电力电子装置在电力系统中的应用

陆伟

【摘要】目前，电力系统在我们的生活中是非常重要的，并且在我国的经济发展中也发挥着不可估量的作用。本文分析了电力电子装置在电力系统中的应用，以供同仁参考借鉴。

【关键词】电力；电力系统；电子装置；应用

引文：电力电子装置能够促进电力系统向可持续发展和智能化转型。从发电、储能、微型电网、输电和电能质量5个方面，介绍了电力电子装置在电力系统中的主要应用。从提高电力电子装置可靠性、安全性、经济性和标准化的视角，综述了可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块的研究工作。

一、电力电子装置的研究方向

（1）可靠性：目前，电力电子装置自身具备较高的复杂性和多样性，同时电力电子装置发展的还不够成熟与电力系统之间的关联度也比较高，正是由于电子装置的这些特点使得电力电子装置自身的可靠性面临着非常严峻的考验。而电力电子装置的可靠性较低会导致电力系统中的电流与电压的供应量不足，从而导致电力电子的整个装置受到破坏从而影响电网正常运行。

（2）安全性：要想保障电力电子装置的安全，就需要对电力电子装置中的故障进行排查和管理。当前的研究方向是研究恰当的诊断方法，从而能及时进行故障的诊断，对电力电子装置的故障进行分析，结合实际的情况，尽可能地挖掘电力电子装置中的故障特征，然后采取措施来避免发生故障，从而提高电力系统的运行性能，提高其安全性。

二、电力系统中电力电子装置的主要应用

（1）发电环节：

发电机组励磁。大型发电机组应用静止励磁技术，与励磁机相比，具有调节速度快、控制简单的特点，显著提高了发电厂的运行性能和效率。水力发电机组应用交流励磁技术，通过对励磁电流频率的动态调整，实现了发电系统对水头压力和水流量动态变化的快速调节，改善了发电品质，提升了发电效率。

风力发电。风电变流器通过整流器和逆变器将不稳定的风能变换为电压、频率和相位符合并网要求的电能。随着变流器拓扑结构向多电平拓扑方向发展，使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高，有效降低了线路损耗和传输导线成本，促进了风电，特别是海上风电的大规模开发。目前国际上新的并网运行规则要求，在风力发电系统接入电网时，发电系统需具备有功功率控制、无功功率调节、并网频率变化、故障穿越和低电压穿越能力。

光伏电站。大型光伏电站由光伏阵列组件、汇流器、逆变器组、滤波器和升压变压器构成，是大规模集中利用太阳能的有效方式。通过给并联逆变器施加“电网友好”的控制方案，光伏电站可以实现无功补偿、有源滤波和动态电压补偿等功能。目前，大型光伏发电系统正处于从示范到大范围推广应用的关键阶段，因此，光伏电站的科学设计需要综合考虑光伏阵列的组合方式、逆变器的组合方式及其并网拓扑等因素。

（2）电能存储

可调速抽水蓄能。抽水蓄能电站通常由上水库、下水库和输水及发电系统组成。在运行过程中，上下水库落差不断变化，因此抽水蓄能电站只有工作在变速状况下才能取得最佳发电效率。目前，可调速抽水蓄能机组主要采用转子绕组励磁方式，励磁调节系统通常采用基于晶闸管的周波变换器或基于全控器件的电压型或电流型变换器。

压缩空气储能。压缩空气储能的工作原理为：当电力系统的用电处于低谷时，利用富余电量驱动空气压缩机，把能量以高压空气的形式存储起来；当用电负荷处于高峰时，将储气空间内的高压空气释放出来，驱动发电机发电。近年来，关于压缩空气储能系统的研究和开发一直非常活跃。在空气压缩过程中，通过采用变频驱动技术可以大幅度调整电网负荷并提高空气压缩效率；在发电过程中，通过采用控制发电机的励磁可以拓宽储气系统的发电运行范围和发电效率。

电池储能。电池储能系统主要包括电池系统和功率调节系统。在电池系统中，采用小功率 DC/DC变换器可实现电池模块的电流均衡。大功率和高增益DC/DC变换器可集成到电池模块内，并作为电池模块输出接口实现串并联成组，从而提高直流母线电压等级、简化均衡控制要求和优化功率调节系统的拓扑。在功率调节系统中，电压型四象限变换器作为电池系统与电网的电力电子接口，变换器可采用三相桥式模块并联型和H桥模块级联型拓扑，除了进行电池充放电管理外还能实现储能系统的各项并网功能。

（3）微型电网：微型电网是由分布式电源、储能装置、功率变换器、相关负荷以及监控保护装置汇集而成的小型发配电系统。通过功率变换器的调节，微型电网可与外部电网并网运行，实现局部的功率平衡与能量优化；在外部电网故障时，通过变换器的解列，使微型电网运行在独立模式，可以继续向关键负荷供电，提高用电的安全性和可靠性。实践表明，将分布式电源以微型电网的形式接入到电网中并网运行，与电网互为支撑，是发挥分布式电源效能的最有效方式。

（4）输电环节：

直流输电。直流输电包括常规直流输电和柔性直流输电。与常规直流输电相比，柔性直流输电具有有功功率和无功功率独立可控、无需滤波及无功补偿装置、可向无源负荷供电、潮流翻转时电压极性不变等优势，因而被广泛应用。

分频输电。分频输电系统利用较低的频率传输电能，可减少交流输电线路电气距离，提高系统传输能力，抑制线路电压波动。在水电、风电等可再生能源发电系统中，十分适合利用低频进行发电和输电。目前，分频输电主要通过变频器实现输电线路与工频电网的连接。

固态变压器。固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁耦合电能变换技术相结合，可对电压或电流的幅值、相位、频率、相数和形状等特征进行变换的新型变压器。

（5）电能质量：

无功补偿。采用动态无功补偿器对抑制系统功率振荡、保持母线电压稳定、解决负荷电压闪变和不平衡等問题有重要作用。链式静止同步补偿器（STATCOM）可以实现独立分相补偿和模块化冗余设计，与静止无功补偿器（SVC）相比，具有无功功率连续可调、总谐波畸变率小、响应速度快、效率与可靠性高、易于扩展和占地面积小等优点。

谐波治理。谐波治理分为从谐波源本身出发抑制谐波的主动谐波治理和增加额外谐波治理装置的被动谐波治理。主动谐波治理采用多重化技术和脉宽调制技术，降低变流装置注入电网的谐波。被动谐波治理采用混合型、级联型有源电力滤波器（APF）和统一电能质量调节器（UPQC）等在谐波源外部进行动态谐波治理，可以减少网侧电流谐波含量，提高电力设备效率和利用率。

电压暂降抑制。在中低压电力系统中，电压暂降可引起企业的生产中断、设备损坏和产品报废。动态电压恢复器（DVR）是一种基于电压源逆变技术的串联型电能质量控制器，可以动态补偿正序、负序和零序电压，抑制不平衡的电压暂降。目前，采用从电网提取能量、无串联变压器的多电平逆变器方案是动态电压恢复器的发展方向。

结束语：

当前，微型电网中对电能质量控制的方法、功率变流器在可再生能源发电中的可靠性、电压源型换流器在风电场多端直流输电系统中的应用的研究等都是当前电力电子装置应用中亟需解决的问题。

参考文献：

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【2】张文亮，汤广福，查鲲鹏等. 先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30（4）：1-7.