電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用探討
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吳大江1由 分享
摘要 近年來，不斷進(jìn)步的計算機(jī)技術(shù)為現(xiàn)代控制技術(shù)在實際生產(chǎn)、生活中提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，新的材料和結(jié)構(gòu)器件又促進(jìn)了電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，且在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文就電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用
中圖分類號TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）38-0147-02。
以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐依據(jù)的電力電子技術(shù)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前在新能源開發(fā)、電能質(zhì)量控制和民用產(chǎn)品等多個行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。直流輸電是最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)。20世紀(jì)80年代之后，提出了柔性交流輸電（FACTS）概念，于是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究引起的很大的關(guān)注，許多介紹和總結(jié)相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀層出不窮，相繼又出
現(xiàn)了多種設(shè)備。筆者按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。
1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)都會被涉及到，如何改善這些設(shè)備的運行特性就需要電力電子技術(shù)參與應(yīng)用。
1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁控制
靜止勵磁結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及造價相對較低 ，采用晶閘管整流自并勵方式，在世界的各大電力系統(tǒng)被廣泛采用。省去勵磁機(jī)這個中間慣性環(huán)節(jié)，使其擁有了特有的快速性調(diào)節(jié)。這樣使得控制規(guī)律的方法和更加先進(jìn)，效果更加良好。
1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵磁
水頭壓力和流量決定了水力發(fā)電的有效功率，抽水蓄能機(jī)組最佳轉(zhuǎn)速變會隨著水頭的變化幅度而變化。風(fēng)速的三次方與風(fēng)力發(fā)電的有效功率成正比，隨風(fēng)速的變化，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化。所以機(jī)組變速運行，即調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定，從而獲得最大有效功率。變頻電源是此項應(yīng)用的技術(shù)核心。
1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速
發(fā)電廠的廠用電率平均8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約是火電設(shè)備總耗電量的65%，不僅耗量大且運行效率低，為了節(jié)能，在低壓或高壓變頻器使用時可以使風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速，從而減少電量的消耗。目前來講，低壓變頻器技術(shù)以達(dá)到一定 的水平，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家也比較多，只是系列產(chǎn)品還不夠完整。但是高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)的企業(yè)還是比較少，需要院校和企業(yè)抓緊聯(lián)合開發(fā)，以滿足生產(chǎn)需求。
2 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
被稱為“硅片引起的第二次革命”就是電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)，這樣使得電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性大幅度的改善。
2.1 直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術(shù)
流輸電相對遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電優(yōu)勢獨特，因為其不僅輸電容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而且控制調(diào)節(jié)非常靈活，從。1970年世界上第一項晶閘管換流器之后，世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥，這也是電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電的里程碑。
2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)
20世紀(jì)80年代后期，F(xiàn)ACTS技術(shù)的概念問世，這是項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可以靈活控制交流輸電功率潮流，使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平大大的提高。
20世紀(jì)90年代后，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以應(yīng)用較早。
2.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量是配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題，電能質(zhì)量控制既要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾，還要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)就是用戶電力（Custom Power）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，它是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。其實FACTS設(shè)備的縮小版就是DFACTS設(shè)備，因為其原理、結(jié)構(gòu)、功能是相似。由于市場較大的需求，所以使用會日益的廣泛，再加上電力電子器件價格日益降低，可以預(yù)計DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將迅速進(jìn)入快速發(fā)展期。
3 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用
3.1 變負(fù)荷電動機(jī)調(diào)速運行
要想在節(jié)能環(huán)節(jié)有所成就，就必須從電動機(jī)本身和變負(fù)荷電動機(jī)的調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用兩方面入手，只有二者結(jié)合起來，電動機(jī)的節(jié)能才能達(dá)到良好的效果。
目前，變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵采用交流調(diào)速在國外居多，在我國還需要進(jìn)一步推廣應(yīng)用。風(fēng)機(jī)、泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量收到良好的效果，其調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，可以實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速且在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，可以達(dá)到30% 的節(jié)電率，缺點就是成本較高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，即使這樣，并不影響其在在冶金、礦山等部門及社會生活中應(yīng)用推廣。閥門控制和變頻控制水泵流量如圖1、圖2所示。
3.2 減少無功損耗，提高功率因數(shù)
在電氣設(shè)備中，屬于感性負(fù)載的變壓器和交流異步電動機(jī)，在運行的過程中是有功功率和無功功率均消耗的設(shè)備，作為保證電能質(zhì)量不可缺少的部分無功電源與有功電源是一樣的，所以在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，不然就會系統(tǒng)電壓降低、功率因數(shù)下降、設(shè)備遭到破壞 ，嚴(yán)重時還會造成大面積的停電事故，為防止這樣的事情發(fā)生，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時，增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)勢在必行。
4 結(jié)論
總之，電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，只有不斷的加大已有研究成果的技術(shù)應(yīng)用和運行投入，不斷改善經(jīng)濟(jì)可行性，才能大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大效益。
參考文獻(xiàn)
[1]鄭錦彪.淺談電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].黑龍江科技信息，2007(5).
