電力電子技術在電力系統中的應用研究

張艷娟

山西電力職業技術學院（國網山西省電力公司技能培訓中心），山西 太原 030000

0 引言

在市場中，電力電子技術主要包含電力制造電子技術和電力交流供電技術。電力電子技術的發展非?？?，在社會各個領域都有廣泛的應用?，F代電力電子技術的應用關鍵在于利用大功率的電力電子器件實現電能的變換與有效控制，從而在不同的負載環境下得到最佳電能，保證電力系統供電正常。為了保證電力行業的長遠發展，還應不斷發展電子元器件。研究電力電子技術需要綜合分析其在不同環境中的應用，還需要對電力電子技術的重要性有正確認識。

1 電力電子技術概述

電力電子技術經歷了較長的歷史發展時期，先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代。整流器時代主要使用大功率硅整流管和晶閘管，隨著電解、牽引、傳動等技術的發展，各行各業都得到了飛速發展，電力電子技術整流時代的開啟也意味著整個電力行業的技術水平開始不斷提高。到了20世紀70—80年代，人們開始研究交流電機的變頻調速，在電力系統中將直流電逆變為交流電成為電力行業中常見的提高電力系統運行效率的辦法，但這時受到技術水平的限制，只能進行低頻的逆變。20世紀80年代后，計算機信息技術開始發展，電力行業也開始與電子信息技術結合，因而產生了超大規模集成電路，電路擴大規模意味著電力輸送功能的增強，電路網絡的鋪設范圍能夠進一步擴大。隨之而來的是集成電路與高電壓和大電流的結合，傳統電力電子技術就此正式轉變為現代電力電子技術，計算機通信設備的出現使電力電子技術在人們生產生活中得到了更加廣泛的應用。

在我國電力行業發展中，電力電子技術的應用仍是需要探索的新技術領域，為了維持我國國家電網的穩定運行，需要不斷提高電力電子技術的水平?，F階段，電力行業主要利用的是電力電子技術的制造供電功能和交流供電功能。

2 電力系統中電力電子技術的重要作用

2.1 提高電能質量

電力電子技術在我國電網運行中的主要作用是提高電能質量，通過提高電力輸送的穩定性，能夠保證及時、足量供電，對電力輸送網絡上的電力設備也有一定的保護作用，能夠保證正常的生產生活用電[1]。在傳統的電網運行模式中，對電網輸電工作缺乏保護裝置的設置，電網運行過程中存在許多故障問題，這使得電網的維修工作量居高不下，群眾的用電需求也得不到滿足，電能質量難以提升。在輸電側、發電側、負荷側廣泛應用電力電子技術，能夠使電能達到最佳狀態，提高電網的穩定性。電能的產生、運輸、分配、消費等各個環節都需要應用電力電子技術，從而不斷提高電能質量。當前，電力電子技術的大范圍使用有助于提高直流輸電輸送過程中的穩定性，降低電能損耗率，不僅能夠節約資源，還能夠提高輸電質量，提高電力資源使用效率的同時，也能更好地滿足群眾在生產生活中的用電需求，能夠為各類電力設備提供充足的電能。

2.2 保障電網安全

國家經濟發展的基礎保障是電網的運行安全，電力滲透在社會發展的各個方面，無論是生產制造行業還是工、農、商業，都離不開電力的使用。我國的電力系統安全保障措施仍然處在起步階段，相比于西方國家，我國電網的運行安全性還有所不足，尤其是在配電與輸電兩個重要方面，我國的電網結構設置得較簡單，往往缺乏故障預警功能與故障應對措施。除此之外，我國幅員遼闊，地形地貌復雜，許多山區的電網是近些年剛剛鋪設的，惡劣的自然條件使得部分地區的輸電線路設置受到更多約束與限制。

使用電力電子技術能夠提高電網運行的安全性，人為消除限制因素，使電力網絡建設水平不斷提高。使用電力電子技術也能夠改善輸電和發電現狀，實現電網架構的不斷優化。電力電子技術與通信技術的深度結合，有助于電網工作人員實時跟蹤電力系統的運行狀態，能夠更及時地發現電網運行中的不良現象，分析輸電線路的故障問題，在簡化電網架構的同時，提高輸電質量。

