電力電子在電力系統中的應用

左柳成

摘 要：隨著電力資源需求量不斷的增加， 電力系統壓力日益突出， 而電力電子裝置應用在電力系統中， 可以極大的緩解電力系統壓力。文章將從電力電子應用角度出發， 對其在電力系統中的發電環節、輸電環節、配電環節、用電環節進行詳細的介紹。最后闡述了電力電子裝置在電力系統應用中亟待解決的難題。

關鍵詞：電力電子;電力系統;應用

1 發電系統中電力電子技術的應用

在電力系統運行中， 發電系統是比較關鍵的一個環節， 其同樣也需要重點借助于電力電子技術進行不斷創新優化， 改善發電性能， 提升發電效率。 ? ? ?（1）發電機組勵磁。大型發電機組應用靜止勵磁技術，與勵磁機相比，具有調節速度快、控制簡單的特點，顯著提高了發電廠的運行性能和效率。水力發電機組應用交流勵磁技術，通過對勵磁電流頻率的動態調整，實現了發電系統對水頭壓力和水流量動態變化的快速調節，改善了發電品質，提升了發電效率。（2）風力發電。變流器是風力發電中不可或缺的核心環節。風電變流器通過整流器和逆變器將不穩定的風能變換為電壓、頻率和相位符合并網要求的電能。隨著變流器拓撲結構由兩電平、三電平向H橋級聯型、有源中點鉗位、模塊化多電平換流器（MMC）等多電平拓撲方向發展，使得風力發電系統的容量和電壓等級逐步提高，有效降低了線路損耗和傳輸導線成本，促進了風電特別是海上風電的大規模開發。目前國際上新的并網運行規則要求，在風力發電系統接入電網時，發電系統需具備有功功率控制、無功功率調節、并網頻率變化、故障穿越和低電壓穿越能力[1-2]。（3）光伏電站。大型光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波器和升壓變壓器構成，是大規模集中利用太陽能的有效方式。通過給并聯逆變器施加“電網友好”的控制方案，光伏電站可以實現無功補償、有源濾波和動態電壓補償等功能。目前，大型光伏發電系統正處于從示范到大范圍推廣應用的關鍵階段，還存在光伏陣列組合的多峰值特性和熱斑效應、逆變器組合的非理想特性等技術問題，因此，光伏電站的科學設計需要綜合考慮光伏陣列的組合方式、逆變器的組合方式及其并網拓撲等因素[1-2]。

2 輸電系統中電力電子技術的應用

對于電力系統中的輸電過程采用電力電子技術進行創新改進同樣也是比較重要的一個方面， 其中柔性交流輸電技術的應用就表現出了較強的代表性。借助于電力電子技術實現對于輸電環節的有效控制， 更好提升電力系統的輸電穩定性。結合這種柔性交流輸電技術的有效應用， 其能夠在實際運行中具備較強的穩定性， 能夠有效降低輸電損耗， 實現輸送效率的明顯提升[1]。

FACTS技術，上世紀80年代， 柔性交流輸電誕生并迅速在全球發展普及[3]。該技術是現代科技不斷的發展背景下， 電力電子技術與控制基礎的創新性結合成果， 可連續調控電力系統電壓、相位角、功率、參數等內容， 促使輸電能力的有效提升， 電力系統運行更為可靠穩定， 輸電過程的損耗有效減少。在以往的電流調節中， 移相器、串聯補償裝置、開關投切電容、電感等，僅能進行穩定電流調節， 且傳統機械開關需經過一段反應時間， 不符合當前的電力系統中的柔性調節電力的要求。而柔性交流輸電技術的應用， 適應了阻尼系統振動及對柔性連續電流的調節， 不僅精準高效， 更可對電力系統中的電壓、功率、電流、阻抗、短路等多種變量進行有效控制， 保障了電網的有序運行。

FACTS ?技術及其控制器是隨著電力電子技術及其功率器件的發展而發展的。由于輸電網高壓、大功率的特性，FACTS ?技術主要采用晶閘管、GTO、IGBT ?等器件，隨著 IGCT 器件的發展，可以用IGCT器件代替GTO器件實現新型的電壓源變流器，不僅實現更高的耐壓，而且可以切換 4～5 kA的電流。由于硅器件自身物理限制，在更高電壓等級或者功率等級的 FACTS 控制器的應用，仍然受到制約。碳化硅功率器件固有的高耐壓特性，隨著其器件水平的不斷發展，在 FACTS 技術中必然越來越受到重視。

輕型直流輸電技術是在高壓直流輸電的基礎上發展起來的一項新技術，其特點是直流輸電兩端變流器采用可關斷器件構成電壓源逆變器，不存在換相失敗、受端系統必須提供無功容量的問題，而且可以省去換流變壓器，簡化換流站結構。受制于可關斷硅器件水平的制約，其輸電容量通常較小。圖1是輕型直流輸電中由IGBT構成的電壓源型換流器，利用脈寬調制（pulse ?width ?modulation，PWM）技術進行無源逆變，不但可以向無交流電源的負荷點送電，在特殊情況下也可以提供無功功率。基于 VSC 的輕型直流輸電技術在可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市電網供電等領域具有獨特的優勢。

