电力电子装置在电力系统中的应用探析

2014-10-21高学林

电子世界 2014年18期

高学林

【摘要】电力电子装置是电力系统走向智能化的一项重要设备。为了实现电网运行的可靠性，关键需要提高高压交流输电系统的输电能力。电力电子装置运用直流输电技术，改善了电力系统的可控性能。为了进一步提高电力电子装置的安全性和经济型，本文对电力电子装置在电力系统的发电、存储、输电等方面所发挥的作用进行详细的研究。

【关键词】电力电子装置;电力系统;应用分析

随着电网系统的不断发展和自动化技术的广泛应用，电子控制设备的规模越来越大，对电力电子换流技术的研究也进一步加强。

为了能够实现电网互联的规模的进一步扩大，实现电力系统的可靠运行，电力电子装置在电力系统中的应用研究成为一个重要问题，加强对电子设备抗干扰性的研究更是重中之重。

1.当前的电力系统简介

电力系统在当今社会经济中扮演着至关重要的角色，发挥着不可替代的作用，它是能源利用、输送以及配给的主要载体。化石能源以及气候环境的危机致使电力系统正由规模化的发展转向可持续发展以及智能化发展的模式。当前电力系统转型的特征主要表现在：主干电网、微型电网以及地方电网的配合，分布式电源和储能装置的大规模接入，灵活高效的输电方式，配电以及用电的智能化，以及逐步提高的供电质量和可靠性。

在电力系统中，许多功能的实现都需要靠电力电子装置来完成。比如说可再生能源的并网发电、无功和谐波的动态补偿、储能装置的功率转换、配用电能的双向流动、交直流电网的柔性互联等。

随着科技的日益发展，大功率、高电压电力电子器件的发展，变换器单元化、模块化以及智能化水平的提高，控制机调制策略性能的提升，电力电子装置在电力系统中的作用会越来越大。

2.电力电子装置在发电环节的应用分析

2.1 发电机组励磁

相比使用励磁机，大型发电机组运用静止励磁技术，有着控制简单、调节速度快的优点，在机组运行中大幅增加了发电厂的运行性能及效率。水力发电机组通过对励磁电流频率的动态调整，运用交流励磁技术，达到了发电系统对水头压力与水流量动态变化进行快速调节的目的，发电效率得到增加，发电品质也更加完善。

2.2 风力发电

交流器是风力发电中必不可少的中心环节。经过整流器及逆变器，风电交流器把不太稳定的风能转换为电压、频率及相位符合并网要求的电能。交流器拓扑结构由两电平、三电平向多电平拓扑（有源中点钳位、H桥级联型、模块化多电平换流器等）方向的发展，风力发电系统的电压等级及容量也在进一步的提高，有效地降低了线路损耗及传输导线的成本，大幅推进了风电，尤其是海上风电的大规模开发。当前国际上新的并网规则要求在风力发电系统接入电网时，发电系统需要具备有功功率控制、并网频率变化、无功功率调节、故障穿越以及低电压穿越能力等。

2.3 光伏电站

大型光伏电站是大规模对太阳能进行集中利用的高效方法，其由光伏阵列组件、汇流器、滤波器、逆变器组以及升压变压器组成。光伏电站能够通过给并联逆变器采用“电网友好”的控制方案，实现有源滤波、动态电网补偿以及无功补偿等功能。当前，由于大型光伏电站尚面临着多峰值特性及热斑效应、逆变器组合的非理想特性等技术问题，并且大型光伏发电系统正处在从示范到大范围推广应用的关键阶段，所以对光伏电站的科学设计还需要综合考虑光伏阵列、逆变器的组合方式及其并网拓扑等因素。

3.电力电子装置在电能存储环节的应用分析

3.1 压缩空气储能

近几年对压缩空气储能理论的研究逐渐兴起，理论的进展推动了该系统的实践发展。从理论上看，压缩空气储能主要利用电力系统的用电电荷对储气空间的空气进行控制。当电力系统进入用电高峰期时，富余电量能够驱动空气压缩机，将能量转化为高压空气储存起来;当电压的负荷进入高峰期时，再将储气空间中的高压空气释放出来，进一步驱动发电机发电。实际运行中，压缩空气储能能够通过变频驱动技术调整电网的负荷，从而适应储能发电的需要，提高了空气压缩的效率。发电的过程中能够通过控制发电机的励磁拓宽发电的范围，提高发电的效率。

3.2 可调速抽水储能

抽水储能需要借助于上下水库的落差控制发电系统的工作。在进行抽水蓄能发电时，需要利用上下水库的落差和变速实现最佳发电状态。可调速抽水储能则主要利用了转子组励磁方式，采用基于晶闸管的周波变换器或者基于全控期间的电压型、电流型变化其进行电压电流的控制。抽水蓄能主要利用不同转子励磁电流的频率和幅值进行有功出力和无功出力的独立调节，实现机组启动和运行模式的切换，促使电力系统进行调峰填谷、调频、调相等工作的开展。

3.3 电池储能

电池储能主要采用锂离子电池、钠离子电池和全钒液流电池等电池，通过小功率的DC/DC变换器进行电池模块的电流均衡调节。大功率的DC/DC变换器集成到电池模块内，通过电池模块输出接口实现串并联，实现直流母线电压等级的提高和功率调节系统拓扑的优化。

4.电力电子装置在输电环节的应用分析

4.1 分频输电

在当前水能发电、风能发电等发电机转速较低的发电系统中，较多的采用了分频输电的方式。分频输电主要利用较低的频率傳输电能，减少了交流输电线路的电气距离，提高了传输的效率，抑制了电压波动。

4.2 直流输电

直流输电一般应用于可再生能源发电、城市供电和电网互联等领域。直流发电包括常规的直流输电和柔性直流输电。常规直流输电采用晶闸管换流器进行电流的转换，柔性直流输电采用了全控器件换流器进行电流转换。柔性直流输电能够实现有功功率与无功功率的独立调控，无需进行滤波，能够实现无功补偿和无源负荷供电等功能。

4.3 固态变压器

固态变压器能够将电力电子转换技术与电磁耦合电能变换技术结合起来，从而实现对电压或电流的幅值、相位等特征进行调节。固态变压器能够实现潮流控制，电能质量调节，具有更好的稳定性，能够实现灵活输电，能够更有效的控制电能传输。

5.结语

电力电子装置的研究和开发有利于提高电力系统的可靠性和安全性，同时也能够实现电力系统的自动化控制，促进了电力系统的智能化转型。在电力电子装置的研究中，除了应当对电力电子装置的应用范围和方式进行研究之外，还应当加强对电力电子装置的可靠性、故障运行、回路仿真等关键技术进行研究，以促进电力系统的长远发展。

参考文献