電力電子裝置在電力系統中的應用

劉沐欣

摘要：電力系統在發展中要堅持可持續發展的原則，而電子電力裝置的加入對電力系統的這一發展方向有著重要作用，同時也提升了電力系統的智能化發展。文章分析了電力電子裝置在安全性能、故障處理性能、電子標準模塊等方面的特點，論證了電力電子在電力系統各工作環節的應用效果，總結了電力電子裝置對整個電力系統發展的作用。

關鍵詞：電力電子裝置；電力系統；可靠性；電力資源；電力故障 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM764 文章編號：1009-2374（2016）16-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.021

電力系統負責電力資源的分配、規劃、輸送、電力安全等工作，社會科技的發展對電力資源的需求逐漸增加，這需要電力系統在新時期不斷做出科學的調整，配合社會需求。石油資源緊缺與自然環境的危機促使國家對電力系統提出堅持可持續發展的要求，需要電力系統做出智能化、可持續發展方向的調整。一套科學可靠的電力系統改革措施對現代電力事業的發展有著極為重要的作用。

1 電力系統發展狀態

電力資源是社會資源中不可或缺的一部分，電力系統在社會發展中的作用是無可替代的。電力系統的出現是基于對電力資源合理的規劃與分配，隨著社會不斷的發展，電力系統正在做著同步發展。社會可利用資源包括電力資源、水利資源、石油資源等，近年來石油資源出現緊缺、水資源緊張，環境也出現不斷惡化的現象，要求電力資源在發展的過程中向環保、可持續方向發展。目前我國電力系統的發展轉變主要是主干電網、微型電網及地方電網的協調發展形勢，形成分布式電源與儲能裝置組合的結構，通過相對靈活的方式輸送與分配電力資源，逐步向智能化靠攏，提升電力系統的安全可靠性，確保供電的安全。除穩定的發展外，同時積極地研究與外部電氣設備的結合效果，其中效果較為顯著的是對電力電子裝置的研究，對于電力系統的發展有著極為重要的作用。

2 電力電子系統的研究分析

2.1 可靠性分析

對電力電子系統的可靠性研究直接影響到電力電子裝置的開發、使用與管理。對于可靠性的研究結果，可直接用于裝置設計時對技術合理性的判斷，同時也可以用于不同拓撲結構、控制結構可靠性的標準指標。準確的可靠性測試評估也可以為系統的實施、維護與管理提供重要依據。電力電子裝置的可靠性評定可以通過系統層面進行建模。系統層面可靠性模型主要分為累加模型、組合模型、狀態模型。對復雜的系統進行分解，分為分支子系統，從子系統可靠性模型進行電力電子裝置的可靠性分析。分析的結果直接決定了是否要對電力電子裝置進行調整。

2.2 應對故障方向分析

無論科技多么發達，應對問題措施多么完全，電力運行中故障仍是不可避免的。在電力運行的重要位置中，一旦電力電子裝置出現故障將會造成嚴重的經濟損失。在運行的裝置與可離線維修的裝置可進行熱管理，使故障發生頻率得到降低。在子系統出現問題時，電力電子裝置擁有容錯運行性能，可改變調制策略或改變控制方向，將出現故障的位置隔離，避免整體裝置承擔風險。容錯運行主要包括兩個方向，即降級運行與準正常運行方式：降級運行是使用變換器的冗余性能，如裝置中出現的問題在可容納范圍內，仍可以實現其主要功能。降級運行操作方式相對簡單，對成本的要求也相對較低；準正常運行是將冗余性能增加了功率器件，使其裝置在出現故障時仍能繼續實現自身功能。

2.3 硬件回路仿真分析

電力電子裝置在設計中需要涉及到硬件、軟件及測試等多個步驟。電力電子裝置系統的半實物仿真指的是，硬件在回路仿真技術可提升系統的設計與有效性驗證速度，可仿照不同運行工況，實現故障模擬與隨時取得任意信號。與電力系統中半實物仿真的區別是，電力電子仿真中必須能在超低延遲計算中才可以確切地模擬硬件動態。而FPGA技術具有超低延遲計算的優勢，極大地提升了模擬計算的速度，目前已經成為電力電子系統半實物仿真過程的最佳選擇。FPGA技術的有效實施主要受制于電力電子系統的模型。現在發展的仿真過程中，功率元件使用的是理想開關模型與開關函數模型兩種方式。功率器件模型作為其基礎，搭建變化器系統的離散式模型。由于變化器系統的非線性特征與開關特征，離散化方程的計算方式需符合變換器非線性與功率器件的需求。

