电力电子在电力系统中的应用

左柳成

摘 要：随着电力资源需求量不断的增加， 电力系统压力日益突出， 而电力电子装置应用在电力系统中， 可以极大的缓解电力系统压力。文章将从电力电子应用角度出发， 对其在电力系统中的发电环节、输电环节、配电环节、用电环节进行详细的介绍。最后阐述了电力电子装置在电力系统应用中亟待解决的难题。

关键词：电力电子;电力系统;应用

1 发电系统中电力电子技术的应用

在电力系统运行中， 发电系统是比较关键的一个环节， 其同样也需要重点借助于电力电子技术进行不断创新优化， 改善发电性能， 提升发电效率。      （1）发电机组励磁。大型发电机组应用静止励磁技术，与励磁机相比，具有调节速度快、控制简单的特点，显著提高了发电厂的运行性能和效率。水力发电机组应用交流励磁技术，通过对励磁电流频率的动态调整，实现了发电系统对水头压力和水流量动态变化的快速调节，改善了发电品质，提升了发电效率。（2）风力发电。变流器是风力发电中不可或缺的核心环节。风电变流器通过整流器和逆变器将不稳定的风能变换为电压、频率和相位符合并网要求的电能。随着变流器拓扑结构由两电平、三电平向H桥级联型、有源中点钳位、模块化多电平换流器（MMC）等多电平拓扑方向发展，使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高，有效降低了线路损耗和传输导线成本，促进了风电特别是海上风电的大规模开发。目前国际上新的并网运行规则要求，在风力发电系统接入电网时，发电系统需具备有功功率控制、无功功率调节、并网频率变化、故障穿越和低电压穿越能力[1-2]。（3）光伏电站。大型光伏电站由光伏阵列组件、汇流器、逆变器组、滤波器和升压变压器构成，是大规模集中利用太阳能的有效方式。通过给并联逆变器施加“电网友好”的控制方案，光伏电站可以实现无功补偿、有源滤波和动态电压补偿等功能。目前，大型光伏发电系统正处于从示范到大范围推广应用的关键阶段，还存在光伏阵列组合的多峰值特性和热斑效应、逆变器组合的非理想特性等技术问题，因此，光伏电站的科学设计需要综合考虑光伏阵列的组合方式、逆变器的组合方式及其并网拓扑等因素[1-2]。

2 输电系统中电力电子技术的应用

对于电力系统中的输电过程采用电力电子技术进行创新改进同样也是比较重要的一个方面， 其中柔性交流输电技术的应用就表现出了较强的代表性。借助于电力电子技术实现对于输电环节的有效控制， 更好提升电力系统的输电稳定性。结合这种柔性交流输电技术的有效应用， 其能够在实际运行中具备较强的稳定性， 能够有效降低输电损耗， 实现输送效率的明显提升[1]。

FACTS技术，上世纪80年代， 柔性交流输电诞生并迅速在全球发展普及[3]。该技术是现代科技不断的发展背景下， 电力电子技术与控制基础的创新性结合成果， 可连续调控电力系统电压、相位角、功率、参数等内容， 促使输电能力的有效提升， 电力系统运行更为可靠稳定， 输电过程的损耗有效减少。在以往的电流调节中， 移相器、串联补偿装置、开关投切电容、电感等，仅能进行稳定电流调节， 且传统机械开关需经过一段反应时间， 不符合当前的电力系统中的柔性调节电力的要求。而柔性交流输电技术的应用， 适应了阻尼系统振动及对柔性连续电流的调节， 不仅精准高效， 更可对电力系统中的电压、功率、电流、阻抗、短路等多种变量进行有效控制， 保障了电网的有序运行。

FACTS  技术及其控制器是随着电力电子技术及其功率器件的发展而发展的。由于输电网高压、大功率的特性，FACTS  技术主要采用晶闸管、GTO、IGBT  等器件，随着 IGCT 器件的发展，可以用IGCT器件代替GTO器件实现新型的电压源变流器，不仅实现更高的耐压，而且可以切换 4～5 kA的电流。由于硅器件自身物理限制，在更高电压等级或者功率等级的 FACTS 控制器的应用，仍然受到制约。碳化硅功率器件固有的高耐压特性，随着其器件水平的不断发展，在 FACTS 技术中必然越来越受到重视。

轻型直流输电技术是在高压直流输电的基础上发展起来的一项新技术，其特点是直流输电两端变流器采用可关断器件构成电压源逆变器，不存在换相失败、受端系统必须提供无功容量的问题，而且可以省去换流变压器，简化换流站结构。受制于可关断硅器件水平的制约，其输电容量通常较小。图1是轻型直流输电中由IGBT构成的电压源型换流器，利用脉宽调制（pulse  width  modulation，PWM）技术进行无源逆变，不但可以向无交流电源的负荷点送电，在特殊情况下也可以提供无功功率。基于 VSC 的轻型直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域具有独特的优势。

