簡析電力電子技術在電氣工程中的應用

[ 作者簡介 ]

戈立汕，男，湖南衡陽人，五礦二十三冶建設集團第二工程有限公司，中級工程師，本科，研究方向：消防工程，建筑電氣及自動化，弱電工程。

[ 摘要 ]

在電力行業持續穩定發展的背景下，近年來電力電子技術雖然得到了較為廣泛的應用，但由于電氣工程的有關技術要求變得越來越高，因此從電氣工程建設的角度來看，電力電子技術的實際效果往往并不理想，而如何實現對電力電子技術的有效應用，將該類技術價值作用充分發揮出來，也隨之成為當前電氣工程建設的首要任務。基于此，本文對電力電子技術進行了簡單介紹，同時分析了電力電子技術在電氣工程中發揮出的重要作用，最后還圍繞電力電子技術在電氣工程各個領域中的具體應用展開相關探討，希望能夠為有關電氣工程設計中的電力電子技術合理運用提供一定參考。

[ 關鍵詞 ]

電力電子技術;電氣工程

中圖分類號：TM1

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.07.056

電力電子技術作為應用于電力領域的一類新興技術，主要應用于對電能的變換與控制，其不僅能夠為電氣工程運行的安全性、穩定性提供重要保障，同時還能夠在電能高效利用、電力生產等方面發揮出重要作用，對新時期的電氣工程建設優化有著很大幫助，而從電氣工程建設出發，對電力電子技術的作用及具體應用情況展開探究，自然也是十分必要的。

1 電力電子技術概述

電力電子技術簡單來說是通過專門的電力電子器件來對電能的生產、輸送、使用等各個環節進行靈活轉換與控制，目前在電力系統、交通運輸、工業生產、國防科技等諸多行業領域中都有著較為廣泛的應用。從原理上來看，電力電子技術與電力電子器件生產、變流技術乃至電力學、電子學的相關知識都有著密切關系，其中電力電子器件生產是實現電能轉換與控制的重要基礎，無論是在哪一應用領域中，對于電能的有效轉換與控制都需要借助電力電子器件來實現，而變流技術則是電力電子技術的核心，能夠為電能轉換與控制的實現提供直接技術支持。另外，電子學相關知識能夠為電力電子器件生產制造提供重要理論基礎（如如半導體理論等），保證電力電子器件在某方面具備轉換、控制電能的重要功能，電力學相關知識則主要體現在電氣工程建設領域，能夠為電力電氣技術在電氣工程中的有效應用提供正確指導。

2 電力電子技術在電氣工程中的重要作用

2.1 提升電氣工程效益

在電氣工程中，由于電力電子技術具有集成化、高頻化的特點，能夠對各類電子器件進行有效的并聯處理，使電氣系統中的各個獨立器件可以形成一個整體，并提升有關電子電力器件的工作效率，因此通過對電力電子技術的有效應用，電氣系統與機電設備的運行都能夠得到極大優化，而電氣工程的綜合效益也可以隨之得到有效提升。例如在機電設備管理方面，可利用電力電子技術進行高頻化的電能控制，以達到減小機電設備體積、提升設備響應速度、增強設備信號適應能力、降低設備運行噪音的目的，解決電氣工程中機電設備應用所帶來的諸多問題，并保證機電設備能夠安全、穩定、有效運行。而在電力供應方面，對于電力電子技術的應用，則能夠依靠轉子磁極位置檢測器等裝置，對步進電機變頻器的輸出頻率進行靈活控制，保證其輸出頻率與電機轉速形同，進而避免電機出現失步現象，影響有關電氣工程的正常運行。

2.2 穩定電力系統運行

電力電子技術在電氣工程中的作用，往往還能夠體現在電力系統運行管控方面。一般來說，在電力系統內部結構復雜且需要長期、持續運行的情況下，整個電力系統的任何環節出現問題，都可能會使電力的正常供應出現問題，影響人們的正常生活與生產。而對電力電子技術的有效應用，則能夠通過無功補償、諧波抑制等方式實現對電能的靈活控制與調節，大大降低電力系統出現運行異常的幾率，使整個電力系統能夠始終保持安全、穩定的運行狀態，滿足人們日常生活、生產的電力需求。

