電力系統(tǒng)中電力電子裝置的運(yùn)用分析

江宇權(quán)

[摘 要]電子電力裝置在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其不僅確保了電網(wǎng)的可靠、安全運(yùn)行，而且在在很大程度上保證了電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。筆者針對我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，著重分析了電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況以及運(yùn)作特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng) 電力電子裝置 運(yùn)用分析

中圖分類號：T63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0011-01

一、我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀

我國當(dāng)前的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)變主要是通過主干電網(wǎng)和微型電網(wǎng)和各地區(qū)的地方電網(wǎng)相結(jié)合，同時廣泛接入儲能裝置和分布式電源，采用具有極強(qiáng)靈活性的輸電方式和智能化的配電用電裝置相配合，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性輸電。因此，除了提升對我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，還需要及時完善和發(fā)展電力電子裝置智能化的水平，通過提升控制工作的策略性能，才可以在電力系統(tǒng)中有效發(fā)揮電力電子裝置的優(yōu)勢。

二、在電力系統(tǒng)中電力電子裝置的應(yīng)用特點(diǎn)

電力電子裝置作為電力系統(tǒng)中的核心裝置，在應(yīng)用中對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的影響。因此需要在研究其應(yīng)用前，先探究其應(yīng)用特點(diǎn)。

（一）對系統(tǒng)可靠性的影響

電力電子裝置可靠性是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素，電子裝置的平均維護(hù)時間、平均無故障運(yùn)行時間、故障率決定了其可靠性的高低。因此對電力電子裝置進(jìn)行可靠性評估可以確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。與此同時，可靠性估算結(jié)果能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的維修、檢查和運(yùn)行提供重要的參考。

（二）故障管理特征

電子裝置在進(jìn)行長時間運(yùn)轉(zhuǎn)之后必然會出現(xiàn)一些故障。一般來說，電子裝置的故障都是溫度循環(huán)波動或者過高的溫度導(dǎo)致的。在故障管理中，需要預(yù)測和預(yù)先診斷電子裝置的故障，并且根據(jù)診斷結(jié)果制定合理的后期保護(hù)措施和維修策略。同時對于推測出的電子裝置剩余工作年限，采取相關(guān)的預(yù)防對策[1]。

故障管理指的對故障的預(yù)測和診斷。當(dāng)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)或者元件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)中具備容錯運(yùn)行能力的電力電子裝置可以及時更改控制方法和調(diào)制策略來實(shí)現(xiàn)對故障部分的隔離，從而讓整套裝置能夠正常運(yùn)行。容錯運(yùn)行形式分為準(zhǔn)正常運(yùn)行和降級運(yùn)行兩種。準(zhǔn)正常運(yùn)行指的是開啟冗余設(shè)計(jì)中的子系統(tǒng)或者功率器件來實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行狀態(tài)。降級運(yùn)行指的是利用系統(tǒng)中電力電子裝置的固有冗余能力來在一定限度內(nèi)保證系統(tǒng)在發(fā)生故障后的正常功能運(yùn)行，但是會相應(yīng)的減小輸出功率、輸出電壓以及降低電能質(zhì)量。降級運(yùn)行相比于準(zhǔn)正常運(yùn)行具備成本低廉、運(yùn)行簡單，但是有利就有弊，應(yīng)用范圍比較小。

三、電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

（一）在發(fā)電環(huán)節(jié)的運(yùn)用

1.發(fā)電機(jī)組勵磁。大型發(fā)電機(jī)組大都采用靜止勵磁技術(shù)，這種技術(shù)相比勵磁機(jī)，控制更為簡單而且具有更快的調(diào)節(jié)速度，這大大的提升了發(fā)電廠的運(yùn)行效率和性能。在水力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用交流勵磁技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對勵磁電流頻率的動態(tài)調(diào)整，從而的發(fā)電系統(tǒng)的水流量和水頭壓力進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，不僅改善了發(fā)電質(zhì)量也大大提升的發(fā)電效率。

2.風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電中最重要的部分就是變流器，不穩(wěn)定的風(fēng)能在逆變器和整流器的作用下轉(zhuǎn)化為頻率、電壓和相位都符合電網(wǎng)要求的電能。隨著變流器的結(jié)構(gòu)的發(fā)展，模塊化多電平換流器的應(yīng)用大大提升了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓和容量，這有利于傳輸導(dǎo)線成本和線路損耗的降低，并且促進(jìn)了對海上風(fēng)電的開發(fā)。

3.光伏電站。我國的大型光伏電站由逆變器組、濾波器、匯流器、升壓變壓器、和光復(fù)陣列組建組成，實(shí)現(xiàn)了對太陽能的大規(guī)模幾種利用。在并聯(lián)逆變器中實(shí)施友好電網(wǎng)的控制策略，光伏電站能夠具備動態(tài)電壓補(bǔ)償、無功補(bǔ)償和有源濾波等高級功能。當(dāng)前，我國大型光伏發(fā)電系統(tǒng)正從示范階段向大范圍推廣階段轉(zhuǎn)型，因此在其中還存在諸如熱斑效應(yīng)、逆變器組合和多峰值等不夠理想的技術(shù)問題。所以，在光伏電站的設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮逆變器的組合方式以及光伏陣列的組合方式。

