電子裝置在電力系統中的應用研究

摘要：隨著電力系統信息化、智能化以及綜合化發展不斷推進，電子裝置應用也取得前所未有的發展，但在實際應用過程中，也存在很多技術問題。文章主要從介紹電子裝置的應用，站在電子裝備安全性以及標準化的角度，對其進行綜合研究，力求為推動相關領域的實踐發展做出有益的理論探索。

關鍵詞：電子裝置；電力系統；故障管理；電能存儲技術；微型電網 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2016）03-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.021

電力系統在社會經濟領域發展中有著極為重要的作用，承載著生產及生活能源的輸送、利用以及配給。隨著能源危機的不斷加劇，促使電力系統也由規模化發展轉向可持續化發展方向。隨著電力系統不斷轉型，儲能裝置以及分布式電源開始不斷普及，主電網與微電網、地方電網之間的配合更加高效；電子裝置逐漸進入網絡，電能配用的無功和諧波治理得到有效加強。隨著大功率電子元器件的不斷應用，電子裝置必將拓展越來越大的舞臺。

1 電子裝置在電力系統中的應用范圍

1.1 發電及相關領域

從實踐領域來看，電子裝置在電力系統發電領域中應用較為廣泛：一是風力發電機組。在該機組中，變流器是極為重要的核心設備，通過逆變器以及整流器可以將風能轉化為穩定的電能。但隨著風力發電系統的逐步完善，通過有源中點鉗位以及三電平向H橋級聯型等多電平拓撲發展，能夠有效提升發電等級及容量。二是發電機組勵磁。主要應用于大型的發電機組，與傳統勵磁機相比，其靜止勵磁技術有操作簡單、調節速度快等特點，對于電廠的效率提升有著極為重要的意義，而水力發電一般通過勵磁技術對電流的頻率進行調整，能夠實現水流量及壓力的調節，改善發電效率及品質。三是光伏電站應用。大型光伏電站是集中利用太陽能的有效途徑，一般采取并聯逆變器方式加以控制，能夠提升有源濾波、無功補償以及動壓補償等基本功能。

1.2 電能存儲技術

為有效緩解高峰時電力系統負荷過重壓力，提高整個電網及電力設備的運行效率，有效防止電網故障的發生，滿足社會對于安全、高效、優質用電的要求，在儲能技術上，主要應用于以下三個方面：一是壓縮空氣儲能。當整個系統用電處于低谷時，可以使用余出的電量去驅動空氣壓縮機，并將形成的能量存儲起來，而當用電負荷處于飽和狀態時，可以將存儲的能量釋放，用于驅動發電。近年來，國內對于壓縮空氣存儲技術研究較多，通過變頻技術融合，能夠提高電網負荷的壓縮效率。二是可調速抽水蓄能。一般情況下，水力蓄能系統一般由下水庫、上水庫以及發電機組構成，主要是利用水的落差變化，將勢能轉化為電能。當前，在水能機組應用轉子繞組勵磁較多，采取電流或電壓型變換器進行勵磁調節，實現有功或者無功調整。三是電池儲能。該儲能方式一般由功率調節及電池系統構成，一般以鋰離子、全釩液以及鈉硫電池為主，主要目標是實現電池儲能模塊的均衡。為實現功率調節功能，將電壓型四象限變換器當作電網與電池的接口，以三相橋式模塊為變換器，實現并網及儲能功能。

1.3 微型電網

微型電網主要是由儲能裝置、分布式電源、電子負荷、功率變換器、監控保護裝置共同構成的配電系統，通過安裝功率變換器，能夠使外部與微型電網同步并網運行，確保能量平衡與局部優化。實踐證明，將分布式電源接入到電網中并網運行，能夠發揮微型電網的最大效能。在微電網運行中，通常使用多變換器處理儲能裝置與分布式電源互聯問題，另外使用增加變換器接口也可以解決該問題。在使用多變換器時，要確保各個控制器能夠保持獨立，以通信的方式協調各方面運行，因此存在信號延遲、成本高、安全性差等問題。從運行情況來看，多接口變換器運行一般可以分為緊急模式、生產模式、恢復模式。當處于生產模式時，系統可以獲取再生能源，在加強儲能管理的同時滿足負載需求。

1.4 輸電環節控制

電子裝置在輸電環節的控制與應用，一般有如下三種方式：一是分頻輸電。主要是利用低頻傳輸電能，能夠提高系統傳輸能力，減少線路電氣距離，達到抑制傳輸過程電壓波動的目的，主要用于風電和水電等再生能源領域。這些電機轉速較慢，適用于低頻發電以及傳輸，在應用過程中，可以通過變頻器連接工頻電網與輸電線路。二是直流輸電。一般包括柔性和常規兩種，其中柔性直流電可以分為無功功率及有功功率可控、可向無源負荷供電等優勢，因而可廣泛應用于城市、孤島、電網及可再生能源的接入。在直流輸電中，已經由三電平發展到多電平模塊。三是固態變壓器。該變壓裝置是電磁耦合及電力電子變換技術的融合產物，能夠推動電流或電壓頻率、相位以及形狀變換的設備，使輸電方式更加靈活及穩定。

1.5 電能質量調控

在電能質量控制上，也可以應用電子裝置去實現：一是無功補償。對于母線電壓穩定、負荷電壓不平衡以及功率振蕩等問題，都可以使用無功補償器去實現，鏈式靜止同步補償器具有響應速度快、占地面積小以及安全性高等優點。二是電壓暫降抑制。在電力系統運行過程中，電壓一旦發生降低現象，可能會導致設備損壞、生產中斷以及產品報廢等，而動態電壓恢復器能夠有效解決這一問題，能夠抑制不平衡電壓，確保正序、零序以及負壓電壓補償，可廣泛應用于無串聯變壓器以及提取能量等方案。三是諧波治理。主要分為主動和被動諧波治理，其中主動諧波治理使用脈寬調制以及多重化技術，達到降低變流裝置諧波的目的。

