电力电子技术在电力系统中的应用研究

2022-03-24张艳娟

光源与照明 2022年4期

张艳娟

山西电力职业技术学院（国网山西省电力公司技能培训中心），山西太原 030000

0 引言

在市场中，电力电子技术主要包含电力制造电子技术和电力交流供电技术。电力电子技术的发展非常快，在社会各个领域都有广泛的应用。现代电力电子技术的应用关键在于利用大功率的电力电子器件实现电能的变换与有效控制，从而在不同的负载环境下得到最佳电能，保证电力系统供电正常。为了保证电力行业的长远发展，还应不断发展电子元器件。研究电力电子技术需要综合分析其在不同环境中的应用，还需要对电力电子技术的重要性有正确认识。

1 电力电子技术概述

电力电子技术经历了较长的历史发展时期，先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。整流器时代主要使用大功率硅整流管和晶闸管，随着电解、牵引、传动等技术的发展，各行各业都得到了飞速发展，电力电子技术整流时代的开启也意味着整个电力行业的技术水平开始不断提高。到了20世纪70—80年代，人们开始研究交流电机的变频调速，在电力系统中将直流电逆变为交流电成为电力行业中常见的提高电力系统运行效率的办法，但这时受到技术水平的限制，只能进行低频的逆变。20世纪80年代后，计算机信息技术开始发展，电力行业也开始与电子信息技术结合，因而产生了超大规模集成电路，电路扩大规模意味着电力输送功能的增强，电路网络的铺设范围能够进一步扩大。随之而来的是集成电路与高电压和大电流的结合，传统电力电子技术就此正式转变为现代电力电子技术，计算机通信设备的出现使电力电子技术在人们生产生活中得到了更加广泛的应用。

在我国电力行业发展中，电力电子技术的应用仍是需要探索的新技术领域，为了维持我国国家电网的稳定运行，需要不断提高电力电子技术的水平。现阶段，电力行业主要利用的是电力电子技术的制造供电功能和交流供电功能。

2 电力系统中电力电子技术的重要作用

2.1 提高电能质量

电力电子技术在我国电网运行中的主要作用是提高电能质量，通过提高电力输送的稳定性，能够保证及时、足量供电，对电力输送网络上的电力设备也有一定的保护作用，能够保证正常的生产生活用电[1]。在传统的电网运行模式中，对电网输电工作缺乏保护装置的设置，电网运行过程中存在许多故障问题，这使得电网的维修工作量居高不下，群众的用电需求也得不到满足，电能质量难以提升。在输电侧、发电侧、负荷侧广泛应用电力电子技术，能够使电能达到最佳状态，提高电网的稳定性。电能的产生、运输、分配、消费等各个环节都需要应用电力电子技术，从而不断提高电能质量。当前，电力电子技术的大范围使用有助于提高直流输电输送过程中的稳定性，降低电能损耗率，不仅能够节约资源，还能够提高输电质量，提高电力资源使用效率的同时，也能更好地满足群众在生产生活中的用电需求，能够为各类电力设备提供充足的电能。

2.2 保障电网安全

国家经济发展的基础保障是电网的运行安全，电力渗透在社会发展的各个方面，无论是生产制造行业还是工、农、商业，都离不开电力的使用。我国的电力系统安全保障措施仍然处在起步阶段，相比于西方国家，我国电网的运行安全性还有所不足，尤其是在配电与输电两个重要方面，我国的电网结构设置得较简单，往往缺乏故障预警功能与故障应对措施。除此之外，我国幅员辽阔，地形地貌复杂，许多山区的电网是近些年刚刚铺设的，恶劣的自然条件使得部分地区的输电线路设置受到更多约束与限制。

使用电力电子技术能够提高电网运行的安全性，人为消除限制因素，使电力网络建设水平不断提高。使用电力电子技术也能够改善输电和发电现状，实现电网架构的不断优化。电力电子技术与通信技术的深度结合，有助于电网工作人员实时跟踪电力系统的运行状态，能够更及时地发现电网运行中的不良现象，分析输电线路的故障问题，在简化电网架构的同时，提高输电质量。

3 在电力系统中应用的电力电子技术

3.1 静止无功补偿装置

为了保证经济发展速度，必须加大电力供给，我国工农业机械化水平的提高使得电力需求越来越大，对新型大功率交流电力的使用需求也越来越大。当前，国家电网需要不断提高电力功率输送性能，通过提高电网电力输送的稳定性来保证在电网功率不断变化、电力不间断供给到不同单位的过程中能按照电力输送的额定需求传送电力。电力电子技术在这一过程中的主要应用体现在静止式无功补偿装置的应用。该装置能够对冲击性更大的负荷电流进行无功自动补偿，采用无源恒功交流补偿技术能够有效控制单向电力系统及其相关系统的电力功率。静止式无功补偿装置可以使单向电网电力输送时的交流电压更加稳定，进而极大地降低电网供电安全隐患问题的发生率，提高电网供电管理效率。

静止式无功补偿装置主要包括同步无功补偿器、晶闸管上的投切器和电容器、静止式无功补偿控制装置、可控制的串联无功补偿控制装置以及晶闸供电管路的控制器和电抗器等[2]。其中，静止式无功补偿控制装置通过并联调节可以实现电网有损电流的补偿联接，并联形式下调节电网输出电压能够形成无损与有损电流的补偿，从而进行正常的电压吸收和电流发出，实现动态的无功补偿，能够适应更复杂的电网运行状态，同时提升电网运行过程中的电力输送效率。采用可控制的串联无功补偿控制装置也能够实现串联电控制，可以和串联电容之间根据电力系统的运行状态进行自动并联转换，串联补偿装置的运行参数会随着串联晶闸体的变化来调整电流大小，进而保证电网输电状态的稳定性。

