基于電工電子技術的電力系統設計

摘要：近年來，全國范圍對電力資源需求的提升，對電力系統的安全性與穩定性提出了挑戰。如何解決傳統電力系統中存在的監督管理不足、配電環節等問題，成為相關研究者關注的問題。基于此，為保障用戶的用電質量和用電安全，本文以電工電子技術為主，對電力系統的設計展開了研究，并對變壓器、交流側濾波等進行了設計，經驗證，本文的設計可實現電力系統的安全穩定運行，降低電力企業的運營成本。

關鍵詞：電工電子技術；電力系統；輸電系統；配電系統

一、引言

隨著社會的快速發展和電力需求的不斷增長，電力系統設計已成為當今世界不可或缺的重要領域。電工電子技術作為電力系統設計的基礎，為電力系統的穩定運行和高效傳輸提供了有力支持。同時，電工電子技術的應用對電力系統的安全性、穩定性以及對電力傳輸質量效率等方面有著直接的影響。其不僅涉及電力系統的規劃、設計、建設、運行和維護，還涉及電力設備的制造、安裝、調試和維修。電工電子技術的應用，使得電力系統的性能得到了顯著提升，同時也為電力系統的智能化和自動化發展奠定了基礎[1]。本文將詳細介紹基于電工電子技術的電力系統設計的技術原理和應用實踐，以期為提高我國電力系統的供電質量和效率提供有益借鑒。

二、電工電子技術的概述

電工電子技術是傳統電工技術與現代電子信息技術相結合的產物，以傳統電工技術為基礎，創新電工電子應用技術，集中電工技術和電子技術的作用，實現多角度融合，是時代進步的必然需求。在電力系統的發展過程中，電工電子技術的作用越來越重要，它不僅提高了電力系統的運行效率，還降低了運營成本。此外，電工電子技術還推動了電力系統的智能化發展，使電力系統更加完善、效率更高、技術手段更先進。

要深入理解電工電子技術對電力系統發展的作用，可以從其特點方面逐一進行分析。電工電子技術具有集成化、全控化、高頻化以及高效化等特點。首先，從全控化特點方面來看，電工電子技術的全控化實現了對電力系統中各器件的全自動化關斷以及全面控制，能夠有效提高系統的效能。全控化能力還為電力系統設備提供了智能化功能，能夠提升電力系統的自主調控和自動化處理能力，為電力系統的穩定運行和持續發展提供有力支持；其次，從高頻化方面來看，具體表現為電力系統中電子設備的芯片高度集成化。電工電子技術的應用，可以根據需求來提高電器元件的頻率，以此達到降低電能損耗和機械磨損的目的，使得電器元件的使用周期得到提升；最后，站在高效化角度，降低電力器件的損耗率，提高電力系統的運行效率和器件的開關速度，從而保障了電力系統的高效、安全、穩定運行。

三、基于電工電子技術的電力系統設計探究

（一）電力系統總體架構設計

為了保障新能源接入后，電力系統保持安全運行，在設計電力系統引入電工電子技術，系統設計框圖如圖1所示。

隨著我國經濟的快速發展，電力需求不斷增長，電力系統的基本架構也面臨著新的挑戰和變革。為了應對這些問題，國家能源局于2023年發布了《新型電力系統發展藍皮書》，明確了新型電力系統的發展理念、內涵特征和發展路徑，提出了構建新型電力系統的總體架構和重點任務。本文將圍繞新型電力系統總體架構進行探討，并展望其發展前景。新型電力系統總體架構以“一個基本目標、一條主線引領、四大體系建設、三維創新支撐”為核心，構建清潔、高效、安全、智能的電力系統，滿足經濟社會發展對電力的需求。一條主線引領：以電力系統高質量發展為主線，推動電力系統從傳統的能源消費型向能源節約型、清潔型、智能型轉變。四大體系建設：分別是能源供應體系、能源消費體系、能源技術體系、能源政策體系。三維創新支撐：技術創新、管理創新、制度創新，為新型電力系統發展提供有力支撐。

