电子装置在电力系统中的应用研究

摘要：随着电力系统信息化、智能化以及综合化发展不断推进，电子装置应用也取得前所未有的发展，但在实际应用过程中，也存在很多技术问题。文章主要从介绍电子装置的應用，站在电子装备安全性以及标准化的角度，对其进行综合研究，力求为推动相关领域的实践发展做出有益的理论探索。

关键词：电子装置；电力系统；故障管理；电能存储技术；微型电网 文献标识码：A

中图分类号：TM76 文章编号：1009-2374（2016）03-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.021

电力系统在社会经济领域发展中有着极为重要的作用，承载着生产及生活能源的输送、利用以及配给。随着能源危机的不断加剧，促使电力系统也由规模化发展转向可持续化发展方向。随着电力系统不断转型，储能装置以及分布式电源开始不断普及，主电网与微电网、地方电网之间的配合更加高效；电子装置逐渐进入网络，电能配用的无功和谐波治理得到有效加强。随着大功率电子元器件的不断应用，电子装置必将拓展越来越大的舞台。

1 电子装置在电力系统中的应用范围

1.1 发电及相关领域

从实践领域来看，电子装置在电力系统发电领域中应用较为广泛：一是风力发电机组。在该机组中，变流器是极为重要的核心设备，通过逆变器以及整流器可以将风能转化为稳定的电能。但随着风力发电系统的逐步完善，通过有源中点钳位以及三电平向H桥级联型等多电平拓扑发展，能够有效提升发电等级及容量。二是发电机组励磁。主要应用于大型的发电机组，与传统励磁机相比，其静止励磁技术有操作简单、调节速度快等特点，对于电厂的效率提升有着极为重要的意义，而水力发电一般通过励磁技术对电流的频率进行调整，能够实现水流量及压力的调节，改善发电效率及品质。三是光伏电站应用。大型光伏电站是集中利用太阳能的有效途径，一般采取并联逆变器方式加以控制，能够提升有源滤波、无功补偿以及动压补偿等基本功能。

1.2 电能存储技术

为有效缓解高峰时电力系统负荷过重压力，提高整个电网及电力设备的运行效率，有效防止电网故障的发生，满足社会对于安全、高效、优质用电的要求，在储能技术上，主要应用于以下三个方面：一是压缩空气储能。当整个系统用电处于低谷时，可以使用余出的电量去驱动空气压缩机，并将形成的能量存储起来，而当用电负荷处于饱和状态时，可以将存储的能量释放，用于驱动发电。近年来，国内对于压缩空气存储技术研究较多，通过变频技术融合，能够提高电网负荷的压缩效率。二是可调速抽水蓄能。一般情况下，水力蓄能系统一般由下水库、上水库以及发电机组构成，主要是利用水的落差变化，将势能转化为电能。当前，在水能机组应用转子绕组励磁较多，采取电流或电压型变换器进行励磁调节，实现有功或者无功调整。三是电池储能。该储能方式一般由功率调节及电池系统构成，一般以锂离子、全钒液以及钠硫电池为主，主要目标是实现电池储能模块的均衡。为实现功率调节功能，将电压型四象限变换器当作电网与电池的接口，以三相桥式模块为变换器，实现并网及储能功能。

1.3 微型电网

微型电网主要是由储能装置、分布式电源、电子负荷、功率变换器、监控保护装置共同构成的配电系统，通过安装功率变换器，能够使外部与微型电网同步并网运行，确保能量平衡与局部优化。实践证明，将分布式电源接入到电网中并网运行，能够发挥微型电网的最大效能。在微电网运行中，通常使用多变换器处理储能装置与分布式电源互联问题，另外使用增加变换器接口也可以解决该问题。在使用多变换器时，要确保各个控制器能够保持独立，以通信的方式协调各方面运行，因此存在信号延迟、成本高、安全性差等问题。从运行情况来看，多接口变换器运行一般可以分为紧急模式、生产模式、恢复模式。当处于生产模式时，系统可以获取再生能源，在加强储能管理的同时满足负载需求。

1.4 输电环节控制

电子装置在输电环节的控制与应用，一般有如下三种方式：一是分频输电。主要是利用低频传输电能，能够提高系统传输能力，减少线路电气距离，达到抑制传输过程电压波动的目的，主要用于风电和水电等再生能源领域。这些电机转速较慢，适用于低频发电以及传输，在应用过程中，可以通过变频器连接工频电网与输电线路。二是直流输电。一般包括柔性和常规两种，其中柔性直流电可以分为无功功率及有功功率可控、可向无源负荷供电等优势，因而可广泛应用于城市、孤岛、电网及可再生能源的接入。在直流输电中，已经由三电平发展到多电平模块。三是固态变压器。该变压装置是电磁耦合及电力电子变换技术的融合产物，能够推动电流或电压频率、相位以及形状变换的设备，使输电方式更加灵活及稳定。

