左柳成

摘 要：隨著電力資源需求量不斷的增加， 電力系統(tǒng)壓力日益突出， 而電力電子裝置應(yīng)用在電力系統(tǒng)中， 可以極大的緩解電力系統(tǒng)壓力。文章將從電力電子應(yīng)用角度出發(fā)， 對(duì)其在電力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、用電環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。最后闡述了電力電子裝置在電力系統(tǒng)應(yīng)用中亟待解決的難題。

關(guān)鍵詞：電力電子;電力系統(tǒng);應(yīng)用

1 發(fā)電系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中， 發(fā)電系統(tǒng)是比較關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)， 其同樣也需要重點(diǎn)借助于電力電子技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新優(yōu)化， 改善發(fā)電性能， 提升發(fā)電效率。 ? ? ?（1）發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁。大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用靜止勵(lì)磁技術(shù)，與勵(lì)磁機(jī)相比，具有調(diào)節(jié)速度快、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，顯著提高了發(fā)電廠的運(yùn)行性能和效率。水力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用交流勵(lì)磁技術(shù)，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)對(duì)水頭壓力和水流量動(dòng)態(tài)變化的快速調(diào)節(jié)，改善了發(fā)電品質(zhì)，提升了發(fā)電效率。（2）風(fēng)力發(fā)電。變流器是風(fēng)力發(fā)電中不可或缺的核心環(huán)節(jié)。風(fēng)電變流器通過(guò)整流器和逆變器將不穩(wěn)定的風(fēng)能變換為電壓、頻率和相位符合并網(wǎng)要求的電能。隨著變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩電平、三電平向H橋級(jí)聯(lián)型、有源中點(diǎn)鉗位、模塊化多電平換流器（MMC）等多電平拓?fù)浞较虬l(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量和電壓等級(jí)逐步提高，有效降低了線路損耗和傳輸導(dǎo)線成本，促進(jìn)了風(fēng)電特別是海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。目前國(guó)際上新的并網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)需具備有功功率控制、無(wú)功功率調(diào)節(jié)、并網(wǎng)頻率變化、故障穿越和低電壓穿越能力[1-2]。（3）光伏電站。大型光伏電站由光伏陣列組件、匯流器、逆變器組、濾波器和升壓變壓器構(gòu)成，是大規(guī)模集中利用太陽(yáng)能的有效方式。通過(guò)給并聯(lián)逆變器施加“電網(wǎng)友好”的控制方案，光伏電站可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波和動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償?shù)裙δ?。目前，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)正處于從示范到大范圍推廣應(yīng)用的關(guān)鍵階段，還存在光伏陣列組合的多峰值特性和熱斑效應(yīng)、逆變器組合的非理想特性等技術(shù)問(wèn)題，因此，光伏電站的科學(xué)設(shè)計(jì)需要綜合考慮光伏陣列的組合方式、逆變器的組合方式及其并網(wǎng)拓?fù)涞纫蛩豙1-2]。

2 輸電系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于電力系統(tǒng)中的輸電過(guò)程采用電力電子技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)同樣也是比較重要的一個(gè)方面， 其中柔性交流輸電技術(shù)的應(yīng)用就表現(xiàn)出了較強(qiáng)的代表性。借助于電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于輸電環(huán)節(jié)的有效控制， 更好提升電力系統(tǒng)的輸電穩(wěn)定性。結(jié)合這種柔性交流輸電技術(shù)的有效應(yīng)用， 其能夠在實(shí)際運(yùn)行中具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性， 能夠有效降低輸電損耗， 實(shí)現(xiàn)輸送效率的明顯提升[1]。