[2]張建誠，陳志業(yè)，梁志瑞.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力情報，1999(3).
[3]陳賢明，許和平，戴軍.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電廠自動化，1996(2).
關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用
中圖分類號TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）38-0147-02。
以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐依據(jù)的電力電子技術(shù)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前在新能源開發(fā)、電能質(zhì)量控制和民用產(chǎn)品等多個行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。直流輸電是最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)。20世紀(jì)80年代之后，提出了柔性交流輸電（FACTS）概念，于是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究引起的很大的關(guān)注，許多介紹和總結(jié)相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀層出不窮，相繼又出
現(xiàn)了多種設(shè)備。筆者按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。
1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)都會被涉及到，如何改善這些設(shè)備的運行特性就需要電力電子技術(shù)參與應(yīng)用。
1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁控制
靜止勵磁結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及造價相對較低 ，采用晶閘管整流自并勵方式，在世界的各大電力系統(tǒng)被廣泛采用。省去勵磁機(jī)這個中間慣性環(huán)節(jié)，使其擁有了特有的快速性調(diào)節(jié)。這樣使得控制規(guī)律的方法和更加先進(jìn)，效果更加良好。
1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵磁
水頭壓力和流量決定了水力發(fā)電的有效功率，抽水蓄能機(jī)組最佳轉(zhuǎn)速變會隨著水頭的變化幅度而變化。風(fēng)速的三次方與風(fēng)力發(fā)電的有效功率成正比，隨風(fēng)速的變化，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化。所以機(jī)組變速運行，即調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定，從而獲得最大有效功率。變頻電源是此項應(yīng)用的技術(shù)核心。
1.3 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速
發(fā)電廠的廠用電率平均8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約是火電設(shè)備總耗電量的65%，不僅耗量大且運行效率低，為了節(jié)能，在低壓或高壓變頻器使用時可以使風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速，從而減少電量的消耗。目前來講，低壓變頻器技術(shù)以達(dá)到一定 的水平，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家也比較多，只是系列產(chǎn)品還不夠完整。但是高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)的企業(yè)還是比較少，需要院校和企業(yè)抓緊聯(lián)合開發(fā)，以滿足生產(chǎn)需求。
2 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
被稱為“硅片引起的第二次革命”就是電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)，這樣使得電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性大幅度的改善。
2.1 直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術(shù)
流輸電相對遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電優(yōu)勢獨特，因為其不僅輸電容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而且控制調(diào)節(jié)非常靈活，從。1970年世界上第一項晶閘管換流器之后，世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥，這也是電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電的里程碑。
2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)
20世紀(jì)80年代后期，F(xiàn)ACTS技術(shù)的概念問世，這是項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可以靈活控制交流輸電功率潮流，使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平大大的提高。
20世紀(jì)90年代后，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以應(yīng)用較早。
2.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量是配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題，電能質(zhì)量控制既要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾，還要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)就是用戶電力（Custom Power）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，它是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。其實FACTS設(shè)備的縮小版就是DFACTS設(shè)備，因為其原理、結(jié)構(gòu)、功能是相似。由于市場較大的需求，所以使用會日益的廣泛，再加上電力電子器件價格日益降低，可以預(yù)計DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將迅速進(jìn)入快速發(fā)展期。
3 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用
3.1 變負(fù)荷電動機(jī)調(diào)速運行
要想在節(jié)能環(huán)節(jié)有所成就，就必須從電動機(jī)本身和變負(fù)荷電動機(jī)的調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用兩方面入手，只有二者結(jié)合起來，電動機(jī)的節(jié)能才能達(dá)到良好的效果。
目前，變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵采用交流調(diào)速在國外居多，在我國還需要進(jìn)一步推廣應(yīng)用。風(fēng)機(jī)、泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量收到良好的效果，其調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，可以實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速且在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，可以達(dá)到30% 的節(jié)電率，缺點就是成本較高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，即使這樣，并不影響其在在冶金、礦山等部門及社會生活中應(yīng)用推廣。閥門控制和變頻控制水泵流量如圖1、圖2所示。
3.2 減少無功損耗，提高功率因數(shù)
在電氣設(shè)備中，屬于感性負(fù)載的變壓器和交流異步電動機(jī)，在運行的過程中是有功功率和無功功率均消耗的設(shè)備，作為保證電能質(zhì)量不可缺少的部分無功電源與有功電源是一樣的，所以在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，不然就會系統(tǒng)電壓降低、功率因數(shù)下降、設(shè)備遭到破壞 ，嚴(yán)重時還會造成大面積的停電事故，為防止這樣的事情發(fā)生，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時，增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)勢在必行。
4 結(jié)論
總之，電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，只有不斷的加大已有研究成果的技術(shù)應(yīng)用和運行投入，不斷改善經(jīng)濟(jì)可行性，才能大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大效益。
參考文獻(xiàn)
[1]鄭錦彪.淺談電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].黑龍江科技信息，2007(5).
[2]張建誠，陳志業(yè)，梁志瑞.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力情報，1999(3).
[3]陳賢明，許和平，戴軍.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電廠自動化，1996(2).