电力电子技术在电力系统中的应用

2023-01-04吴俣潼谢丽蓉

光源与照明 2022年1期

吴俣潼，谢丽蓉

新疆大学，新疆乌鲁木齐 830000

0 引言

电力企业的进步发展可以在一定程度上提高我国的整体经济效益。同时，电力电子工程是我国电力行业中的先进技术领域，电力电子技术的发展与应用有利于我国电力工程的可持续发展。随着社会的进步发展，我国的电力电子技术取得了较大的发展，这促进了我国电力行业的发展、国家电网稳定性的提高及经济的可持续发展。

目前，在电力系统中应用电力电子技术时，存在技术应用意识不强、落后地区的技术引进受限、无法及时更新现代化生产设备等问题[1]。相关工作人员应意识到电力电子技术在电力系统中的应用有利于保障电网安全与提高电能质量，进而提高电力企业的整体经济效益。当前，电力企业相关工作人员应立足电力电子技术的发展，从多角度研究电力电子技术在电力系统中的应用，从而助推电力企业的可持续发展。

1 电力电子技术概述

电力电子技术诞生于20世纪50年代，晶闸管的问世代表了电力电子技术的诞生[2]。电力电子技术是电力系统中一种重要的传动技术，以晶闸管技术为基础，可以开发得到可控硅整流装置。可控硅整流装置的问世，表明电力电子技术取得了大的进步，标志着电能的变换和控制进入变流器控制时代。由此可见，可控硅整流装置是电力电子技术的主要标志。

根据电子电力技术的功能，电力电子技术可以分为通用交流供电技术与制造供电技术两大类[3]。在通用交流供电技术中，电力人工技术的应用相当广泛，电力人工技术常用于远程监控的电力设备，其可以降低电网运行中的故障发生率。

2 电力电子技术及电力电子器件的发展历程

（1）第一代电力电子器件。自从开始应用电力电子技术，电力系统和电力电子器件取得了良好的发展，电力二极管和晶闸管是第一代电力电子器件的主要代表[4]。晶闸管具有耗能低与体积小的特点，可以取代原有电力系统中的老式汞弧整流器，推动电力电子技术的可持续发展；电力二极管可以提高电路的性能，有利于降低电路损耗、提高电源使用率。

（2）第二代电力电子器件。随着电力电子技术的发展，电力电子器件得到了发展，如整流二极管的多样化。20世纪70年代，第二代电力电子器件诞生，其主要特点为可以自动关断。第二代电力电子器件显著提升了开关速度，被应用在开关频率较高的电路[5]。

（3）第三代电力电子器件。20世纪90年代，产生了第三代电力电子器件，其体积更小、结构更紧凑。此外，还出现了将几种电力器件结合的电子模块，推动了电力电子器件的发展。在此之后，研究人员以集成模块为基础，将用于电力技术的多种电力器件结合，得到了集成电路。集成电路的产生标志着我国电力电子技术已经进入智能化与集成化的阶段。电力电子技术需要以电力电子器件的变革为基础，朝着现代化的技术方向发展，除了实现高频技术，还需要加强技术的自动化、环保性与节能性等[6]。

3 电力电子技术在电力系统中的应用现状

3.1 人员的技术应用意识不强

虽然电力电子技术的优势比较突出，但是部分工作人员观念落后，对新技术的应用意识不强。部分工作人员持着误解与怀疑的态度，对电力电子技术的认识不全，不认可该技术的优势。即使技术人员对新技术持认可态度，但也存在不够了解新技术、使用方法不当等问题，这对新兴电气技术的发展产生较大的阻碍[7]。

3.2 落后地区的技术引进受限

我国的国土面积较大，在应用先进技术的过程中，不同地区对新技术的使用程度、支持程度与资金投入等有一定的差异。落后地区交通不够便利，人员综合素质不高，技术比较落后，这些问题会阻碍电力电子技术的引进。电力电子技术对人专业人才有较大的依赖，落后地区缺少电力电子技术的专业人才，而且部分工作人员无法接触最新的电力电子技术，这不利于电气技术的发展[8]。

3.3 无法及时更新生产设备

随着电力电子技术的快速发展，电力电子技术不断推陈出新，生产效率显著提高[9]。纵观各地区的实际情况，生产过程会受到资金、人员与地点的影响。如果设备的数量少、功能少，生产效率将无法提高。与此同时，我国在电气化方面的扶持政策较少，生产设备的更新受到多方面因素影响，部分地区无法及时将设备更新为现代化的生产设备，也没有贯彻落实现有的扶持政策，这也会对我国的电气化发展产生较大的影响。

4 电力电子技术在电力系统中的作用

4.1 保障电网安全

国家经济发展需要以电网安全为保障[10]。当前，我国电力系统还处于初级发展阶段，从整体上来看电网结构比较简单，和国外发达国家比较，我国在配电与输电方面差距较大。加之我国地形比较复杂，电网分布相当广泛，自然灾害频繁发生。这些因素都会威胁电网的安全，因此，有必要采取一定的措施避免这些因素影响网格建设。如果采用人工方式会增加网格建设的难度和工作量，而应用电力电子技术可以优化电网架构，降低网格建设的难度，从而保障电网安全。