2 電力電子裝置應用中需要解決的難題

隨著市場經濟體系的不斷完善，對于電能的需求也在不斷增加。為了適應未來發展需求，應高度重視電子裝置在電力系統應用中需要解決的難題：一是在風電場直流多端輸電系統中，對電壓源型換流器研究有待深入；二是在多能源儲能系統中，對于變換器的設計、運行及控制方法的研究深度不夠；三是電子裝置數字控制器的標準仍然存在不夠統一和規范的現象；四是在可再生能源體系中，功率變流器的安全性與可靠性研究仍需深入。以上問題的解決，對于增強國家電網傳輸水平、提高安全指標以及增加可再生能源規模，都具有極為重要的現實意義。

3 電子裝置在電力系統中的應用研究

為增強電子裝置在電力系統應用的安全性、可靠性以及標準化，必須要進一步提升電子裝置的總體性能，確保故障運行管理、可靠性評估以及模塊標準化的研究有效實施，取得具有普適性意義的研究成果。

3.1 基于可靠性評估角度應用研究

電子裝置在電力系統中應用效能與其運行的故障率、無障運行時間以及使用率等因素有著直接的關系，在電子裝置設計運行過程中，進行可靠性評估有利于加強綜合性管理系數。其評估結果能夠確認技術指標是否規范，也能夠作為控制策略以及元器件可靠性評估的依據。另外，可靠性預測越精確，越能夠為系統的維護、運行以及管理提供指導。在具體可靠性評估中，可以通過系統或元件層面構建模型，對電解電容以及功率器件等元器件的故障率進行系統建模；對于復雜的系統而言，可以將其進行分解，采取多系統評估方式增強其可靠性。如果系統評估結果與可靠性要求有差距，必須對研究方法進行改進，并加強對整個裝置的容錯能力進行改造。

3.2 基于故障運行管理角度應用研究

系統可靠性隨著技術的提升會不斷增加，但運行故障是無可避免的，對于重要的場合，電子裝置往往會因設備故障造成傷害。對于那些允許離線的電子裝置，一般通過故障或者過熱管理等方式去降低故障率。一般情況下，功率器件產生故障的原因是溫度循環過程中流動較大或者溫度過高，因此必須要加強主動熱管理，以控制調節器材耗損，防止瞬態及穩態熱應力導致元器件損壞；對于故障的預測與診斷是電子裝置加強保護以及容錯運行的重要依據，一般以變換器端口或功率器件的電流電壓變化參數比較，進行故障識別；而故障預測主要是根據子系統或元件存在故障，推測它們的使用年限及生命周期，為采取措施及有效預測提供參考；故障發生時，電子裝置自身的容錯運行能力可以及時采取策略，將發生故障的部分加以隔離，防止整套裝置發生失效現象。

3.3 基于電子標準模塊角度應研究

從發展來看，隨著電子標準模塊技術（PEBB）的不斷發展，能夠將門極驅動電路、功率器件以及相關配套元件集成到同一個模塊當中，使其接口與功能達到標準化要求，而標準模塊的應用能夠有效降低設備體積、裝置成本以及實際損耗，最大限度節省建設成本。電子裝置依托PEBB構建具有普適性的應用設備，按照不同場合的不同需求，進行科學合理調配。電子裝置在電力系統中應用，為改善和保證其性能，必須要對保護方案進行系統升級和改造，按照層次化控制、集成化管理以及系統化升級的原則，不斷攻克模塊雜散電感、信號監測以及接口控制等難題。

4 結語

電子裝置的應用領域極為廣泛，主要體現在儲能、輸電以及發電等領域，通過改善電力系統的綜合指標，不斷促進電力可持續發展。在可靠性評估、故障管理以及電子模塊標準等關鍵技術上進行研究，以期取得更具實效性、穩定性和持續性的研究成果，實現電子裝置的安全、成本以及使用壽命的需求，為電力系統的可持續發展奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 李昕.電力電子裝置在電力系統中的應用[J].信息通信，2015，（6）.

[2] 韋林，廖慧昕，易干洪.電力電子技術在電力系統中的應用研究[J].數字技術與應用，2012，（10）.

[3] 王成山，高菲，李鵬，等.電力電子裝置典型模型的適應性分析[J].電力系統自動化，2012，（6）.

[4] 周平.電力電子裝置在電力系統中的應用研究[J].電子制作，2015，（3）.

[5] 喻翔.電力系統中電力電子裝置的應用研究[J].電子技術與軟件工程，2015，（10）.

[6] 于晶榮，曹一家，王一軍，等.SiC電力電子器件對電力系統的影響[J].微納電子技術，2012，（8）.

[7] 錢照明，張軍明，盛況.電力電子器件及其應用的現狀和發展[J].中國電機工程學報，2014，（29）.

[8] 姜建國，喬樹通，郜登科.電力電子裝置在電力系統中的應用[J].電力系統自動化，2014，（3）.

[9] 高學林.電力電子裝置在電力系統中的應用探析[J].電子世界，2014，（19）.

[10] 吳芳.電力系統試驗中的大功率電力電子裝置等效研究[J].電子制作，2014，（2）.

作者簡介：劉江，男，新疆烏魯木齊人，中國人民解放軍裝甲兵工程學院學生。

（責任編輯：陳 潔）