电力电子技术在电力系统中的应用

欧阳修明

摘 要：电力电子技术在电力系统中的应用已得到了极大的关注，多种设备相继出现，本文主要介绍电力电子技术在电力系统的发电、输电和配电以及节电环节的应用，并列举目前存在的问题和解决方法。

关键词：电力电子应用 自动化 电力系统

1 电力电子技术介绍

电力电子技术主要是用半导体电子器件进行功率变换、控制及开断电路的应用技术，主要包括电力电子变换技术和电力电子控制技术。

1.1 电力电子变换技术

电力电子变换电路的基本功能是将电网的电能转换为负载需要的形式，不论电路拓扑结构如何，其基本转换电路只有4种形式：(1)整流电路AC—DC：(2)斩波电路DC—DC：(3)逆变电路DC—AC：(4)交流变换电路AC—AC。

1.2 电力电子控制技术

电力电子控制电路的基本功能是应用自动控制理论和计算机技术来提高系统的性能，一般的控制方式有：相控方式，频控方式，斩控方式，相频控制方式及斩频控制方式,先进的控制方式对改进变换电路的性能和效率是必不可少的关键技术之一。

2 电力电子技术的应用

2.1 在发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

2.1.1 大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

2.1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁

水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时，机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

2.1.3 发电厂风机水泵的变频调速

风机水泵耗电量占火电设备总耗电量的一半以上，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实旋风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。

2.2 电力电子器件应用于高压输电系统

2.2.1 直流輸电(HVDC)和轻型直流输电(HVDC Light)技术

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。

2.2.2 柔性交流输电(FACTS)技术

FACTS技术的概念问世于20世纪8O年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。2O世纪9O年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。

2.3 在配电环节中的应用

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将FACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。

2.4 在节能环节的运用

在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严重时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。

3 电力电子技术在电力系统应用中所产生的负面影响及解决方案

3.1电力电子装置在电力系统中的影响

主要影响包括电网品质恶化，装置的功率因数降低和无功消耗增大，负载的波形发生畸变等。无功功率对电网造成的影响是众所周知的，它主要表现在以下3个方面：

(1)频繁的无功功率负载冲击会引起电网电压的波动，使供电质量严重降低；

(2)增加电网上所连设备的容量；

(3)增加设备和线路的损耗。

谐波产生的危害主要有以下几方面：

(1)谐波使电能产生和传输环节的效率降低；

(2)谐波使连在电网上的用电设备不能正常工作， 比如引起振动、产生噪声以及电机过热甚至烧毁等；

(3)谐波很容易使电网上无功补偿电容器和系统中的电抗器产生谐振，从而烧毁电容器及电抗器；

(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使自动控制系统失效；

(5)谐波还会对通信系统产生干扰，严重的可以导致信息丢失、通讯设备中断等。

3.2 电力系统谐波抑制及补偿技术的研究

目前，装设谐波补偿装置来补偿谐波属于比较可行的措施，主要有两种治理方式：无源滤波器与有源滤波器，及由其两者结合产生的混合有源滤波器，一般将混合有源滤波器归为有源滤波器的种类中去，作为有源滤波器发展的一个分支。

3.2.1 无源电力滤波器

用无源电力滤波器进行抑制谐波、补偿无功和提高电网的功率因数。它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，从而减小流向电网的谐波电流。无源滤波器(PPF)具有初期投资小，运行效率高等优点。但PPF的滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，还可能与系统发生串、并联谐振，导致谐波放大，使设备过载甚至烧毁，而且装置笨重，体积大，有效材料消耗多。

3.2.2 有源电力滤波器

与PPF相比，有源电力滤波器具有明显的优越性能，具体表现在：

(1)不仅能补偿各次谐波，还可同时补偿无功功率、抑制闪变、调节和平衡三相不平衡电压等；

(2)滤波特性不受系统阻抗和频率的影响，可消除与电网阻抗发生串、并联谐振的危险，且对外电路的谐振具有阻尼作用；

(3)具有自适应能力， 能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿；

(4)不存在过载问题，当负载谐波电流较大时，控制电路易实现限流保护以提高系统的安全性。

4 结语

电力电子技术的发展掀开了科技史上的新篇章，也带来很多需要不断解决的问题，比较典型的就是引起电力系统中的谐波污染问题，必须再利用电力电子技术对其进行有效的治理。

参考文献

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