电力电子技术在电力系统中的应用和发展研究
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作者: 杨立
【摘要】电力电子技术是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上的一门新型学科，是强电和弱点的桥梁，在电力系统中有着广泛的应用。在本文中，主要介绍了电力电子技术在电力系统中的应用，并依据它在应用中产生的负面影响提出了发展解决方案。
【关键词】电力电子；电力系统；应用；发展
【中图分类号】TM76 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01―0162-01
电力电子技术主要是用半导体电子器件进行功率变换、控制及开断电路的应用技术，主要包括电力电子变换技术和电力电子控制技术两个方向。其中电力电子变换技术主要是以电力电子变换电路作为基础，实现将电网的电能转换为负载需要的形式的基本功能，不论电路拓扑结构如何，其基本转换电路只有4种形式：
（I）整流电路AC-DC；
（2）斩波电路DC―DC；（3）逆变电路DC-AC：（4）交流变换电路ACAC。电力电子控制技术是以电力电子控制电路为基础，应用自动控制理论和计算机技术来提高系统的性能，一般的控制方式有：相控方式，频控方式，斩控方式，相频控制方式及斩频控制方式。先进的控制方式对改进变换电路的性能和效率是必不可少的关键技术之一。
一、电力电子技术在发电环节中的应用
发电环节中涉及到电力系统中及发电机组的多种设备，改善这些设备的运行特性主要就是采用电力电子技术手段。
1、大型发电机的静止励磁控制
晶闸管整流自并励方式被采用在静止励磁摔制上。它的优点是：结构简单、可靠性高、造价低。因而世界各大电力系统均采用静止励磁控制。这种方式可省去励磁机的中间惯性环节，可达到快速调节的效果，使其良好控制性为先进的控制规律提供了最有利条件。
2、水力、风力发电机的变速恒频励磁
水头压力和流量是决定水利发电的有效功率的两个主要因素，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速便随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的j次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效助率，可使机组变速运行。通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定千频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。
3、发电厂风机水泵的变频调速
发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电最约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合丹发。
二、电力电子技术在输电环节中的应用
1、电力电子器件应用于高压输电系统大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电
具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。高压直流输电通常采用可控整流和有源逆变的方式实现两个交流电网的互联。不仅可以实现电能大容量、远距离的传送、两区域电网非同步互联，还可通过控制实现功率的紧急援助、抑制低频振荡、提高交流系统的动态稳定性等。
2、柔性交流输电系统（FACTS）是综合利用现代电力电子技术、微电子技术、通讯技术和现代控制技术对电力系统的潮流和参数进行灵活快速调节控制，增加系统可控度与提高输电容量的交流输电系统。用于配电系统柔性交流输电技术为用户电力技术CPT。柔性交流输电技术是一种用于远距离输电的静态电力电子装置，核心是FACTS控制器。基于FACTS产品包括静止无功补偿品、静止调相机、统一潮流控制器、晶闸管可控串联补偿器、静止快速励磁器等。高压直流输电技术等用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷送电的问题。电力电子技术是FACTS和CPT同的技术基础。
三、电力电子技术在节能环节的运用
1、变负荷电动机调速运行
节电的一个方面就是挖掘电动机的节电潜能，另一个方面是通过变负荷电动机的调节技术节电，只有二者结合才能够达到最好的节电效果。我国目前的电动机节电技术已经比较完善，交流调速技术在冶金、采矿等方面的普及使得电动机节电效果更为显著。用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量，这种手段在风机、泵等复合机械中使用更能体现出其优越性。交流调速在国外的变负荷风机、水泵中以及得到广泛的应用，而我国在这一方面则相对滞后一些。
调速范围广，精度高，效率高是变频调速的主要特点，这使得无级调速能够实现，而且在调速过程中转子损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30%左右。当然，任何事物都有两面性，节能的同时，增加成本是不可避免的，另外调节过程中产生的产生高次谐波污染电网也不容忽视。
2、减少无功损耗，提高功率因数。
在电气设备中，感件负载包括变压器和交流异步电动机等，运行过程中这些设备在消耗有功功率的同时还会存在无功功率的消耗。因此，无功电源作为保证电能质量不可缺少的一部分，其作用与有功电源是一样的。无功平衡是电力系统运行中必须遵循的平衡原则，若是打破这个平衡，那么就意味着系统电压下降，设备破坏，功率因数下降，严重时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故，进而造成无法预计的损失。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。
四、电力电子技术在电力系统应用中所产生的负面影响及解决方案
1、电力电子技术在电力系统应用中产生的负面影响
21世纪科技的发展日新月异，电力电子技术的发展更是掀开了科技历史的新的一页。但是，随着电力电子装置的普及，一些负面的影响也逐渐浮出水面。这些负面影响中，谐波污染谐波产生的危害最受人们的关注，这主要是因为谐波的存在会降低电能产生和传输环节的效率，进而影响到电网上的用电设备，使它们不能够正常、有序的运行，进而影响人们的生产和生活。比如，谐波的存在会引起振动、产生噪声以及电机过热甚至烧毁等。谐波很容易使电网上无功补偿电容器和系统中的电抗器产生谐振，从而烧毁电容器及电抗器，谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使自动控制系统失效：同时谐波还会对通信系统产生干扰，严重的可以导致信息丢失、通讯设备中断等。
2、发展解决方案
目前，无源滤波器与有源滤波器是谐波抑制的两种主要的途径，用无源电力滤波器进行抑制谐波、补偿无功和提高电网的功率因数，但滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，还可能与系统发生串、并联谐振，导致谐波放大，使设备过载甚至烧毁，而且装置笨重，体积大，有效材料消耗多。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有更大的优势，有源电力滤波器不仅能补偿各次谐波，还可同时补偿无功功率、抑制闪变、调节和平衡三相不平衡电压。滤波特性不受系统阻抗和频率的影响，可消除与电网阻抗发生串、并联谐振的危险，且对外电路的谐振具有阻尼作用，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿。
参考文献
[1]崔振华，谈电力电子技术在电力系统中的应用[J]中国新技术新产品，2009（8）
[2]欧阳修明，电力电子技术在电力系统中的应用[J]城市建设理论研究（电子版）2011（29）
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