3 在電力系統中應用的電力電子技術

3.1 靜止無功補償裝置

為了保證經濟發展速度，必須加大電力供給，我國工農業機械化水平的提高使得電力需求越來越大，對新型大功率交流電力的使用需求也越來越大。當前，國家電網需要不斷提高電力功率輸送性能，通過提高電網電力輸送的穩定性來保證在電網功率不斷變化、電力不間斷供給到不同單位的過程中能按照電力輸送的額定需求傳送電力。電力電子技術在這一過程中的主要應用體現在靜止式無功補償裝置的應用。該裝置能夠對沖擊性更大的負荷電流進行無功自動補償，采用無源恒功交流補償技術能夠有效控制單向電力系統及其相關系統的電力功率。靜止式無功補償裝置可以使單向電網電力輸送時的交流電壓更加穩定，進而極大地降低電網供電安全隱患問題的發生率，提高電網供電管理效率。

靜止式無功補償裝置主要包括同步無功補償器、晶閘管上的投切器和電容器、靜止式無功補償控制裝置、可控制的串聯無功補償控制裝置以及晶閘供電管路的控制器和電抗器等[2]。其中，靜止式無功補償控制裝置通過并聯調節可以實現電網有損電流的補償聯接，并聯形式下調節電網輸出電壓能夠形成無損與有損電流的補償，從而進行正常的電壓吸收和電流發出，實現動態的無功補償，能夠適應更復雜的電網運行狀態，同時提升電網運行過程中的電力輸送效率。采用可控制的串聯無功補償控制裝置也能夠實現串聯電控制，可以和串聯電容之間根據電力系統的運行狀態進行自動并聯轉換，串聯補償裝置的運行參數會隨著串聯晶閘體的變化來調整電流大小，進而保證電網輸電狀態的穩定性。

3.2 高壓直流輸電技術

高壓直流輸電技術具有許多優勢，其輸送功率大、穩定性高，在電力輸送頻率不同的輸電網絡中都能夠形成穩定的聯絡。與交流輸電相比，直流輸電的優點在于線路走廊比交流輸電窄，直流輸電只需要2條線路即可完成電能的傳輸，相比于交流輸電（最少需要3條線路），可節省工程預算；在相同電壓和導線截面積下，直流輸電的極限功率大。

我國在20世紀中期研發出大容量直接脈沖觸發式晶閘管，其屬于一種新型電力電子器件，對高壓直流輸電技術有顯著的改善作用，晶閘控制閥門電路得到了極大的簡化。電力電子技術發展至今，高壓直流輸電技術可以結合控制系統、光纖通信等技術，對高壓直流輸電的保護作用越來越強大，整個電力系統的運行也日趨完善。隨著高壓直流輸電技術的發展，對電力系統的控制功能可以集中在數字化平臺上，進而實現系統的參數控制和遠程控制，系統中的冗雜功能得到了整合，操作流程得到了簡化。隨著電力系統中使用的電子元件數量的減少，維修檢查工作量將極大地減少，高壓直流輸電的運行將會更加順暢，從而提高有源電能濾波供應的質量[3]?？刂朴性措娔転V波的電子裝置可以利用可控的有源電力使電子裝置在運行中產生適應電力系統運行的脈動電流，能夠取代部分無源電能濾波，從而減少大型電力輸送設備的使用，簡化電網架構。