4.2 提高电能质量

在我国电力技术快速发展的今天，电子电力技术被广泛应用在电力系统中，电力系统的安全性与稳定性会影响电网的正常运行。由此可见，相关技术人员要确保电网运行过程中的安全性和稳定性，从而从根本上促进电力系统整体电能质量的稳步提升。在传统的电网模式中，针对电网输出质量没有相关的保护与改进措施，无法提高电能的质量。随着电力电子技术的快速发展，应用电力电子技术可以最大限度地控制直流电输送系统电能的最大损耗率，提高整体的输电效率，从而优化配置资源，提高电能质量。

5 电力电子技术在电力系统中的具体应用

5.1 电力系统节能

在电力系统节能方面应用电力电子技术可以从两个方面入手。一方面，可以借助变负荷电动机调速运行技术达到节能的目的；另一方面，可以借助电力电子技术不断提高电动机的节电潜力，通过提高电能使用率充分发挥节电的作用。同时，需要将两方面的应用结合，以最大限度地发挥电力系统的节能作用。

通常情况下，电厂的配电和生产可能无法发挥机电组的作用，而且还可能出现严重浪费电能资源与产生无功功率的问题。虽然可以通过控制变负荷电动机的运转速度来提高生产与配合的效果，然而在实际工作中存在较多的问题，如生产与配置负荷电动机时需要花费较多的成本，在实际工作中很容易影响电网，适用范围较小，更适合应用在中大型电厂。此外，当前的电力设备在送电期间的电能损耗较大，生产成本较高，这也会影响电能质量。因此，必须在配电系统中增加与配送系统有关的可控设备，以调控电能，确保电能的稳定性与质量，从而促进整体节能效果的提高。

通常来说，交流异步电动机与变压器都会消耗无功功率与有功功率，为了保障电能质量，需要控制有功电源与无功电源。若无法保证电力系统的无功平衡，很容易导致电力系统的电压下降，从而损坏设备。此外，功率不平衡很容易导致电力系统出现电压崩溃解裂的问题，甚至造成大面积停电。若电网设备中出现明确的缺乏无功容量的问题，可以增加无功补偿设备，提高设备功率因数，降低不良事故的发生率，避免浪费电能。

5.2 输电环节

5.2.1 静止无功补偿器

自进入20世纪，在电力系统中静止无功补偿器得到了广泛应用。在较大功率的输电系统中应用电力电子技术可以控制电压，提高输电功率系统的稳定性。一般情况下，静止无功补偿器没有旋转部件，对大容量电容器的需求不大，而且可以通过利用无功功率获得电感。此外，可以通过静止无功补偿器调控电抗器，进而减少无功功率，提高电能利用率。

5.2.2 柔性交流输电技术

柔性交流输电技术是电力电子技术在电力系统中的一个重要应用。在传统的电力输送工作中，使用比较粗放的方法控制电力功率，很难在输电时控制与调整电能，增加了输电工作期间的电能损耗，显著增加了输电成本。在输电线路运行期间，需要发挥电力电子技术装置的作用，使用柔性交流输电技术实时控制各项参数，合理配置、利用输电器件的电能功率，从根本上降低电能损耗与输电成本损耗，为电力系统运行的安全性与稳定性奠定基础。

5.2.3 高压直流输电装置

在电力系统的输电环节应用高压直流输电技术，需要应用晶闸管。在晶闸管中，晶闸管换流阀的应用比较广泛，以其为基础，还出现了其他具有较强操作性的电力输送控制器，如交直流转换变压器。在电力输送设备的电流转换期间，交直流转换变压器的使用率较低，可以节约电能成本。

5.3 发电环节

5.3.1 发电机组的励磁控制与变频调速

在电力系统发电环节应用电力电子技术，主要是对发电机组进行励磁控制与变频调速。当前，我国大型发电厂的发电机组主要应用静止励磁系统，也就是通过晶闸管进行整流，并在自励的基础上控制静止励磁。随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的应用在某种程度上可以让原本静止的励磁控制构造逐步变得更简单、成本更低且性能更高。此外，电力电子技术可以取代励磁机，此时静止励磁可以实现快速且及时的自我调节，从而提高系统的运行效率。

5.3.2 风力与水力发电机的变速恒频励磁控制

水力发电机的输出功率容易受到单位时间内水力流动量和水源头压力的影响，若水头发生较大的变化，水力发电机组的转速也会发生相应的改变；在风力发电机的实际工作中，风速仅影响风力发电的有效功率，且二者成正比例的关系，即风速越快，风车转速越快，有效功率越大。由此可见，可以通过调整风力与水力发电机组的转动励磁电流频率，确保发电机机组的电流频率、输出频率及转子转速的一致性。在调控过程中，变速恒频励磁技术是核心技术，有利于充分发挥发电机组的运行功能。

5.3.3 风机水泵变频调速和太阳能发电控制机组控制

在电力系统的发电环节应用电力电子技术可以对风机水泵进行变频调速，以及对太阳能发电控制机组进行控制。电厂的发电量较大，为了保证节能效果，可以在转换高低压时改变原有变频器，借助风机水泵变频机实现高低压的转化的目标，提高电能的使用效率，解决传统工作中电能转换效率不高且耗能大的问题。太阳能是新型能源，在发电产业发展方面具有重要的作用。当前，我国比较常见的是西门子太阳能发电厂和10～15 kV的独立发电厂。结合实际工作可知，太阳能发电系统的功率较大，而且通过太阳能发电机组发电需要对生产的电能进行及时转换。为了保障电能转换的效率，需要应用功率较大的电流转换器，提高电能的使用效率。