FACTS技術(shù)，上世紀(jì)80年代， 柔性交流輸電誕生并迅速在全球發(fā)展普及[3]。該技術(shù)是現(xiàn)代科技不斷的發(fā)展背景下， 電力電子技術(shù)與控制基礎(chǔ)的創(chuàng)新性結(jié)合成果， 可連續(xù)調(diào)控電力系統(tǒng)電壓、相位角、功率、參數(shù)等內(nèi)容， 促使輸電能力的有效提升， 電力系統(tǒng)運(yùn)行更為可靠穩(wěn)定， 輸電過(guò)程的損耗有效減少。在以往的電流調(diào)節(jié)中， 移相器、串聯(lián)補(bǔ)償裝置、開(kāi)關(guān)投切電容、電感等，僅能進(jìn)行穩(wěn)定電流調(diào)節(jié)， 且傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)需經(jīng)過(guò)一段反應(yīng)時(shí)間， 不符合當(dāng)前的電力系統(tǒng)中的柔性調(diào)節(jié)電力的要求。而柔性交流輸電技術(shù)的應(yīng)用， 適應(yīng)了阻尼系統(tǒng)振動(dòng)及對(duì)柔性連續(xù)電流的調(diào)節(jié)， 不僅精準(zhǔn)高效， 更可對(duì)電力系統(tǒng)中的電壓、功率、電流、阻抗、短路等多種變量進(jìn)行有效控制， 保障了電網(wǎng)的有序運(yùn)行。

FACTS ?技術(shù)及其控制器是隨著電力電子技術(shù)及其功率器件的發(fā)展而發(fā)展的。由于輸電網(wǎng)高壓、大功率的特性，F(xiàn)ACTS ?技術(shù)主要采用晶閘管、GTO、IGBT ?等器件，隨著 IGCT 器件的發(fā)展，可以用IGCT器件代替GTO器件實(shí)現(xiàn)新型的電壓源變流器，不僅實(shí)現(xiàn)更高的耐壓，而且可以切換 4～5 kA的電流。由于硅器件自身物理限制，在更高電壓等級(jí)或者功率等級(jí)的 FACTS 控制器的應(yīng)用，仍然受到制約。碳化硅功率器件固有的高耐壓特性，隨著其器件水平的不斷發(fā)展，在 FACTS 技術(shù)中必然越來(lái)越受到重視。

輕型直流輸電技術(shù)是在高壓直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是直流輸電兩端變流器采用可關(guān)斷器件構(gòu)成電壓源逆變器，不存在換相失敗、受端系統(tǒng)必須提供無(wú)功容量的問(wèn)題，而且可以省去換流變壓器，簡(jiǎn)化換流站結(jié)構(gòu)。受制于可關(guān)斷硅器件水平的制約，其輸電容量通常較小。圖1是輕型直流輸電中由IGBT構(gòu)成的電壓源型換流器，利用脈寬調(diào)制（pulse ?width ?modulation，PWM）技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變，不但可以向無(wú)交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電，在特殊情況下也可以提供無(wú)功功率?；?VSC 的輕型直流輸電技術(shù)在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

隨著碳化硅 MOSFET/IGBT 等器件性能、電壓等級(jí)和功率等級(jí)的提高，碳化硅電力電子器件在輕型直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，有望進(jìn)一步提高其輸電容量及適用電壓等級(jí)，為輕型直流輸電的應(yīng)用拓展帶來(lái)新的機(jī)遇。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器 （SVC） 被應(yīng)用在電力系統(tǒng)的輸電線路與負(fù)荷補(bǔ)償。在較大功率的電力輸送網(wǎng)絡(luò)中， 其主要用作對(duì)電壓的控制， 以提升系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性等。SVC在設(shè)計(jì)之初便沒(méi)有旋轉(zhuǎn)組件， 同時(shí)也不需要較大容量的電容器， 無(wú)功功率則是利用電感器來(lái)獲取， SVC對(duì)電抗器采取及時(shí)的控制， 可以使無(wú)功功率的發(fā)出與吸收的轉(zhuǎn)變更加平滑。且就SVC的無(wú)功功率輸出到無(wú)功功率吸收的轉(zhuǎn)變過(guò)程而言， 其主要依靠對(duì)電抗器實(shí)施高效率調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)， 因此， 較常應(yīng)用于中高壓輸電線路中的無(wú)功補(bǔ)償環(huán)節(jié)中[4]。