3.3 柔性交流輸電技術

柔性交流輸電技術與遠程控制輸電技術、自動化輸電技術是未來輸電系統發展的三大重要支撐技術。其中，在柔性交流輸電技術中，可以利用先進的大功率交流電力專用電子技術對我國傳統的交流電力控制系統進行改革，通過控制交流電力系統的交流電壓、相位、夾角、功率，同時加入新的信息技術，可以使電力系統實現自動調節，從而大幅度提高我國輸電網絡的交流供電能力，使我國輸電網絡運行更加穩定。傳統的自動調節控制系統使用的電力電子元件與裝置都只能實現對部分穩態電力的自動調節，而不能在電力輸送頻率改變的動態環境下有效控制電力系統，在部分電力系統中還出現了控制響應過慢的問題。使用柔性交流輸電技術，可以縮短控制開關的動作切換時長，使電力系統更快地響應控制指令，在電力運行過程中能夠適應快速連續調節電力運行的要求，極大地提高我國電網的電力輸送效率和電網運行安全性。應用柔性交流輸電技術解決交流輸電控制中的控制誤差問題后，能為更多的供電場景輸送電力，提升電網的交流輸電能力和供電質量。

4 電力電子技術在電力系統中的具體應用

4.1 在發電環節的應用

我國當前的發展策略是提高資源與能源的利用率，電力作為各行各業的重要資源，如何推進能源建設可持續發展成為重要問題。在我國社會發展中，發電是保證能源供給的重要舉措。在建設電網體系的過程中，需要不斷加入信息技術和智能化建設手段，在發電環節使用電力電子技術也就顯得至關重要。智能電力裝置的應用和微電子技術的研發能夠使清潔能源在更多行業中得到推廣，電力資源的綜合利用效率也能得到顯著提高。電力電子技術與通信技術和信息化技術的結合能夠減少大型電力設備的使用，減少在供電過程中的冗雜輸電流程，還能夠降低電力輸送過程中的損耗率，對電力行業的發展有重要意義。

電力系統專用電子技術是電力電子技術與其他電力輸送技術結合產生的交流穩壓輸電控制技術，為了優化輸電流程，電力系統中各項運行參數的控制需要通過遠程操作來實現[4]。以風力發電為例，風能是可再生能源和天然能源，利用風能結合微電子技術，能夠促進動力電機與動力電網的結合，能夠解決電力裝置的充放電利用問題，對提升整個電網的運行效率有顯著作用，同時能夠維持發電環節電力系統的穩定運行狀態。

4.2 在電力系統節能中的應用

電力系統節能控制是我國電網發展的主要問題，我國是能源消耗大國，各行各業的能源使用量都非常大，電力能源的消耗對電網的運行會造成很大負擔[5]。例如，在電力系統中，直流變壓器和異步變壓電動機屬于重要設備，在不同的電力傳輸過程中有不同的運行狀態。兩種設備都會消耗有功輸出功率和無功功率，這樣才能維持整個電力系統的做功平衡，維持電力系統關聯設備和相關裝置的正?？刂茽顟B[6]。

近些年，我國電力系統中的高功率、大損耗用電設備越來越多，動力電機系統的運行負荷隨之增加，電力電子技術在電力節能方面的應用得到了電力公司的重視，應用電力電子技術解決電力系統節能問題成為主流[7]。利用電力電子技術中的現代信息技術和微電子技術能夠實現不同電力設備的自動控制運行，自動變速箱在運行過程中也能進行有效的自動調節，優化輸送電力的頻率，降低無功損耗，旨在達到電力系統運行的節能目的。

4.3 在負荷側的應用

在電力系統的運行中，在負荷側也廣泛使用了電力電子技術，近些年大熱的變頻空調就是電力電子技術在負荷側的應用表現。相比于傳統的工頻空調，變頻空調的能耗更低，能夠節省電力，同時兼具功率小、使用壽命長和噪聲小的優點。變頻器與空調產品的結合屬于電力電子技術在人們日常生活中的使用，而變頻器更多地用于工業生產。例如，電廠的泵與風機可以通過變頻器進行電力調節，在啟動時能夠減少啟動時產生的啟動電流，保護機械設備，也能降低啟動瞬間電流對機械設備元件產生的沖擊，有助于延長設備使用壽命，使設備穩定運行。

5 結束語

當前，我國在電力電子技術的應用上已經取得了不少卓越成就，電力電子技術與現代信息技術的結合能夠為供電系統運行帶來更多便利。利用電力電子技術提高電能質量，保障電網運行安全已經成為電力行業的重要運行手段，電力行業技術人員應加大對電力電子器件的研發力度，以促進電力行業的可持續發展。