3.2 高压直流输电技术

高压直流输电技术具有许多优势，其输送功率大、稳定性高，在电力输送频率不同的输电网络中都能够形成稳定的联络。与交流输电相比，直流输电的优点在于线路走廊比交流输电窄，直流输电只需要2条线路即可完成电能的传输，相比于交流输电（最少需要3条线路），可节省工程预算；在相同电压和导线截面积下，直流输电的极限功率大。

我国在20世纪中期研发出大容量直接脉冲触发式晶闸管，其属于一种新型电力电子器件，对高压直流输电技术有显著的改善作用，晶闸控制阀门电路得到了极大的简化。电力电子技术发展至今，高压直流输电技术可以结合控制系统、光纤通信等技术，对高压直流输电的保护作用越来越强大，整个电力系统的运行也日趋完善。随着高压直流输电技术的发展，对电力系统的控制功能可以集中在数字化平台上，进而实现系统的参数控制和远程控制，系统中的冗杂功能得到了整合，操作流程得到了简化。随着电力系统中使用的电子元件数量的减少，维修检查工作量将极大地减少，高压直流输电的运行将会更加顺畅，从而提高有源电能滤波供应的质量[3]。控制有源电能滤波的电子装置可以利用可控的有源电力使电子装置在运行中产生适应电力系统运行的脉动电流，能够取代部分无源电能滤波，从而减少大型电力输送设备的使用，简化电网架构。

3.3 柔性交流输电技术

柔性交流输电技术与远程控制输电技术、自动化输电技术是未来输电系统发展的三大重要支撑技术。其中，在柔性交流输电技术中，可以利用先进的大功率交流电力专用电子技术对我国传统的交流电力控制系统进行改革，通过控制交流电力系统的交流电压、相位、夹角、功率，同时加入新的信息技术，可以使电力系统实现自动调节，从而大幅度提高我国输电网络的交流供电能力，使我国输电网络运行更加稳定。传统的自动调节控制系统使用的电力电子元件与装置都只能实现对部分稳态电力的自动调节，而不能在电力输送频率改变的动态环境下有效控制电力系统，在部分电力系统中还出现了控制响应过慢的问题。使用柔性交流输电技术，可以缩短控制开关的动作切换时长，使电力系统更快地响应控制指令，在电力运行过程中能够适应快速连续调节电力运行的要求，极大地提高我国电网的电力输送效率和电网运行安全性。应用柔性交流输电技术解决交流输电控制中的控制误差问题后，能为更多的供电场景输送电力，提升电网的交流输电能力和供电质量。

4 电力电子技术在电力系统中的具体应用

4.1 在发电环节的应用

我国当前的发展策略是提高资源与能源的利用率，电力作为各行各业的重要资源，如何推进能源建设可持续发展成为重要问题。在我国社会发展中，发电是保证能源供给的重要举措。在建设电网体系的过程中，需要不断加入信息技术和智能化建设手段，在发电环节使用电力电子技术也就显得至关重要。智能电力装置的应用和微电子技术的研发能够使清洁能源在更多行业中得到推广，电力资源的综合利用效率也能得到显著提高。电力电子技术与通信技术和信息化技术的结合能够减少大型电力设备的使用，减少在供电过程中的冗杂输电流程，还能够降低电力输送过程中的损耗率，对电力行业的发展有重要意义。

电力系统专用电子技术是电力电子技术与其他电力输送技术结合产生的交流稳压输电控制技术，为了优化输电流程，电力系统中各项运行参数的控制需要通过远程操作来实现[4]。以风力发电为例，风能是可再生能源和天然能源，利用风能结合微电子技术，能够促进动力电机与动力电网的结合，能够解决电力装置的充放电利用问题，对提升整个电网的运行效率有显著作用，同时能够维持发电环节电力系统的稳定运行状态。

4.2 在电力系统节能中的应用

电力系统节能控制是我国电网发展的主要问题，我国是能源消耗大国，各行各业的能源使用量都非常大，电力能源的消耗对电网的运行会造成很大负担[5]。例如，在电力系统中，直流变压器和异步变压电动机属于重要设备，在不同的电力传输过程中有不同的运行状态。两种设备都会消耗有功输出功率和无功功率，这样才能维持整个电力系统的做功平衡，维持电力系统关联设备和相关装置的正常控制状态[6]。

近些年，我国电力系统中的高功率、大损耗用电设备越来越多，动力电机系统的运行负荷随之增加，电力电子技术在电力节能方面的应用得到了电力公司的重视，应用电力电子技术解决电力系统节能问题成为主流[7]。利用电力电子技术中的现代信息技术和微电子技术能够实现不同电力设备的自动控制运行，自动变速箱在运行过程中也能进行有效的自动调节，优化输送电力的频率，降低无功损耗，旨在达到电力系统运行的节能目的。

4.3 在负荷侧的应用

在电力系统的运行中，在负荷侧也广泛使用了电力电子技术，近些年大热的变频空调就是电力电子技术在负荷侧的应用表现。相比于传统的工频空调，变频空调的能耗更低，能够节省电力，同时兼具功率小、使用寿命长和噪声小的优点。变频器与空调产品的结合属于电力电子技术在人们日常生活中的使用，而变频器更多地用于工业生产。例如，电厂的泵与风机可以通过变频器进行电力调节，在启动时能够减少启动时产生的启动电流，保护机械设备，也能降低启动瞬间电流对机械设备元件产生的冲击，有助于延长设备使用寿命，使设备稳定运行。