

2 電力電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用

電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性得到大幅度地改善起源于“硅片引發(fā)的第二次革命”，即電力電子元器件被應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)中。

2.1 直流輸電技術(shù)和輕型直流輸電技術(shù)

輸電容量大、穩(wěn)定性好和控制調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)是直流輸電技術(shù)和輕型直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由于這些優(yōu)點(diǎn)使得高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)等方面擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一是晶閘管觸發(fā)技術(shù)，光觸發(fā)晶閘管的應(yīng)用使再次進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的觸發(fā)電路板被省去。而早在1970年，晶閘管換流器就已經(jīng)被研發(fā)，這也電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電的標(biāo)志。

2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)被譽(yù)為未來輸電系統(tǒng)新時(shí)代的三項(xiàng)支持技術(shù)之一，它的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對輸電系統(tǒng)的電壓、相位角、功率、潮流等的靈活控制，使得原來基本不可控的電網(wǎng)變得可以全面控制，從而大幅提高了電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，使得現(xiàn)有輸電線路的輸送能力大大提高，進(jìn)而降低了電力傳輸?shù)某杀尽?/p>

3 電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用

電力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及了發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，而引入電力電子技術(shù)的首要目的便是改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性。

3.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組重要設(shè)備，主要作用是調(diào)節(jié)勵(lì)磁。各大電力系統(tǒng)中廣泛采用晶閘管整流自并勵(lì)方式控制靜止勵(lì)磁，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還省去了勵(lì)磁機(jī)的中間慣性環(huán)節(jié)，加快了調(diào)節(jié)速度，為先進(jìn)的控制規(guī)律創(chuàng)造了良好控制效果的有利條件。

3.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

水頭壓力和流量是影響水力發(fā)電的有效功率的兩大因素，機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速隨著水頭的變化幅度而變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比。輸出頻率恒定可以得到最大的有效功率，即調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率與轉(zhuǎn)速疊加后等于定子的頻率。其中變頻電源是該應(yīng)用的技術(shù)核心點(diǎn)。

3.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

在沒有使用低高壓變頻器之前，風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行效率低且其耗電量占比高達(dá)火電設(shè)備總耗電量的65%，可見其節(jié)能效果只差。低高壓變頻器的使用，調(diào)整了風(fēng)機(jī)水泵的速率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果。

4 電力電子技術(shù)在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用

提高供電可靠性和電能質(zhì)量是配電系統(tǒng)迫在眉睫的難題。良好的電能質(zhì)量指的是滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，同時(shí)還能對各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾進(jìn)行抑制。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電環(huán)節(jié)的應(yīng)用是指在柔性交流輸電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制技術(shù)。由于電力電子元器件的價(jià)格持續(xù)走低，使得該技術(shù)的開發(fā)投入和生產(chǎn)成本變低，同時(shí)該技術(shù)的市場潛力巨大，在不久的將來會(huì)很快進(jìn)入高速發(fā)展階段。

5 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中所產(chǎn)生的負(fù)面影響及解決方案

5.1 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中所產(chǎn)生的負(fù)面影響

進(jìn)入21世紀(jì)以來，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展使得電力電子產(chǎn)品不斷普及，它給我們的工作、生活帶來了翻天覆地的變化，很大一部分都是積極、正面的影響，但隨著不斷深入，一些負(fù)面的影響也漸漸地被發(fā)現(xiàn)了。其中人們最主要的關(guān)注點(diǎn)聚集在了諧波的存在所產(chǎn)生的危害上，由于諧波的干擾，電能的產(chǎn)生被降低、傳輸環(huán)境的效率被降低，這些將直接影響連接在電網(wǎng)上的用電設(shè)備無法正常運(yùn)行，最終影響到人們的生活和工作。諧波的具體影響主要有：諧波會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)、產(chǎn)生噪音甚至出現(xiàn)電視機(jī)過熱或燒毀等；諧波的存在會(huì)干擾到通信系統(tǒng)，甚至出現(xiàn)信息丟失和通訊設(shè)備中斷的可能等等。

5.2 解決方案

抑制諧波主要有兩種方案，它們分別是無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器具有抑制諧波、補(bǔ)償無功、提高電網(wǎng)的功率因數(shù)等效果，但它的體積大顯得很笨重且電力系統(tǒng)阻抗在很大程度上影響著其濾波效果。并且無源濾波器只能消除特定次數(shù)的諧波，還存在與系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振的可能，致使諧波被放大，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備過載或者燒壞的現(xiàn)象。相比之下，有源濾波器規(guī)避了以上無源濾波器的缺點(diǎn)問題的同時(shí)，還能補(bǔ)償各次諧波，并且能對變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟蹤補(bǔ)償。

6 結(jié)語

綜上所述，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的科學(xué)運(yùn)用為我們的生活和生產(chǎn)帶了很大的便捷，但也產(chǎn)生了一些負(fù)面的影響。但值得慶幸的是，我們也在發(fā)展中找到了解決的方法。此外，對電力電子技術(shù)的應(yīng)用要注重從實(shí)際出發(fā)，為努力提高電力系統(tǒng)的整體質(zhì)量大好基礎(chǔ)。

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作者單位

陸軍裝甲兵學(xué)院 安徽省蚌埠市 233000