变流技术在电力系统中的应用

陈宇宁

(邵阳学院 湖南 邵阳 422000)



变流技术在电力系统中的应用

陈宇宁

(邵阳学院 湖南 邵阳 422000)

电力电子技术，又称功率电子技术，服务于以电力半导体器件及“变频技术”为核心的电力电子行业，主要研究各种电力电子器件，以及这些电力电子器件所构成的各种各样能高效地完成对电能的变换和控制的电路或装置。可以说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

电力电子；变流技术；电力系统；应用

一、变流技术的概况

电力电子技术，又称功率电子技术，服务于以电力半导体器件及“变频技术”为核心的电力电子行业，是20世纪后期诞生和发展起来的一门崭新的技术，主要研究各种电力电子器件，以及这些电力电子器件所构成的各种各样能高效地完成对电能的变换和控制的电路或装置。作为一门新兴学科，电力电子技术是以电力为研究对象的电子技术，它利用各种电力电子器件和控制技术对电能(包括电压、电流、频率和波形等)控制和变换。

二、电力电子技术的应用

电力电子变流技术共有四大块，即整流电路(AC-DC)、逆变电路(DC-AC)、交流调压电路(AC-AC)、斩波电路(DC-DC)。它们在电力系统的各个环节起着举足轻重的作用尤其是自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下介绍四大电路在电力系统中的作用。

(一)整流电路(AC-DC)

整流电路是电力电子电路中出现在最早的一种，广泛用于电能的变换电路，其作用是将交流电变换成大小可以调节的直流电，为直流用电设备供电，如电炉的温度控制、直流电机的转速控制、同步发电机的励磁调节控制、电镀及电解电源控制等。用于大型发电机的静止励磁控制中，由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。用于输电环节，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

随着大功率全控性电力电子期间的诞生和发展，整流电路通过多相整流方式改变了输出电压的脉动频率，使得输出电压基本实现了无脉动。通过对控制角的调节和功率因数的补偿环节，使得输出电压最大可能的提供给负载，减少电能在转换过程中的能量损失。

(二)逆变电路(DC-AC)

电力系统中的逆变通常指的是无源逆变，即将直流电转换成负载所需要的不同频率和电压值的交流电，通常称为逆变器。主要用于蓄电池、干电池、太阳能电池、交流电动机调速、不间断电源、感应加热电源等。其核心部分都是逆变电路。逆变电路经常和变频的概念联系在一起。

1.水力发电的有效功率

取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速亦随之发生变化。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而变化。为了获得最大有效功率，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子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

2.太阳能发电控制系统

开发利用无穷尽的洁净新能源——太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以3～4kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以10～15kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂(7.2MW)等。

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%，风机水泵耗电量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，并有完整的系列产品，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开发。

三、电力电子技术在电力系统中的应用

(一)发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。传统的发电方式是火力发电、水利发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电能质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能的质量，这就血药电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。

(二)输电环节中的应用

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDCLight)技术。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。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。直流输电在长距离、大容量时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年来发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。

(三)配电环节中的应用

无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义。晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电系统，电力电子装置还可以用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量的控制，改善供电质量。在变电所，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。随着科学技术的进一步发展和人民生活水平的不断提高，电力电子技术已经走进了我们的生活，在家用电器的节能方面，电力电子技术有着不可取代的作用。

[1]王兆安.电力电子技术.第四版[M].北京：机械工业出版社，2008，11.

[2]黄家善.电力电子技术.第二版[M].北京：机械工业出版社，2009，2.

[3]李梅兰.电力系统分析.第三版[M].北京：中国电力出版社，2005，8

陈宇宁(1995-)，男，汉族，河北石家庄人，本科在读，邵阳学院，电气工程及其自动化。