随着碳化硅 MOSFET/IGBT 等器件性能、电压等级和功率等级的提高，碳化硅电力电子器件在轻型直流输电系统中的应用，有望进一步提高其输电容量及适用电压等级，为轻型直流输电的应用拓展带来新的机遇。

静止无功补偿器 （SVC） 被应用在电力系统的输电线路与负荷补偿。在较大功率的电力输送网络中， 其主要用作对电压的控制， 以提升系统的安全与稳定性等。SVC在设计之初便没有旋转组件， 同时也不需要较大容量的电容器， 无功功率则是利用电感器来获取， SVC对电抗器采取及时的控制， 可以使无功功率的发出与吸收的转变更加平滑。且就SVC的无功功率输出到无功功率吸收的转变过程而言， 其主要依靠對电抗器实施高效率调控来实现， 因此， 较常应用于中高压输电线路中的无功补偿环节中[4]。

3 配电系统中电力电子技术的应用

在供电方面， 需要解决的问题是如何提高供电的安全性， 并且保持一定的供电质量， 以满足用户的需要。将电力系统的降压配电站， 也就是高压配电变电站的出口到用户配电的入口的这一段系统， 是电力系统的配电系统。是电力系统的配电系统。是有配电设备中的电子控件和配电设施组成变电站， 变换电压后像用户分配电力的网络系统。从电力的电压和频率等方面入手， 消除一些电力的弊端问题， 在供电的过程中， 消除一些电力的干扰因素。用户配电技术， 在电力电子技术与现代的控制技术相结合的条件下， 提高供电的质量， 满足用户电力的需求。

在电力系统配电环节中， 电力电子技术的应用更是可以表现出较强的作用价值， 比如有源滤波器的应用就是比较有代表性的一种。有源滤波器的应用可以较好实现对于动态抑制谐波以及补偿无功， 该类电力电子设备的应用对于解决传统电力系统配电方面的问题存在较强作用价值， 并且能够根据谐波的具体状况进行有效调整， 达到更为理想的无功补偿效果[6]。有源滤波器在实际应用中需要采用电源供电， 如此也就能够结合自身相关程序设定进行有效动态补偿， 相对于传统的固定补偿模式， 该类设备的应用价值较为突出。

随着现代电网的不断发展， 传统的基于电磁感应原理的交流变压器由于功能单一， 难以满足新一代電网的高可控性和灵活性的需求， 而电力电子变压器的出现能够很好地解决这一问题， 受到了广泛的关注。电力电子变压器亦被称为固态变压器 （solid-state transformer， SST） 或智能变压器 （smart transformer， ST） ， 通过先进电力电子技术，能够同时实现电压变换、无功补偿、电气隔离等功能。随着能源互联网概念的提出和发展， 仅实现电压变换等功能已经不能满足人们对于电力电子变压器的要求。在主动配电系统与微电网应用背景下， 单输入输出的电力电子变压器进一步发展为具备多个交、直流端口的电能路由器， 可以根据需求实现电能路由的功能， 更有利于分布式电源与储能单元等的灵活协调运行。

我国的配电系统中， 有高中低压三种配电系统， 220KV以上的电压是输变电系统， 配电系统的终端是用户用电入口[5]。对于配电系统的安全性和可靠性是需要考虑的。在配电系统中最重要的是变压器的选择和使用。对于。对于变压器的安全是日常的管理重点， 要灵活应对变压器的异常问题， 对常见的故障问题进行思考总结， 以便以后的维修。中国的配电系统存在许多问题， 例如电网容量和用电负荷不符合， 供电电压的不合理， 以及配电设备的落后， 这都需要从配电系统的电子控件上解决。

参考文献：

[1]张宾，张阵.探究电力电子技术在电力系统应用的发展趋势[J].电子测试，2018（24）：117-118.

[2]李娜.电力电子技术在电力系统应用的发展趋势[J].电子技术与软件工程，2018（04）：228.

[3]杜秀丽，黄琦，张昌华，井实，周迪.基于微电网的并网逆变技术研究综述[J].浙江电力，2009，28（04）：17-21.

[4]孙广星，苟锐锋，孙伟.基于MMC结构的电力电子变压器拓扑结构及控制策略研究[J].高压电器，2016，52（01）：142-147+153.

[5]鲁宗相，王彩霞，闵勇，周双喜，吕金祥，王云波.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007（19）：100-107.

[6]姜建国，乔树通，郜登科.电力电子装置在电力系统中的应用[J].电力系统自动化，2014，38（03）：2-6+18