电力电子装置在电力系统中的应用

刘沐欣

摘要：电力系统在发展中要坚持可持续发展的原则，而电子电力装置的加入对电力系统的这一发展方向有着重要作用，同时也提升了电力系统的智能化发展。文章分析了电力电子装置在安全性能、故障处理性能、电子标准模块等方面的特点，论证了电力电子在电力系统各工作环节的应用效果，总结了电力电子装置对整个电力系统发展的作用。

关键词：电力电子装置；电力系统；可靠性；电力资源；电力故障 文献标识码：A

中图分类号：TM764 文章编号：1009-2374（2016）16-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.021

电力系统负责电力资源的分配、规划、输送、电力安全等工作，社会科技的发展对电力资源的需求逐渐增加，这需要电力系统在新时期不断做出科学的调整，配合社会需求。石油资源紧缺与自然环境的危机促使国家对电力系统提出坚持可持续发展的要求，需要电力系统做出智能化、可持续发展方向的调整。一套科学可靠的电力系统改革措施对现代电力事业的发展有着极为重要的作用。

1 电力系统发展状态

电力资源是社会资源中不可或缺的一部分，电力系统在社会发展中的作用是无可替代的。电力系统的出现是基于对电力资源合理的规划与分配，随着社会不断的发展，电力系统正在做着同步发展。社会可利用资源包括电力资源、水利资源、石油资源等，近年来石油资源出现紧缺、水资源紧张，环境也出现不断恶化的现象，要求电力资源在发展的过程中向环保、可持续方向发展。目前我国电力系统的发展转变主要是主干电网、微型电网及地方电网的协调发展形势，形成分布式电源与储能装置组合的结构，通过相对灵活的方式输送与分配电力资源，逐步向智能化靠拢，提升电力系统的安全可靠性，确保供电的安全。除稳定的发展外，同时积极地研究与外部电气设备的结合效果，其中效果较为显著的是对电力电子装置的研究，对于电力系统的发展有着极为重要的作用。

2 电力电子系统的研究分析

2.1 可靠性分析

对电力电子系统的可靠性研究直接影响到电力电子装置的开发、使用与管理。对于可靠性的研究结果，可直接用于装置设计时对技术合理性的判断，同时也可以用于不同拓扑结构、控制结构可靠性的标准指标。准确的可靠性测试评估也可以为系统的实施、维护与管理提供重要依据。电力电子装置的可靠性评定可以通过系统层面进行建模。系统层面可靠性模型主要分为累加模型、组合模型、状态模型。对复杂的系统进行分解，分为分支子系统，从子系统可靠性模型进行电力电子装置的可靠性分析。分析的结果直接决定了是否要对电力电子装置进行调整。

2.2 应对故障方向分析

无论科技多么发达，应对问题措施多么完全，电力运行中故障仍是不可避免的。在电力运行的重要位置中，一旦电力电子装置出现故障将会造成严重的经济损失。在运行的装置与可离线维修的装置可进行热管理，使故障发生频率得到降低。在子系统出现问题时，电力电子装置拥有容错运行性能，可改变调制策略或改变控制方向，将出现故障的位置隔离，避免整体装置承担风险。容错运行主要包括两个方向，即降级运行与准正常运行方式：降级运行是使用变换器的冗余性能，如装置中出现的问题在可容纳范围内，仍可以实现其主要功能。降级运行操作方式相对简单，对成本的要求也相对较低；准正常运行是将冗余性能增加了功率器件，使其装置在出现故障时仍能继续实现自身功能。

2.3 硬件回路仿真分析

电力电子装置在设计中需要涉及到硬件、软件及测试等多个步骤。电力电子装置系统的半实物仿真指的是，硬件在回路仿真技术可提升系统的设计与有效性验证速度，可仿照不同运行工况，实现故障模拟与随时取得任意信号。与电力系统中半实物仿真的区别是，电力电子仿真中必须能在超低延迟计算中才可以确切地模拟硬件动态。而FPGA技术具有超低延迟计算的优势，极大地提升了模拟计算的速度，目前已经成为电力电子系统半实物仿真过程的最佳选择。FPGA技术的有效实施主要受制于电力电子系统的模型。现在发展的仿真过程中，功率元件使用的是理想开关模型与开关函数模型两种方式。功率器件模型作为其基础，搭建变化器系统的离散式模型。由于变化器系统的非线性特征与开关特征，离散化方程的计算方式需符合变换器非线性与功率器件的需求。