（二）在電能儲存環(huán)節(jié)的運(yùn)用

1.可調(diào)速的抽水蓄能

應(yīng)用儲能技術(shù)的目的是緩解用電高峰的用電需求，從而有效提升目前電力設(shè)備的運(yùn)行效率和利用率。一方面，避免了電網(wǎng)故障對電力系統(tǒng)的影響，提升了電能的利用率和質(zhì)量，另一方面，為社會的發(fā)展提供了可靠和優(yōu)質(zhì)的電能[2]。

抽水蓄能電站通常由上水庫、下水庫和發(fā)電系統(tǒng)組成，在運(yùn)行過程中，因?yàn)樯舷滤畮扉g的落差在持續(xù)的變化，因此只有保持變速的狀態(tài)才能發(fā)揮抽水蓄能電站的最大發(fā)電效率。可調(diào)速的抽水蓄能機(jī)組中主要采用轉(zhuǎn)子繞組勵磁技術(shù)，并且利用周波換壓器來調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)。

通過對抽水蓄能機(jī)組電流幅值和頻率的調(diào)節(jié)，可以更便捷的切換啟動和運(yùn)行模式，從而最大程度上發(fā)揮電力系統(tǒng)中調(diào)頻、突發(fā)事故處理和調(diào)峰填谷的功能。

2.電池儲能

電池儲能中的主要部分是電池系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電池系統(tǒng)中主要應(yīng)用鈉硫電池和鋰離子電池，變換器主要采用小功率DC/DC變換器，從而實(shí)現(xiàn)對電池模塊的均衡使用。高峰值和大功率的DC/DC變換器主要集成到內(nèi)部電池模塊中，這簡化了對均衡控制的要求并且優(yōu)化了對功率的調(diào)節(jié)。電網(wǎng)和電池系統(tǒng)中的電力電子接口是電壓型四象限變換器，可以進(jìn)行有效的電池充放電管理和儲能系統(tǒng)中的相關(guān)并網(wǎng)功能。

（三）在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

1. 直流輸電。直流輸電方式包括常規(guī)直流輸電形式和榮幸直流輸電形式。其中，常規(guī)直流輸電使用的是晶閘管換流器，而柔性直流輸電中使用的是具有全控器件的換流器。兩者相對比，后者可以控制無功功率和有功功率，比不需要無功補(bǔ)償裝置和濾波裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)的固定電壓極性和無源負(fù)荷供電等功能，所以廣泛運(yùn)用到孤島用電、電網(wǎng)互聯(lián)、城市供電、和可再生能源介入領(lǐng)域中。柔性直流輸電在發(fā)展過程中，其換流器拓?fù)滢D(zhuǎn)變?yōu)槟K化多電平，這大大降低了開關(guān)應(yīng)力壓、開關(guān)頻率、輸出電壓的畸變和諧波。

2.分頻輸電。在分頻輸電系統(tǒng)中應(yīng)用低頻率來進(jìn)行電能傳輸，能夠有效加強(qiáng)電力系統(tǒng)的電能傳輸能力，減小交流輸電線路的電器距離，并且有效一直線路電壓的波動。對于使用低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電和水電等利用可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)中，尤其適合低頻輸電和發(fā)電[3]。

3.固態(tài)變壓器。固態(tài)變壓器具有變換電力電子的作用，能夠變換電流或者電壓的相位、形狀、相數(shù)、頻率和復(fù)制等參數(shù)，是一種新型的變壓器。固態(tài)變壓器還具備電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和控制潮流的功能，通過將其廣泛的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，能夠明顯的提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且采用更靈活的輸電形式。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對智能化電力系統(tǒng)的有效控制，同時提供高品質(zhì)的、形式多樣的交流電源和直流電源[4]。

四、電力電子裝置實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問題

為了符合電力系統(tǒng)的目前的需要和未來發(fā)展需要，需要盡快解決以下電力電子裝置的相關(guān)問題：（1）大容量高電壓電力電子裝置的拓?fù)鋬?yōu)化、模塊集成技術(shù)以及設(shè)計(jì)理論探究。（2）大容量電力電子裝置的運(yùn)行控制策略和非線性分析探究。（3）固態(tài)限流器以及潮流控制器在柔性交流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用4.我國大型光伏電站中如何對并網(wǎng)逆變器集群進(jìn)行有效控制5.關(guān)于多能源儲能電力系統(tǒng)的變換器的運(yùn)行、設(shè)計(jì)和操控研究。

結(jié)論：綜上所訴，電力電子裝置的應(yīng)用和開發(fā)能夠有效提升電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，不僅實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的自動化控制，而且促進(jìn)了電力系統(tǒng)向智能化的轉(zhuǎn)型。在對電力電子裝置進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用前，不僅需要探究電力電子裝置的應(yīng)用范圍和方法，還需要做好對電力電子裝置的可靠性、回路仿真和故障運(yùn)用研究，最終實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣建國.電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（1）：68-68.

[2] 魏志芬.探究電力系統(tǒng)中電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用分析[J].電子世界，2014（6）：47-48.

[3] 李永東.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜述[J].電氣時代，2012（2）：42-47.