浅谈电力电子技术在电力系统中的应用

杨华

[摘 要]：电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴技术。随着科技的发展，电工电子技术已经在国民经济中发挥着巨大的作用。本文按照电力系统的发电、输电、配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

[关键词]：电力电子技术 电力系统 发电机

电力电子技术是以功率半导体器件、电路技术、现代控制技术和计算机技术为支撑的一个技术平台。目前在新能源开发、电能质量控制和民用产品等多个行业应用越来越广泛。大功率电力电子技术在电力系统应用中最成功的是直流输电。二十世纪八十年代以后，出现了柔性交流输电概念，于是电力电子技术在电力系统中的应用和研究引起了巨大关注。之后许多介绍和总结相关设备的基本原理和应用现状层出不穷，多种相关设备相继出现。以下是电力电子技术在电力系统各环节中运用的详细介绍。

一、发电环节

电力系统中的发电环节涉及到发电组的多种设备，改善这些设备的运行特性是电力电子技术参与应用的主要目的。

1、大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，其结构简单、可靠性高以及造价相对比较低，故在世界的各大电力系统被广泛采用。因为省去了励磁机这个中间惯性环节，所以使其具有了特有的快速性调节，这样就给先进的控制规律提供了发挥作用和产生良好效果提供了有利条件。

2、水力、风力发电机的变速恒频励磁

水力发电的有效功率是由水头压力和流量决定的。当水头变化幅度较大时，特别是抽水蓄能机组变化幅度较大时，最佳转速会随着水头的变化而变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速的变化而变化。要获得最大的有效功率，可让机组变速运行，调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。变频电源是此项应用的技术核心。

3、发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均值为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，不仅耗量大且运行效率低。要想达到节能的目的，在低压或高压变频器使用时采用风机水泵变频调速，从而减少电量的消耗。现在，低压变频器技术已经非常成熟，国内外的生产厂家也很多，只不过系列产品还不够完整。同时具备高压大容量变频器设计和生产的企业还是比较少，目前国内有很多院校和企业抓紧联合开发，以满足生产需求。

二、输电环节

电力电子器件在高压输电系统中的应用被称为“硅片引起的第二次革命”，电力网的稳定运行特性的到了大幅度的改善。

1、直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术

直流输电电容量大、稳定性好、控制调节非常灵活，但它对远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电优势独特。一九七零年世界上出现了第一项晶闸管换流器，它宣告着电力电子技术正式应用于直流输电。此后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2、柔性交流输电（FACTS）技术

二十世纪八十年代后期，FACTS技术的概念问世。FACTS技术是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可以灵活控制交流输电功率潮流，大大提高了电力系统的稳定性。二十世纪九十年代后，国外开始研究将FACTS技术用于实际电力系统工程当中，使其设备结构简单，控制方便，成本较低。

三、配电环节

加强供电可靠性和提高电能质量是配电系统迫切需要解决的问题。电能质量控制不仅要抑制各种瞬态的波动和干扰，还要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求。用户电力（Custom Power）技术或称为DFACTS技术，是在成熟的FACTS技术基础上发展起来的电能质量控制新技术，它是电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用。其实DFACTS设备就是FACTS设备的缩小版，因为其原理、结构、功能是很相似的。由于市场的需求较大，开发和生产成本较低，再加上电力电子器件价格日益降低，所以发展空间不断增大，可以预计DFACTS设备产品将迅速进入快速发展阶段。

四、节能环节

1、变负荷电动机调速运行

要想在节能环节有所成就，电动机本身节电是一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是一个方面，只有二者结合起来，电动机的节能才能达到良好的效果。目前，在国外多采用了变负荷的风机、水泵采用交流调速，我国也正在逐渐推广。风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量收到良好的效果，其特点是调速范围广，精度高，效率高，还可实现连续无级调速，在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，可以达到30% 的节电率。缺点是成本较高，产生高次谐波污染电网。

2、减少无功损耗，提高功率因数

在电气设备中，属于感性负载的变压器和交流异步电动机，在运行的过程中同时消耗有功功率和无功功率。保证电能质量无功电源与有功电源是一样的，所以在电力系统中必须要保持无功平衡，不然就会系统电压降低、设备遭到破坏，严重时还会造成大面积的停电事故。因此，当电力网或电气设备无功容量不足时，必须要增装无功补偿设备，才能提高设备功率因数。

综上所述，电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域，只有不断的加大已有研究成果的技术应用和运行投入，不断改善经济可行性，才能大幅度提高电力系统的稳定水平，产生巨大效益。

参考文献：

[1] 郑锦彪.浅谈电力电子技术在电力系统中的应用与研究[J].黑龙江科技信息，2007（5）.

[2] 王兆安，张明勋.电力电子设备设计也应用手册（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3] 陈贤明，许和平，戴军.电力电子技术在电力系统中的应用[J].水电厂自动化，1996（2）.