隨著碳化硅 MOSFET/IGBT 等器件性能、電壓等級和功率等級的提高，碳化硅電力電子器件在輕型直流輸電系統中的應用，有望進一步提高其輸電容量及適用電壓等級，為輕型直流輸電的應用拓展帶來新的機遇。

靜止無功補償器 （SVC） 被應用在電力系統的輸電線路與負荷補償。在較大功率的電力輸送網絡中， 其主要用作對電壓的控制， 以提升系統的安全與穩定性等。SVC在設計之初便沒有旋轉組件， 同時也不需要較大容量的電容器， 無功功率則是利用電感器來獲取， SVC對電抗器采取及時的控制， 可以使無功功率的發出與吸收的轉變更加平滑。且就SVC的無功功率輸出到無功功率吸收的轉變過程而言， 其主要依靠對電抗器實施高效率調控來實現， 因此， 較常應用于中高壓輸電線路中的無功補償環節中[4]。

3 配電系統中電力電子技術的應用

在供電方面， 需要解決的問題是如何提高供電的安全性， 并且保持一定的供電質量， 以滿足用戶的需要。將電力系統的降壓配電站， 也就是高壓配電變電站的出口到用戶配電的入口的這一段系統， 是電力系統的配電系統。是電力系統的配電系統。是有配電設備中的電子控件和配電設施組成變電站， 變換電壓后像用戶分配電力的網絡系統。從電力的電壓和頻率等方面入手， 消除一些電力的弊端問題， 在供電的過程中， 消除一些電力的干擾因素。用戶配電技術， 在電力電子技術與現代的控制技術相結合的條件下， 提高供電的質量， 滿足用戶電力的需求。

在電力系統配電環節中， 電力電子技術的應用更是可以表現出較強的作用價值， 比如有源濾波器的應用就是比較有代表性的一種。有源濾波器的應用可以較好實現對于動態抑制諧波以及補償無功， 該類電力電子設備的應用對于解決傳統電力系統配電方面的問題存在較強作用價值， 并且能夠根據諧波的具體狀況進行有效調整， 達到更為理想的無功補償效果[6]。有源濾波器在實際應用中需要采用電源供電， 如此也就能夠結合自身相關程序設定進行有效動態補償， 相對于傳統的固定補償模式， 該類設備的應用價值較為突出。

隨著現代電網的不斷發展， 傳統的基于電磁感應原理的交流變壓器由于功能單一， 難以滿足新一代電網的高可控性和靈活性的需求， 而電力電子變壓器的出現能夠很好地解決這一問題， 受到了廣泛的關注。電力電子變壓器亦被稱為固態變壓器 （solid-state transformer， SST） 或智能變壓器 （smart transformer， ST） ， 通過先進電力電子技術，能夠同時實現電壓變換、無功補償、電氣隔離等功能。隨著能源互聯網概念的提出和發展， 僅實現電壓變換等功能已經不能滿足人們對于電力電子變壓器的要求。在主動配電系統與微電網應用背景下， 單輸入輸出的電力電子變壓器進一步發展為具備多個交、直流端口的電能路由器， 可以根據需求實現電能路由的功能， 更有利于分布式電源與儲能單元等的靈活協調運行。

我國的配電系統中， 有高中低壓三種配電系統， 220KV以上的電壓是輸變電系統， 配電系統的終端是用戶用電入口[5]。對于配電系統的安全性和可靠性是需要考慮的。在配電系統中最重要的是變壓器的選擇和使用。對于。對于變壓器的安全是日常的管理重點， 要靈活應對變壓器的異常問題， 對常見的故障問題進行思考總結， 以便以后的維修。中國的配電系統存在許多問題， 例如電網容量和用電負荷不符合， 供電電壓的不合理， 以及配電設備的落后， 這都需要從配電系統的電子控件上解決。

參考文獻：

[1]張賓，張陣.探究電力電子技術在電力系統應用的發展趨勢[J].電子測試，2018（24）：117-118.

[2]李娜.電力電子技術在電力系統應用的發展趨勢[J].電子技術與軟件工程，2018（04）：228.

[3]杜秀麗，黃琦，張昌華，井實，周迪.基于微電網的并網逆變技術研究綜述[J].浙江電力，2009，28（04）：17-21.

[4]孫廣星，茍銳鋒，孫偉.基于MMC結構的電力電子變壓器拓撲結構及控制策略研究[J].高壓電器，2016，52（01）：142-147+153.

[5]魯宗相，王彩霞，閔勇，周雙喜，呂金祥，王云波.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007（19）：100-107.

[6]姜建國，喬樹通，郜登科.電力電子裝置在電力系統中的應用[J].電力系統自動化，2014，38（03）：2-6+18