（二）發電系統設計

1.靜止勵磁技術

基于電工電子技術進行電力系統設計，電工電子技術的應用，可為系統提供充足的動力，保障發電系統的安全穩定運行。其中，從靜止勵磁技術應用，控制大型發電機組靜止勵磁的，保障了電能的穩定傳輸，優化變頻電源轉子勵磁頻率，保障了發電系統功率控制的有效性，提高了電力系統的控制能力（勵磁系統如圖2所示）。在靜止勵磁的應用中，電子電工技術還為電力系統帶來了許多其他優勢，例如，它可以實現電力系統的智能化控制，提高電力系統的穩定性和可靠性。此外，電子電工技術還可以優化電力系統的運行方式，降低運行成本，提高經濟效益。

2.恒頻勵磁

在風力發電和水力發電中，恒頻勵磁技術發揮著關鍵作用。恒頻勵磁技術通過利用先進的電子電工技術，確保發電機在運行過程中保持恒定的頻率，對于確保電力系統的穩定性和連續性至關重要。在風力發電設備中，恒頻勵磁技術能夠確保風能有效轉化為電能，并保持穩定的輸出頻率。同樣，在水力發電設備中，恒頻勵磁技術能夠確保水流或水輪機產生的動力有效轉化為電能，并保持穩定的輸出頻率。

3.機泵變頻調速

在電力系統中，機泵變頻調速技術對于確保電力輸送的穩定性和效率具有重要意義。當電力輸送電壓的高低極限值存在較大差異時，機泵變頻調速裝置能夠發揮關鍵作用。新型的水泵變頻技術可以顯著降低高壓電能與低壓電能的轉換成本，并提高交流電與直流電的連接順暢性，有助于提升整個電力系統的運行效率，確保電力輸送的穩定性和可靠性。

（三）輸電線路設計

在電力系統中，輸電環節是確保電能安全、穩定、高效傳輸的關鍵。隨著電工電子技術的不斷發展，其在輸電領域的應用日益廣泛。首先，電工電子技術在輸電系統中的應用，能夠提高輸電效率，降低資源損耗。在輸電過程中，由于各種因素的影響，經常會出現無功損耗等現象，導致資源浪費和環境污染。而電工電子技術，可以優化輸電系統，減少無功損耗，提高輸電效率，實現資源的有效利用。其次，電工電子技術在輸電系統中的應用，能夠提高輸電系統的安全性。在輸電過程中，由于各種不確定因素的存在，可能會導致輸電系統出現故障或異常情況。而通過應用電工電子技術，可以對輸電系統進行實時監控和故障診斷，及時發現并處理問題，確保輸電系統的安全穩定運行。最后，電工電子技術在輸電系統中的應用還體現在高壓直流電輸電技術和柔性交流電輸電技術方面。在高壓直流電輸電技術中，電工電子技術可以提高換流閥和晶閘管的移動效率。在柔性交流電輸電技術中，電工電子技術可以實現對電量消耗的全面控制，提高電力系統的電能輸出速度，增強電力系統中輸電系統的穩定性[3]。

（四）配電系統設計

配電環節是電力系統中將電能輸送到用戶端的關鍵環節，對于確保用戶用電的穩定性和安全性至關重要。電子電工技術在配電環節中的應用，能夠通過智能化、精確化的方式，提高電能分配的效率和安全性。同時，還能夠確定供電點和負荷點的位置，規劃合理的配電網絡，確保電能傳輸的效率和平衡。考慮不同負荷類型和功率因素對配電系統的影響，進行負荷流量計算和功率因數校正。首先，電子電工技術能夠智能檢測電路中的電能損耗。這種技術可以實時監測配電系統的運行狀況，精確計算電能損耗，并根據損耗大小判斷用電狀況。通過這些數據，系統可以更加合理地進行電能分配，避免資源浪費，實現電能的高效利用。其次，在配電過程中，保證用電安全是非常重要的環節。電子電工技術能夠對系統中的用電狀況進行全面實時的監控，一旦檢測到系統出現用電故障，配電系統就會出現電流或電壓波動。系統可采用合適的開關設備（如斷路器和接觸器）和保護裝置（如熔斷器和過載保護器）進行配電系統的安全保護。同時，可考慮并聯電容器或其他無功補償設備，以提高功率因數并減少無功功率流失。通過電子電工技術實現對系統中相應的故障進行準確地判斷和處理，能夠確保用戶的用電安全。最后，電子電工技術還可以對配電系統進行優化設計[4]。通過分析電能損耗、用電狀況等數據，可以發現配電系統存在的問題和不足，進而進行針對性優化和改進。這有助于提高配電系統的運行效率，降低電能損耗，提高用戶滿意度。