2.4 标准模块整合分析

电力电子标准模块的意义是将功率器件、门极驱动电路、可编程处理器与其相关元件集中至同一模块中，使该模块同时兼具预定功能与标准软硬件接口。电力电子标准模块在一定程度上缩小了电力电子装置的成本、损耗与体积。现阶段标准模块集成的主要方式包括硅片集成、封装集成与三维集成三种。硅片集成与封装集成不适合过大电流的场合的高功率变换器使用。三维集成方式可提升模块空间利用率与变换器的功率密度。

3 电力电子在电力系统中的应用状态

3.1 在发电工作中的应用

电力电子在电力系统发电环节中的应用主要体现在三个方面：（1）发电机组励磁：大型的发电机组多使用静置励磁技术，此技术相对调节速度快、操控方便。水利发电机组常使用交流励磁技术，将励磁电流频率进行动态调整，使发电系统加快对水头压力及水量的调整，整体提高了发电质量；（2）风力发电：风力发电的主要步骤是变流器的工作。风力变流器使用整流器设备使不受控制的风能转化成电压与可使用电能。后期变流器的不断发展使其性能极大提升，提高了风力发电系统的电容量与电压等级；（3）光伏电站：光伏电站是将太阳能集中处理的结构，现阶段大型光伏发电系统处于发展推广的阶段，存在光伏阵列组合的热斑效应与逆变器组合的特征未理想化等问题，证明光伏发电的建设需要充分考虑光伏阵列的组合方式与逆变器的组合方式因素。

3.2 在电能存储工作中的应用

电能存储的技术在电力系统应用中起到调整高峰负荷供电作用，提升了现阶段电力设备的使用率和电网的使用效率，同时可科学地面对电力故障问题，从根本上提高了电力的质量与用电效率。储能方式中相对高效的是如下三种：（1）调速抽水储能，在抽水储能电站工作过程中，上下水库的差距逐渐产生变化，导致抽水储能电站的工作在不断的变速下才可以达到最佳效果；（2）其使用的原理是在电力系统用电低时，使剩余的电量推动空气压缩机，通过高压空气的方式将能量储存；（3）电池储能方式，电池通常是使用锂离子电池、钠硫电池与全钒液流电池。

3.3 在微型电网中的应用

微型电网是小型发电配电系统，由分布式电源、储能设备、变化器等装置组成。使用功率变换器进行调节，使微型电网与外界电网进行联网运行，达到局部功能平衡与局部能量优化。外界电网出现问题时，经由变换器解列，使微型电网进入到独立运行状态，使其继续向较为主要的位置输电，加强了用电安全性。通过实践经验得知，分布式电源以微型电网方式连接到外界电网进行同步运行，充分发挥了分布式电源的效果。使用微型电网过程中，分布式电源与储能装置的连接，使用多个变换器的方式进行或者使用一个多变接口的变换器进行。其中使用多个变换器过程中，不同的控制器处于独立位置，需进行通信方式调节工作进程，特点是成本高、通信市场不可控制。多变形式的变换器在使用过程中，可达到输入输出变换器，特点是提升可再生能源的利用率与完善能源管理。

3.4 在电力输送工作中的应用

在电力输送工作中的应用主要从三个方面来展现：（1）直流输电：直流输电主要分为常规式与柔性直流输电，常规形式使用晶闸管作用下的换流器，柔性直流输电使用全控器件作用下的换流器。二者相比较，柔性直流输电的优势是，有功功率与无功功率的独立操控、不需要无功补偿装置、可以向无电源负荷供电等；（2）分频输电：分频输电方式使用较低的频率进行输送电能，极大地降低了交流输电线路距离，增强了传输性能。在水利发电与风力发电系统中，相对适于使用低频进行电能的输送；（3）固态变换器：固态变换器的特点是，可以对电压的幅值、频率、相数与形状等特点进行交换，属于新型变压器。固态变压器拥有其潮流控制、调整电能质量等功效，有效地提升了电力系统输电的安全性与灵活性。

4 结语

电力资源对社会的发展有着不可忽视的作用，电力系统作为电能资源的主要战场，有其不可推卸的责任，所以电力系统在不断发展中要做出科学合理的调整，以满足于社会发展下的需求。电力电子装置应用到电力系统的发电、存储电能、微型电网等方面，有效地改善了电力系统的性能，推动了电力系统改革的进程。通过全文内容所提出的电力电子的可靠性、故障反应性能、硬件在回路仿真等性能，可以在这些方向进行长久的发展与不断的开发，将促使电力电子装置延长使用寿命与降低成本、高效使用等方面的发展。将电力电子系统应用到电力系统中，是一次大胆的尝试，同时也是一次具有科学性的尝试，为电力系统的高效发展提供了强有力的理论支持。

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