2.4 標準模塊整合分析

電力電子標準模塊的意義是將功率器件、門極驅動電路、可編程處理器與其相關元件集中至同一模塊中，使該模塊同時兼具預定功能與標準軟硬件接口。電力電子標準模塊在一定程度上縮小了電力電子裝置的成本、損耗與體積。現階段標準模塊集成的主要方式包括硅片集成、封裝集成與三維集成三種。硅片集成與封裝集成不適合過大電流的場合的高功率變換器使用。三維集成方式可提升模塊空間利用率與變換器的功率密度。

3 電力電子在電力系統中的應用狀態

3.1 在發電工作中的應用

電力電子在電力系統發電環節中的應用主要體現在三個方面：（1）發電機組勵磁：大型的發電機組多使用靜置勵磁技術，此技術相對調節速度快、操控方便。水利發電機組常使用交流勵磁技術，將勵磁電流頻率進行動態調整，使發電系統加快對水頭壓力及水量的調整，整體提高了發電質量；（2）風力發電：風力發電的主要步驟是變流器的工作。風力變流器使用整流器設備使不受控制的風能轉化成電壓與可使用電能。后期變流器的不斷發展使其性能極大提升，提高了風力發電系統的電容量與電壓等級；（3）光伏電站：光伏電站是將太陽能集中處理的結構，現階段大型光伏發電系統處于發展推廣的階段，存在光伏陣列組合的熱斑效應與逆變器組合的特征未理想化等問題，證明光伏發電的建設需要充分考慮光伏陣列的組合方式與逆變器的組合方式因素。

3.2 在電能存儲工作中的應用

電能存儲的技術在電力系統應用中起到調整高峰負荷供電作用，提升了現階段電力設備的使用率和電網的使用效率，同時可科學地面對電力故障問題，從根本上提高了電力的質量與用電效率。儲能方式中相對高效的是如下三種：（1）調速抽水儲能，在抽水儲能電站工作過程中，上下水庫的差距逐漸產生變化，導致抽水儲能電站的工作在不斷的變速下才可以達到最佳效果；（2）其使用的原理是在電力系統用電低時，使剩余的電量推動空氣壓縮機，通過高壓空氣的方式將能量儲存；（3）電池儲能方式，電池通常是使用鋰離子電池、鈉硫電池與全釩液流電池。

3.3 在微型電網中的應用

微型電網是小型發電配電系統，由分布式電源、儲能設備、變化器等裝置組成。使用功率變換器進行調節，使微型電網與外界電網進行聯網運行，達到局部功能平衡與局部能量優化。外界電網出現問題時，經由變換器解列，使微型電網進入到獨立運行狀態，使其繼續向較為主要的位置輸電，加強了用電安全性。通過實踐經驗得知，分布式電源以微型電網方式連接到外界電網進行同步運行，充分發揮了分布式電源的效果。使用微型電網過程中，分布式電源與儲能裝置的連接，使用多個變換器的方式進行或者使用一個多變接口的變換器進行。其中使用多個變換器過程中，不同的控制器處于獨立位置，需進行通信方式調節工作進程，特點是成本高、通信市場不可控制。多變形式的變換器在使用過程中，可達到輸入輸出變換器，特點是提升可再生能源的利用率與完善能源管理。

3.4 在電力輸送工作中的應用

在電力輸送工作中的應用主要從三個方面來展現：（1）直流輸電：直流輸電主要分為常規式與柔性直流輸電，常規形式使用晶閘管作用下的換流器，柔性直流輸電使用全控器件作用下的換流器。二者相比較，柔性直流輸電的優勢是，有功功率與無功功率的獨立操控、不需要無功補償裝置、可以向無電源負荷供電等；（2）分頻輸電：分頻輸電方式使用較低的頻率進行輸送電能，極大地降低了交流輸電線路距離，增強了傳輸性能。在水利發電與風力發電系統中，相對適于使用低頻進行電能的輸送；（3）固態變換器：固態變換器的特點是，可以對電壓的幅值、頻率、相數與形狀等特點進行交換，屬于新型變壓器。固態變壓器擁有其潮流控制、調整電能質量等功效，有效地提升了電力系統輸電的安全性與靈活性。

4 結語

電力資源對社會的發展有著不可忽視的作用，電力系統作為電能資源的主要戰場，有其不可推卸的責任，所以電力系統在不斷發展中要做出科學合理的調整，以滿足于社會發展下的需求。電力電子裝置應用到電力系統的發電、存儲電能、微型電網等方面，有效地改善了電力系統的性能，推動了電力系統改革的進程。通過全文內容所提出的電力電子的可靠性、故障反應性能、硬件在回路仿真等性能，可以在這些方向進行長久的發展與不斷的開發，將促使電力電子裝置延長使用壽命與降低成本、高效使用等方面的發展。將電力電子系統應用到電力系統中，是一次大膽的嘗試，同時也是一次具有科學性的嘗試，為電力系統的高效發展提供了強有力的理論支持。

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