2.3 實現電能高效利用

在社會電力需求不斷增加的情況下，如風能、太陽能等可再生能源雖然在電力生產領域得到了有效應用，但從整體上來看，能源短缺的問題卻仍然未能得到有效解決，而對于電力電子技術的有效應用，則恰恰能夠實現對電能的更高效利用，使電能短缺的問題在短期內得到有效解決。例如在工業生產領域，可利用專門的電力電子裝置來對交直流電動機進行靈活調速，確保電機運行頻率能夠與實際生產需求相適應，避免各種不必要的電能損耗。而在電力系統中，則可以采用晶閘管變流裝置電作為送電端整流閥與受電端逆變閥，以實現有效的直流輸電，降低長距離、大容量輸電過程中的電能損耗。

3 電力電子技術在電氣工程中的具體應用

3.1 不間斷電源

在電氣工程建設中，由于很多重要用電設備都需要長期保持全天候運行的狀態，一旦受意外停電事故影響導致電網電源斷電，使用電設備無法正常運行，其后果往往都十分嚴重，因此電力電子技術常常會被應用到供電領域，通過交流電向直流電的轉換來為蓄電池充電提供支持，并對電源系統的順便與諧波擾動進行抑制，為電網供電與蓄電池供電間的及時、穩定切換創造良好基礎條件，進而實現真正意義上的不間斷供電。從原理上來看，不間斷電源主要可分為整流器、蓄電池組與逆變器三部分。其中整流器主要是通過設置帶高頻隔離變壓器變流電路的方式，實現供電電源與負載間的有效電氣隔離，有效解決過電壓、欠電壓等情況下出現的諧波擾動問題。蓄電池組多為鉛酸電池，主要用于為重要用電設備提供備用電源，預防電網電源斷電事故，電網正常供電會處于浮充電狀態，利用電網電源來存儲電能，同時通過吸取電網中小量電流的方式持續補充電能，以免因蓄電池自放電而導致電能儲量不斷減少，待電網供電中斷后，再立即轉為用電設備的備用電源，為設備運行持續供電，直至電網恢復供電。而逆變器則負責解決非線性負載問題，通過持續檢測不間斷電源實際輸出波形的方式，明確實際波形與正弦參考波間的差異，并根據波形比較分析得到的誤差信號來靈活調節逆變器開關動作，以實現對輸出電壓諧波畸變率的有效控制，確保不間斷電源輸出電壓的波形畸變程度能夠符合有關要求。

3.2 靜止無功補償

電力品質是評判供電系統工作特性好壞的指標，包括電力的穩定性尤為重要。電力系統工作中，必須保證各輸配電線的母接通電流平衡在容許的誤差范圍以內，而從目前來看，符合國家所規定的電力容許變化范圍，一般都是在5 %～10 %區間。

而電力平衡與否，主要取決于控制系統中無功功率控制的電流平衡。一旦供電負荷的無功補償要求波動很大，而供電的無功電量來源與分配沒有有效控制，就會造成該線電流超過容許限值。另外從負載側來看，由于電力系統運行時多由輸配電線路、配電變壓器電氣設備、汽輪機等電氣設備構成，其內電阻大多呈感性，導致低負荷無功功率的變動對電網電壓的運行安全穩定性產生了十分惡劣的負面影響，所以對動力系統的無功補償與壓力調節是保障國家電網安全、優質、有效經濟運行的關鍵舉措。電力系統中為保證電力平衡所實施的電力調節過程，實際上是對電網運行無功功率的補貼和再分配的過程。通過無功功率補償方式實現的調壓電路，通常都要求有能實現無功功率控制的裝置。在我國工業配電價格體系中，以往多通過電容組實現功率因數補償，用常規接觸器實現電容投切。但是常規交流器投切式補償電容器的工作方式只能實現有級調整，而且受機械電源開關動態時限的制約，響應較慢，因此無法達到對波動變化比較頻繁的無功負荷補償需要。此時，通過用電氣元器件和儲能元件組成的靜態無功補償設備SVC，其顯著的特點是能夠迅速、均勻無級地調整容性或感性無功功率控制，從而進行動態補償。

3.3 變速恒頻發電

由于人類經濟、生活的迅速發展，對電力的需要量也日漸增加，世界范圍的電力經濟危機日顯突出。目前利用的一次性燃料（礦物燃料）正面臨著兩個致命的問題：一是資源面臨枯竭，二是嚴重污染環境。所以對可再生能源的挖掘與利用，正是滿足長遠能源供應、改善環境保護、促進經濟社會可持續發展的根本措施。可再生能源中風力、水力、潮汐能等流體形態能量多通過水力發電方法得到使用，其中以風能發電、水力為人類所熟知。然而要想獲得最大風力、水能資源的最有效運用，還需要通過利用這些隨機能源變化，尋求出最優化的發電運用方法。對風能發電而言，一個確定的風力機在某種風力下只有一種最佳的轉軸速率能獲取最大風力，而在變化的風力下則隨時都可捕獲最大風能，因此風力機需要做變速運動，這對于已并入電網的風力發電廠來說就具有了變速恒頻發電的基本運行條件。同時對水力發電廠來說，在豐水期、枯水期、建壩初期、建壩后期的水頭落差也各有不同，因此為達到最大發電效果在不同落差水頭有不同的水輪機速度，這對于已并網的水力發電廠來說也就具有了變速恒頻發電特點。另外，在航空、船舶等發電機采用變速發展主軸驅動方式的工作場所，也有變速恒頻發電的需要。變速恒頻發電，是指電力電子科學技術在水力發電系統、汽輪機及勵磁技術發展中的運用。

