电力电子技术在电力系统中的应用研究

陈映芳

摘 要：电力电子技术是一门新兴的电子技术，主要应用于电源设计、电机传动、汽车工业、绿色照明、电力系统等领域。随着我国科学技术水平的不断提升，电力电子技术得到长足的进步和发展，在我国电力系统领域发挥着越来越重要的作用。文章阐述了电力电子技术和电力系统的基本内容和概念，探讨了电力电子技术在电力系统中的具体应用，希望对促进我国电力系统的高质量发展带来益处。

关键词：电力电子 电力系统 技术应用

1 引言

电力电子技术经历了半个世纪的发展历程，目前已在众多领域得到广泛地运用，诸如民用产品、传统产业设备以及新能源开发等行业。它将现代控制技术、功率半导体器件、计算机技术和电路技术作为支撑依据，已经在国民经济中发挥出不可替代的重要作用，其直接影响着未来输电系统的性能。电力系统是电力电子技术得以充分应用的一个重要领域，其核心是利用各类电子器件实现电能的变换和控制。因此，探讨电力电子技术在电力系统中的应用具有重要的现实意义。

2 电力电子技术简介

电力电子技术，又称为电力电子学，是一门研究电力系统的现代应用工程学科，是电气工程领域中的一个主要分支。这门学科的研究为电能系统提供了解决方案，可以最大限度地提高电力系统的效率、可靠性和经济性。

电力电子技术首先源于20世纪50年代美国新发明的半导体器件，并迅速发展成为一个完整的学科。这门学科融合了电气工程中的机电系统、信息工程中的控制系统、电子工程中的半导体器件和电力系统中的电力技术。它为电力系统提供了可靠的解决方案，使得电力传输及分配效率极大地提高。目前，电力电子技术的应用呈现出智能化、数字化和高效率的特征[1]。

3 电力系统概述

电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。电力系统由发电机组、输电系统、配电系统、用电负荷、监控与控制系统五大部分组成。

3.1 发电机组

发电机组是电力系统的核心部分，它将机械能转化为电能，为电力系统提供电源。发电机组的性能直接影响电力系统的质量和稳定性。

3.2 输电系统

输电系统是将发电机组产生的电能输送到各个用电负荷点的系统，包括输电线路、变电所、变压器等设备。输电系统的稳定运行直接影响电能的输送和质量。

3.3 配电系统

配电系统是将输电系统输送的高压电能转化为低压电能，向用户提供电能的系统，包括配电变压器、配电开关设备等。配电系统的安全可靠性直接关系到用户的用电质量和安全。

3.4 用电负荷

用电负荷是电力系统的最终目的地，包括工业、商业、居民等各种用电负荷，用电负荷的特性和变化直接影响电力系统的负荷特性和负荷平衡。

3.5 监控与控制系统

监控与控制系统是电力系统的智能控制中枢，包括自动化控制系统、监测系统、保护系统等，它们能够实时监测电力系统的运行状态，进行数据分析和处理，为电力系统的安全稳定运行提供保障。

4 电力电子技术在电力系统中的应用

电力电子技术在电力系统中的应用可以改善电力系统的可靠性、经济性和环境友好性。基于电力电子技术构建的电力电子系统由电力系统、电气设备及能源转换系统等组成，通过电力电子设备对电能进行高效、灵活的转换及控制，从而实现电力系统的优化运行及电气设备的高效利用[2]。电力电子技术的应用范围涉及到电力系统的变流技术、直流输电技术、柔性输电技术、电能质量控制技术、电力控制技术和智能电网技术等。这些技术在电力系統中起到了至关重要的作用，它们可以更好地适应各种复杂的电力系统，提高电力系统的质量、效率和稳定性。

4.1 变流技术

在我们的生产和生活中，有些地方需要使用高压电，减少电能的损耗，如输电、动车组牵引；有些地方需要使用低压电，这样对用户更安全；有些地方需要用直流电，有些地方需要用交流电。为了实现不同电能之间的转换，我们就需要用到各种变流技术。

变流技术是电力电子技术中的一个重要分支，它是通过将交流电转换为直流电或直流电转换为交流电，从而实现电力的控制和变换。基本的变流原理可以概括为利用电力电子器件对电路的导通和关断进行精确控制，以实现电压、电流和功率的转换[3]。变流技术在电力系统中的应用非常广泛，可以应用于发电机的输出电压控制、直流输电、交流输电、电动汽车充电桩和逆变器等领域。它可以使电力系统更加高效、可靠和性能更加稳定。下面是几种常用的变流设备。