（五）交流側濾波設計

在電力系統設計過程當中，電路運行時每一向都具備一個對應的載波信號。一般情況下，相差數值為2/3，輸出線電壓基波分量為：

（1）

在公式（1）中，輸出電線的電壓基波分量、調制深度、直流電壓、調制波頻率等分別由u、m、Ud及w來表示；調制時間和相角分別由t和f來表示。根據公式（1），電力系統中電力電子變壓器的輸入和輸出，均以電壓換流器為主，然后采用脈寬調制技術，進行濾波處理。同時，換流器在電力系統中的應用，能夠從一定程度上對電壓進行過濾處理。為了避免輸出的電壓出現諧波失真從而無法滿足需求的情況，保障電力系統的電能質量和電網運載負荷需求，系統還需要采用無源濾波器對電力系統的交流側濾波進行處理，以此提高電能的質量。

（六）控制系統設計

電力電子控制器是電力系統的核心設備，用于控制和調節電力系統的運行參數。針對控制系統的設計，可以通過電力電子控制器采集系統的運行參數，根據預設的算法和控制邏輯，對電力系統進行精確控制，從而使得電力系統的運行更加穩定和安全，進而提高電力系統的可靠性和效率。并且，還可以結合需求設計監控與控制系統，實時監測電力系統的運行狀態、負荷情況和故障信息。控制系統能夠進行負荷預測和負荷e986948614e3a1d6cc54eac764f117a7b2f1cb95dd05d45f0af172cdcfc0469f平衡，根據實際負荷情況調整發電和配電策略，控制系統還能夠實現自動化控制，如調度中心可以自動切換發電機組、調整變壓器的負載分配等。

（七）安全保護系統設計

電力電子保護裝置，用于保護電力系統的正常運行。當電力系統出現故障時，電力電子保護裝置能夠迅速檢測到故障信號，切斷故障線路，避免故障擴大，從而保障電力系統的安全運行。電力電子保護裝置包括繼電器、斷路器等，用于過流保護、接地保護、差動保護等。設計電力電子保護裝置時，還能夠根據不同電氣設備的特點和負荷情況，確定合適的保護參數和保護策略，確保系統和設備在故障情況下的安全可靠運行。保護裝置的應用還能夠對電力系統進行故障記錄和事件分析，定期進行系統維護和巡檢，確保電力系統的安全運行[5]。

（八）質量控制

配電系統是管控電能質量的重要環節。首先，電工電子技術可為配電系統帶來實時調控能力。通過晶閘管等先進設備，系統可以實時調整諧波、電壓等關鍵參數，從而確保電能質量始終滿足控制要求，并有效預防系統的瞬間波動。其次，電工電子技術具有全頻化和集成化特點，在電力系統中應用電工電子技術，為改進工頻配電系統變壓器提供了新的可能。這些技術不僅有助于解決傳統變壓器存在的過度污染和設備體積大等問題，還能進一步提高配電系統的效率和可靠性。最后，為了加強數據管理和信息安全性，需要結合系統參數搭建實時電力系統的監控系統。這個系統可以將分類后的數據實時儲存到電力系統所對應的數據庫中，為電能質量控制提供有效依據。同時，這個系統還具備實時數據采集能力，能夠為后續的系統研究和優化設計提供有力支持，從而為用戶提供更加安全、可靠、高效的電力服務。

四、結束語

綜上所述，通過電子電工技術的引入，為電力系統的優化和升級提供了新的解決方案。電子電工技術不僅有助于提升電力系統的運行效率，還能優化電能的應用水平，使電力系統向著智能化和自動化的方向發展。同時，電子電工技術還能有效解決電力系統運行中遇到的問題，保障了發電、配電、輸電等環節的安全性與穩定性。未來，為了充分發揮電子電工技術的應用價值，相關技術人員與研究人員需要不斷加強技術研發和創新，培養專業的技術人才，積極引進先進的技術理論，不斷完善電力系統的應用功能，從而更好地滿足社會對電力系統的需求，推動電力系統的持續發展和進步。

作者單位：秦育亮 廣饒縣職業中等專業學校

秦育亮（1988.06-），男，漢族，山東東營，本科，講師，研究方向：電子技術應用、電子信息工程。

參考文獻

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