1.5 电能质量调控

在电能质量控制上，也可以应用电子装置去实现：一是无功补偿。对于母线电压稳定、负荷电压不平衡以及功率振荡等问题，都可以使用无功补偿器去实现，链式静止同步补偿器具有响应速度快、占地面积小以及安全性高等优点。二是电压暂降抑制。在电力系统运行过程中，电压一旦发生降低现象，可能会导致设备损坏、生产中断以及产品报废等，而动态电压恢复器能够有效解决这一问题，能够抑制不平衡电压，确保正序、零序以及负压电压补偿，可广泛应用于无串联变压器以及提取能量等方案。三是谐波治理。主要分为主动和被动谐波治理，其中主动谐波治理使用脉宽调制以及多重化技术，达到降低变流装置谐波的目的。

2 电力电子装置应用中需要解决的难题

随着市场经济体系的不断完善，对于电能的需求也在不断增加。为了适应未来发展需求，应高度重视电子装置在电力系统应用中需要解决的难题：一是在风电场直流多端输电系统中，对电压源型换流器研究有待深入；二是在多能源储能系统中，对于变换器的设计、运行及控制方法的研究深度不够；三是电子装置数字控制器的标准仍然存在不够统一和规范的现象；四是在可再生能源体系中，功率变流器的安全性与可靠性研究仍需深入。以上问题的解决，对于增强国家电网传输水平、提高安全指标以及增加可再生能源规模，都具有极为重要的现实意义。

3 电子装置在电力系统中的应用研究

为增强电子装置在电力系统应用的安全性、可靠性以及标准化，必须要進一步提升电子装置的总体性能，确保故障运行管理、可靠性评估以及模块标准化的研究有效实施，取得具有普适性意义的研究成果。

3.1 基于可靠性评估角度应用研究

电子装置在电力系统中应用效能与其运行的故障率、无障运行时间以及使用率等因素有着直接的关系，在电子装置设计运行过程中，进行可靠性评估有利于加强综合性管理系数。其评估结果能够确认技术指标是否规范，也能够作为控制策略以及元器件可靠性评估的依据。另外，可靠性预测越精确，越能够为系统的维护、运行以及管理提供指导。在具体可靠性评估中，可以通过系统或元件层面构建模型，对电解电容以及功率器件等元器件的故障率进行系统建模；对于复杂的系统而言，可以将其进行分解，采取多系统评估方式增强其可靠性。如果系统评估结果与可靠性要求有差距，必须对研究方法进行改进，并加强对整个装置的容错能力进行改造。

3.2 基于故障运行管理角度应用研究

系统可靠性随着技术的提升会不断增加，但运行故障是无可避免的，对于重要的场合，电子装置往往会因设备故障造成伤害。对于那些允许离线的电子装置，一般通过故障或者过热管理等方式去降低故障率。一般情况下，功率器件产生故障的原因是温度循环过程中流动较大或者温度过高，因此必须要加强主动热管理，以控制调节器材耗损，防止瞬态及稳态热应力导致元器件损坏；对于故障的预测与诊断是电子装置加强保护以及容错运行的重要依据，一般以变换器端口或功率器件的电流电压变化参数比较，进行故障识别；而故障预测主要是根据子系统或元件存在故障，推测它们的使用年限及生命周期，为采取措施及有效预测提供参考；故障发生时，电子装置自身的容错运行能力可以及时采取策略，将发生故障的部分加以隔离，防止整套装置发生失效现象。

3.3 基于电子标准模块角度应研究

从发展来看，随着电子标准模块技术（PEBB）的不断发展，能够将门极驱动电路、功率器件以及相关配套元件集成到同一个模块当中，使其接口与功能达到标准化要求，而标准模块的应用能够有效降低设备体积、装置成本以及实际损耗，最大限度节省建设成本。电子装置依托PEBB构建具有普适性的应用设备，按照不同场合的不同需求，进行科学合理调配。电子装置在电力系统中应用，为改善和保证其性能，必须要对保护方案进行系统升级和改造，按照层次化控制、集成化管理以及系统化升级的原则，不断攻克模块杂散电感、信号监测以及接口控制等难题。

4 结语

电子装置的应用领域极为广泛，主要体现在储能、输电以及发电等领域，通过改善电力系统的综合指标，不断促进电力可持续发展。在可靠性评估、故障管理以及电子模块标准等关键技术上进行研究，以期取得更具实效性、稳定性和持续性的研究成果，实现电子装置的安全、成本以及使用寿命的需求，为电力系统的可持续发展奠定坚实的基础。

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作者简介：刘江，男，新疆乌鲁木齐人，中国人民解放军装甲兵工程学院学生。

（责任编辑：陈 洁）