4.1.1 变压器

变压器一般是指将交流电升压或者降压的装置，交流电通过线圈会产生交变磁场，交变磁场又会在另一个线圈中产生感应电流。

输入侧的线圈称为变压器的一次侧，输出侧的线圈称为变压器的二次侧。在不计电能和磁能损耗的情况下，两侧的电压比等于线圈的匝数比，而电流则与电压成反比。若二次侧的匝数大于一次侧，则为升压变压器；反之，则为降压变压器。

为了减少能耗，线圈通常使用导电性比较好的铜，用导磁性较好的铁或铁的氧化物做磁芯，为了减小在磁场磁芯中产生的涡流，磁芯可以用相互绝缘的铁片拼接而成。在相同状况下，三相变压器比单相变压器节约材料。

4.1.2 整流器

整流器是一种电气设备，可将周期性反转方向的交流电转换为仅沿一个方向流动的直流电。这个过程被称为整流，因为它拉直了电流的方向。在物理上，整流器有多种形式，包括真空管二极管、湿化学电池、汞弧阀、铜和硒氧化物板组、半导体二极管、可控硅整流器和其他硅基半导体开关。 历史上，甚至使用了同步机电开关和电动发电机组。早期的无线电接收器，称为晶体收音机，使用猫须状细线压在方铅矿（硫化铅）晶体上作为点接触整流器或晶体检测器。

整流器有很多用途，但经常被发现用作直流电源和高压直流输电系统的组件。除了产生用作电源的直流电之外，整流还可以起到其他作用。如前所述，整流器可以用作无线电信号的检测器。在燃气加热系统中，火焰整流用于检测火焰的存在。

4.1.3 逆变器

逆变器技术是将直流电转换为交流电的一种技术，它可以将直流电转换为纯正的交流电，从而实现电力的控制和变换。逆变器技术不仅可以通过电池实现电力存储，还可以应用于太阳能电池板、风力发电机等，从而实现可再生能源的利用。

随着电力需求的不断增长，可靠、高效、节能的电力转换技术变得越来越重要。逆变器技术作为一种关键的电力转换设备，已经成为家庭和商业领域中不可或缺的一部分。根据不同的应用场景和性能特点，逆变器分为多种类型。以下是常见的几种类型。

*集中式逆变器：适用于大型光伏电站和风力发电站，具有高功率密度、高效率、高可靠性等特点。但是，集中式逆变器的成本较高，需要专业的维护和管理。

*组串式逆变器：适用于分布式光伏发电系统和小型风力发电站，可以串联多个光伏电池板或风力发电机组。组串式逆变器具有高可靠性、低成本、易于维护和管理等优点。

*并网式逆变器：适用于将直流电转换为市电或工频交流电，具有高效率、低成本、易于维护和管理等优点。并网式逆变器可以与电网并联运行，也可以在电网故障时作为备用电源使用。

*离网式逆变器：适用于独立的电力需求，如偏远地区、野外工作等。离网式逆变器具有独立运行、高可靠性、低成本等优点。

4.2 直流輸电技术

直流输电，将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网的一种输电方式。直流输电技术是近年来出现的一种新的技术，它可以将电力以直流的形式输送到长距离的地方。直流输电技术可以使电力传输更加高效、节能、可靠和安全，是电力系统中不可或缺的一部分。

高压直流输电技术作为现代电力系统中的重要组成部分，在能源传输和电力供应方面发挥着重要作用。它通过采用直流电传输，具有较低的电阻损耗和电感损耗，能够提高电力传输效率，并有效地降低能源损耗。

高压直流输电技术具有较强的稳定性和控制能力。由于直流电的特性，高压直流输电系统对电压和频率的变化相对不敏感，能够在较长的距离上稳定地传输电能。此外，高压直流输电系统采用先进的控制技术，能够实现对电流、电压和功率的精确控制，以满足电力系统的需求，并具备灵活调度能力。

高压直流输电技术还具备较小的电磁干扰和环境影响。相比于交流输电，高压直流输电系统的电磁辐射较低，对周围环境和设备的干扰相对较小。同时高压直流输电线路相对交流输电线路来说较为简洁，占地面积较小，对环境的破坏也相对较少，能够更好地适应城市化和环保要求。

4.3 柔性输电技术

柔性输电技术是综合了电力电子、电力系统、通信和控制等先进技术的一门交叉学科。柔性输电技术能够灵活和精准地调节电网潮流、电压等，应用柔性输电装置，可以对输电网按照设定的控制目标和策略进行。柔性输电技术包括柔性交流输电和柔性直流输电等技术。