3.4 高壓直流輸電

因為交流電在發電、變壓、運輸、分攤和應用過程中均極為便利，所以今日規模很大的動力系統兒乎都采用了交換電能形式。但是，在一些場合下直流發輸電較為理想，如在長一段距離送電中運行，采用兩條輸電線保護的直流比采用三條輸電線保護的交流更好。在通過地下水或海底電纜線路時，由于受到高壓電纜線路中布置電容和補充輸出功率的影響，長一段距離交換輸電基本不能實現。因此有時出于提高交換電力輸送系統運行的暫態穩定性，以及提高對電力系統中電流振蕩產生的動態阻尼，通常都會優先采用直流輸電形式。當兩臺或更多臺不同步或不同頻的交換電網相連時，也可以選擇直流輸電方案。

3.5 柔性交流輸電

柔性交換輸電系統簡單而言就是運用先進電力電子信息技術和現代控制技術，實行對交換輸電系統技術參數、網絡結構的靈巧、快速管理，以求達到對輸入電量的科學合理分配，從而減少電量耗費和發電產生的成本，并使供電系統的運轉變得穩定和安全可靠。從基本原理上分析，柔性交流發輸電系統的主要目標是用大功率電力電子開關元件取代傳統的機械式高壓電源開關，從而使原動力控制系統中的電流、線路電阻、功率角等幾種主要電力技術參數都可以按系統要求，迅速地加以調節。這就可以在不更改原電力系統中主要裝置和線路的前提下，使原電網的功率傳遞能力以及潮流電流和電壓變化的可控性大幅度提高。

3.6 有源電力濾波器

在合理的供電系統中，電力采用三相對稱、波形正弦、頻譜和電壓值恒定不變的形式供應電力負荷。控制系統中的所有負荷（電動機、電氣照明、電熱裝置等）都被看作是直線的，所以所有負荷電壓亦三相對稱、波形為正弦，無諧波信號生成。但是由于在現實控制系統中存有著很多鐵磁元件，如電機、變壓器、鐵芯電子傳感器等，它如果達到鐵磁飽和就會出現本構的非線性特征，從而造成電壓波形畸變，形成輸出電壓諧波信號失真。尤其是由于高本構非線性電力電子設備的廣泛應用，其高速開關元件的通斷不但使電力系統無功功率大幅度改變，并產生了電流輸出波形和閃變現象外，還導致壓力和電流的波浪形嚴重畸變，從而產生出巨大的電力諧波傳動，嚴重影響了電能品質、輸電效果和供電裝置的使用壽命。所以，對電力系統進行諧波處理已成為當前在電網領域內亟待解決的主要問題。供電系統中，以往大多使用由LC調諧原理所組成的各種無源濾波器，來減少高諧波。因為它在一定諧波頻率下呈現較低電阻，與高諧波源負載串聯后除降低高諧波電壓注入系統中之外，還能改善電源線路的功率因數。這種串聯無源濾波器構造簡易、初投入較小、工作環境安全可靠、維修簡單，但其濾波器特性受系統熱阻抗的影響，無法滿足隨著系統頻率改變以及工作方式變化的工況，而且如果器件參數隨環境溫度而改變則會發生熱失諧現象。另外，它還可以進行并聯諧振，使部分的諧波信號反被放大;再加其自身所具有的阻尼作用，使其對波動性大小或速度突然發生變化的諧波信號也無能為力。

4 結束語

總而言之，電力電子技術雖然能夠在電氣工程中發揮出非常重要的作用，但要想保證電力電子技術應用的有效性，將其優勢作用充分發揮出來，仍然需要熟悉其在不間斷電源、靜止無功補償、變速恒頻率發電、柔性交流輸電、高壓直流輸電以及有源電力濾波器等方面的具體應用要點，并根據各類電氣工程建設的實際情況，準確把握好這些應用要點，制定出合理的技術應用方案。

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