電力電子裝置在電力系統中的應用探析

高學林

【摘要】電力電子裝置是電力系統走向智能化的一項重要設備。為了實現電網運行的可靠性，關鍵需要提高高壓交流輸電系統的輸電能力。電力電子裝置運用直流輸電技術，改善了電力系統的可控性能。為了進一步提高電力電子裝置的安全性和經濟型，本文對電力電子裝置在電力系統的發電、存儲、輸電等方面所發揮的作用進行詳細的研究。

【關鍵詞】電力電子裝置;電力系統;應用分析

隨著電網系統的不斷發展和自動化技術的廣泛應用，電子控制設備的規模越來越大，對電力電子換流技術的研究也進一步加強。

為了能夠實現電網互聯的規模的進一步擴大，實現電力系統的可靠運行，電力電子裝置在電力系統中的應用研究成為一個重要問題，加強對電子設備抗干擾性的研究更是重中之重。

1.當前的電力系統簡介

電力系統在當今社會經濟中扮演著至關重要的角色，發揮著不可替代的作用，它是能源利用、輸送以及配給的主要載體。化石能源以及氣候環境的危機致使電力系統正由規模化的發展轉向可持續發展以及智能化發展的模式。當前電力系統轉型的特征主要表現在：主干電網、微型電網以及地方電網的配合，分布式電源和儲能裝置的大規模接入，靈活高效的輸電方式，配電以及用電的智能化，以及逐步提高的供電質量和可靠性。

在電力系統中，許多功能的實現都需要靠電力電子裝置來完成。比如說可再生能源的并網發電、無功和諧波的動態補償、儲能裝置的功率轉換、配用電能的雙向流動、交直流電網的柔性互聯等。

隨著科技的日益發展，大功率、高電壓電力電子器件的發展，變換器單元化、模塊化以及智能化水平的提高，控制機調制策略性能的提升，電力電子裝置在電力系統中的作用會越來越大。

2.電力電子裝置在發電環節的應用分析

2.1 發電機組勵磁

相比使用勵磁機，大型發電機組運用靜止勵磁技術，有著控制簡單、調節速度快的優點，在機組運行中大幅增加了發電廠的運行性能及效率。水力發電機組通過對勵磁電流頻率的動態調整，運用交流勵磁技術，達到了發電系統對水頭壓力與水流量動態變化進行快速調節的目的，發電效率得到增加，發電品質也更加完善。

2.2 風力發電

交流器是風力發電中必不可少的中心環節。經過整流器及逆變器，風電交流器把不太穩定的風能轉換為電壓、頻率及相位符合并網要求的電能。交流器拓撲結構由兩電平、三電平向多電平拓撲（有源中點鉗位、H橋級聯型、模塊化多電平換流器等）方向的發展，風力發電系統的電壓等級及容量也在進一步的提高，有效地降低了線路損耗及傳輸導線的成本，大幅推進了風電，尤其是海上風電的大規模開發。當前國際上新的并網規則要求在風力發電系統接入電網時，發電系統需要具備有功功率控制、并網頻率變化、無功功率調節、故障穿越以及低電壓穿越能力等。

2.3 光伏電站

大型光伏電站是大規模對太陽能進行集中利用的高效方法，其由光伏陣列組件、匯流器、濾波器、逆變器組以及升壓變壓器組成。光伏電站能夠通過給并聯逆變器采用“電網友好”的控制方案，實現有源濾波、動態電網補償以及無功補償等功能。當前，由于大型光伏電站尚面臨著多峰值特性及熱斑效應、逆變器組合的非理想特性等技術問題，并且大型光伏發電系統正處在從示范到大范圍推廣應用的關鍵階段，所以對光伏電站的科學設計還需要綜合考慮光伏陣列、逆變器的組合方式及其并網拓撲等因素。

3.電力電子裝置在電能存儲環節的應用分析

3.1 壓縮空氣儲能

近幾年對壓縮空氣儲能理論的研究逐漸興起，理論的進展推動了該系統的實踐發展。從理論上看，壓縮空氣儲能主要利用電力系統的用電電荷對儲氣空間的空氣進行控制。當電力系統進入用電高峰期時，富余電量能夠驅動空氣壓縮機，將能量轉化為高壓空氣儲存起來;當電壓的負荷進入高峰期時，再將儲氣空間中的高壓空氣釋放出來，進一步驅動發電機發電。實際運行中，壓縮空氣儲能能夠通過變頻驅動技術調整電網的負荷，從而適應儲能發電的需要，提高了空氣壓縮的效率。發電的過程中能夠通過控制發電機的勵磁拓寬發電的范圍，提高發電的效率。

3.2 可調速抽水儲能

抽水儲能需要借助于上下水庫的落差控制發電系統的工作。在進行抽水蓄能發電時，需要利用上下水庫的落差和變速實現最佳發電狀態。可調速抽水儲能則主要利用了轉子組勵磁方式，采用基于晶閘管的周波變換器或者基于全控期間的電壓型、電流型變化其進行電壓電流的控制。抽水蓄能主要利用不同轉子勵磁電流的頻率和幅值進行有功出力和無功出力的獨立調節，實現機組啟動和運行模式的切換，促使電力系統進行調峰填谷、調頻、調相等工作的開展。

3.3 電池儲能

電池儲能主要采用鋰離子電池、鈉離子電池和全釩液流電池等電池，通過小功率的DC/DC變換器進行電池模塊的電流均衡調節。大功率的DC/DC變換器集成到電池模塊內，通過電池模塊輸出接口實現串并聯，實現直流母線電壓等級的提高和功率調節系統拓撲的優化。

4.電力電子裝置在輸電環節的應用分析

4.1 分頻輸電

在當前水能發電、風能發電等發電機轉速較低的發電系統中，較多的采用了分頻輸電的方式。分頻輸電主要利用較低的頻率傳輸電能，減少了交流輸電線路的電氣距離，提高了傳輸的效率，抑制了電壓波動。

4.2 直流輸電

直流輸電一般應用于可再生能源發電、城市供電和電網互聯等領域。直流發電包括常規的直流輸電和柔性直流輸電。常規直流輸電采用晶閘管換流器進行電流的轉換，柔性直流輸電采用了全控器件換流器進行電流轉換。柔性直流輸電能夠實現有功功率與無功功率的獨立調控，無需進行濾波，能夠實現無功補償和無源負荷供電等功能。

4.3 固態變壓器

固態變壓器能夠將電力電子轉換技術與電磁耦合電能變換技術結合起來，從而實現對電壓或電流的幅值、相位等特征進行調節。固態變壓器能夠實現潮流控制，電能質量調節，具有更好的穩定性，能夠實現靈活輸電，能夠更有效的控制電能傳輸。

5.結語

電力電子裝置的研究和開發有利于提高電力系統的可靠性和安全性，同時也能夠實現電力系統的自動化控制，促進了電力系統的智能化轉型。在電力電子裝置的研究中，除了應當對電力電子裝置的應用范圍和方式進行研究之外，還應當加強對電力電子裝置的可靠性、故障運行、回路仿真等關鍵技術進行研究，以促進電力系統的長遠發展。

參考文獻

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