柔性交流输电技术包括静止无功补偿器、可控串联补偿器、静止同步无功补偿器、静止同步串联补偿器、统一潮流控制器、动态电压恢复器、统一电能质量控制器等。这些技术通过在交流线路加入串联或者并联的电力电子装备，从而增强交流电网的运行稳定性，提升输电系统的输电能力，抑制系统振荡，提高输、配、用电的电能质量和效率。统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，简称UPFC）是柔性交流输电技术的典型代表。UPFC的功能主要包括：控制线路潮流，独立地控制线路有功与无功；提高系统的动态、暂态稳定性，提高输送能力；调节系统运行电压和无功平衡条件，提高系统的电压稳定性。

柔性直流输电是采用电压源换流技术的直流输电技术。在现有电网中使用柔性直流输电系统，相当于在电网中接入了一个阀门和电源，它不仅可以有效控制通过的电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活地发出或吸收一部分能量。柔性直流输电技术主要包括柔性直流输电、多端柔性直流输电和直流电网等，能够对相联的交流系统提供电压、电流、相角、无功等参数的调控功能，可以实现交流系统之间的非同步互联，以及对传输电能的快速灵活调节和全面控制，且输送距离和功率不受电力系统同步运行稳定性的限制。

4.4 电能质量控制技术

电能质量是指电能的电压、电流和频率等参数符合电力供应系统的规范要求。电能质量对于电力系统的正常运行和电器设备的可靠性有着重要影响。电力电子技术的普及应用能够有效促进电能质量的提升[4]。电力电子技术通过控制电力中的谐波、电压波动和电压暂降等问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。

电能质量控制技术研究能够产生巨大的经济和社会效益。它能够改善电力系统电能质量水平，减少电力系统内部因电能质量问题产生的损耗，保证电力系统运行可靠性，提高电力系统在电力市场中的竞争力；能够减少对精密电子设备的影响，使用户能够在最佳的供电条件下进行生产，保证产品质量，从而提高经济效益；能够促进与电能质量控制相关的电力电子新技术的发展。

4.5 电力控制技术

电力控制技术是指通过电力电子器件和控制系统对电力进行控制。电力控制技术广泛应用于电网自动化、电力调度和能量管理等领域。它可以通过对电网的监测和控制，实现电力的合理分配和优化利用，提高电力系统的安全性和经济性。电力控制技术有以下几种类型：

（1）开关控制技术：开关控制技术是最基本的电力控制技术之一。它通过控制电路中的开关元件（如继电器、开关等）的开闭状态来实现对电力的控制。开关控制技术广泛应用于各种电气设备和系统中，例如家用电器、工业自动化系统等。

（2）调速控制技术：调速控制技术用于控制电动机的转速。通过调整电机的电压、电流或频率等参数，可以实现对电动机转速的精确控制。调速控制技术在工业生产中广泛应用，例如机械传动系统、风力发电系统等。

（3）调光控制技术：调光控制技术用于控制照明设备的亮度。通过调整灯具的电压、电流或频率等参数，可以实现对照明亮度的调节。调光控制技术在建筑照明、舞台照明等领域中得到广泛应用。

（4）温度控制技术：温度控制技术用于控制温度设备的温度。通过控制加热或冷却设备的电力输入，可以实现对温度的精确控制。温度控制技术在冷冻设备、恒温设备等领域中得到广泛应用。

4.6 智能电网技術

智能电网技术是利用现代电力电子技术、软件技术、通信技术和自动化技术等，以构建一个智能化的电网为目标，实现电力的收集、传输、分配、使用等功能的一种技术。智能电网技术主要包括两个方面，即智能电能计量与集成治理系统和智能供能技术系统。前者主要负责电能计量、需求预测、协调管理等，后者主要负责电力的稳定输出、解决电力暂态稳定等问题。

智能电网的最终目标是建设成为覆盖电力系统整个生产过程，包括发电、输电、变电、配电、用电及调度等多个环节的全景实时系统[5]。智能电网的实现需要借鉴现代化信息技术、通信技术、电力电子技术等无数技术手段，以实现对电力系统的高效、可靠、可控和可调度。

5 总结

总之，电力电子技术已经成为电力系统中不可或缺的一部分，它可以更好地适应电力系统的庞大和复杂，提高电力系统的质量、效率和可靠性，同时还能更好地满足用户的需求，为电力行业的发展注入新的活力。

参考文献：

[1]骆巍.电力电子技术在绿色照明中的应用研究[J].光源与照明，2023（08）：216-218.

[2]李永宁，张弛，江茗宇.基于电力电子技术的电气设备故障诊断研究[J].黑龙江科学，2023，14（18）：137-139.

[3]崔晓.输配电系统中的电力电子变换技术分析[J].集成电路应用，2023，40（10）：190-191.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.084.

[4]史帅彬.配网电能质量控制技术探讨[J].通信电源技术，2018，35（03）：267-268.DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2018.03.111.

[5]耿宵慧.浅析智能电网技术在智能农场中的应用[J].南方农机，2023，54（22）：173-175.