3 配電系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

在供電方面， 需要解決的問(wèn)題是如何提高供電的安全性， 并且保持一定的供電質(zhì)量， 以滿足用戶的需要。將電力系統(tǒng)的降壓配電站， 也就是高壓配電變電站的出口到用戶配電的入口的這一段系統(tǒng)， 是電力系統(tǒng)的配電系統(tǒng)。是電力系統(tǒng)的配電系統(tǒng)。是有配電設(shè)備中的電子控件和配電設(shè)施組成變電站， 變換電壓后像用戶分配電力的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從電力的電壓和頻率等方面入手， 消除一些電力的弊端問(wèn)題， 在供電的過(guò)程中， 消除一些電力的干擾因素。用戶配電技術(shù)， 在電力電子技術(shù)與現(xiàn)代的控制技術(shù)相結(jié)合的條件下， 提高供電的質(zhì)量， 滿足用戶電力的需求。

在電力系統(tǒng)配電環(huán)節(jié)中， 電力電子技術(shù)的應(yīng)用更是可以表現(xiàn)出較強(qiáng)的作用價(jià)值， 比如有源濾波器的應(yīng)用就是比較有代表性的一種。有源濾波器的應(yīng)用可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)態(tài)抑制諧波以及補(bǔ)償無(wú)功， 該類電力電子設(shè)備的應(yīng)用對(duì)于解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)配電方面的問(wèn)題存在較強(qiáng)作用價(jià)值， 并且能夠根據(jù)諧波的具體狀況進(jìn)行有效調(diào)整， 達(dá)到更為理想的無(wú)功補(bǔ)償效果[6]。有源濾波器在實(shí)際應(yīng)用中需要采用電源供電， 如此也就能夠結(jié)合自身相關(guān)程序設(shè)定進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)補(bǔ)償， 相對(duì)于傳統(tǒng)的固定補(bǔ)償模式， 該類設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值較為突出。

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的不斷發(fā)展， 傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)原理的交流變壓器由于功能單一， 難以滿足新一代電網(wǎng)的高可控性和靈活性的需求， 而電力電子變壓器的出現(xiàn)能夠很好地解決這一問(wèn)題， 受到了廣泛的關(guān)注。電力電子變壓器亦被稱為固態(tài)變壓器 （solid-state transformer， SST） 或智能變壓器 （smart transformer， ST） ， 通過(guò)先進(jìn)電力電子技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓變換、無(wú)功補(bǔ)償、電氣隔離等功能。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展， 僅實(shí)現(xiàn)電壓變換等功能已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于電力電子變壓器的要求。在主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)應(yīng)用背景下， 單輸入輸出的電力電子變壓器進(jìn)一步發(fā)展為具備多個(gè)交、直流端口的電能路由器， 可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)電能路由的功能， 更有利于分布式電源與儲(chǔ)能單元等的靈活協(xié)調(diào)運(yùn)行。

我國(guó)的配電系統(tǒng)中， 有高中低壓三種配電系統(tǒng)， 220KV以上的電壓是輸變電系統(tǒng)， 配電系統(tǒng)的終端是用戶用電入口[5]。對(duì)于配電系統(tǒng)的安全性和可靠性是需要考慮的。在配電系統(tǒng)中最重要的是變壓器的選擇和使用。對(duì)于。對(duì)于變壓器的安全是日常的管理重點(diǎn)， 要靈活應(yīng)對(duì)變壓器的異常問(wèn)題， 對(duì)常見(jiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行思考總結(jié)， 以便以后的維修。中國(guó)的配電系統(tǒng)存在許多問(wèn)題， 例如電網(wǎng)容量和用電負(fù)荷不符合， 供電電壓的不合理， 以及配電設(shè)備的落后， 這都需要從配電系統(tǒng)的電子控件上解決。

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