電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郭文花

1 引言

電力電子技術(shù)是現(xiàn)階段進(jìn)一步實(shí)施智能電網(wǎng)計(jì)算技術(shù)的具體體現(xiàn)，隨著智能電網(wǎng)計(jì)算機(jī)化和信息化水平的提高，電力電子技術(shù)的相應(yīng)作用也隨之日趨明顯。本文進(jìn)一步介紹了電力電子技術(shù)在我國(guó)智能電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展情況，有效體現(xiàn)了電力電子技術(shù)在我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的重要性。

2 電力電子技術(shù)概述

電力電子技術(shù)包括電力電子設(shè)備和電路兩方面，電力電子設(shè)備和電路是電力電子技術(shù)的兩個(gè)主要領(lǐng)域，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段——半可控、完全可控、復(fù)雜可控的發(fā)展過(guò)程，并結(jié)合集成電路控制。目前，該型的缺點(diǎn)是功率低，但這是現(xiàn)階段我國(guó)電氣工程進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)非常重要的方向，廣泛應(yīng)用于電力電子整流電路中的電路設(shè)計(jì)階段，具有一定的普遍性。此外，自20世紀(jì)八十年代以來(lái)，逆變器電路已成為基本要素，并在電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，但開(kāi)關(guān)電路仍占主導(dǎo)地位。電力電子電路向與高頻通信趨勢(shì)相反的方向發(fā)展，出現(xiàn)了電路拓?fù)涞刃问絒1]。

同時(shí)，微處理器的數(shù)字控制也在發(fā)展，逐步取代了模擬控制，這也是電力電子技術(shù)發(fā)展的新方向，將電子系統(tǒng)控制技術(shù)推向了一個(gè)新的水平。對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸和大功率傳輸，直流輸電的優(yōu)點(diǎn)很明顯，其功能是通過(guò)可控硅器件的功能實(shí)現(xiàn)的。靈活的交流輸電也需要電力電子技術(shù)中的相應(yīng)設(shè)備來(lái)完成其功能，諧波抑制和反應(yīng)性補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中非常重要。晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管電容器（TSC）是電力電子技術(shù)中補(bǔ)償無(wú)功功率的重要機(jī)制。新的電力電子設(shè)備，如電源濾波器（APF）和靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM），具有較高的特性，能較好地補(bǔ)償諧波。因此，電子產(chǎn)品在電力電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用是非常重要的。

3 電子技術(shù)的發(fā)展與特點(diǎn)

智能電網(wǎng)主要是指在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上結(jié)合、更新和優(yōu)化信息技術(shù)的綜合技術(shù)。同時(shí)，以電網(wǎng)建設(shè)的實(shí)際要求為目標(biāo)，最大限度實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和節(jié)能，提高電網(wǎng)運(yùn)行的整體穩(wěn)定性。此外，從技術(shù)角度看，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際變化，智能電網(wǎng)的電氣和電子技術(shù)需要全面升級(jí)，以符合有關(guān)的建筑標(biāo)準(zhǔn)。

首先，必須減少任何技術(shù)都無(wú)法負(fù)擔(dān)的環(huán)境污染。此外，在興建智能網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，有關(guān)人員須全面而審慎地考慮實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)，以確保最佳地滿(mǎn)足和管理環(huán)境需求。其次，智能網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)診斷上要完全智能化，使智能網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，自動(dòng)糾正網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的故障。至于最聰明的網(wǎng)絡(luò)，必須是高度互動(dòng)的，才能有效地確保和提高工作效率和質(zhì)量。所謂的互動(dòng)，不僅僅表現(xiàn)在對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)各個(gè)組成部分的技術(shù)知識(shí)上，也需要在客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行更緊密的系統(tǒng)集成，這大大提高了服務(wù)質(zhì)量。此外關(guān)于技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，可再生資源的雙向自動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理得到充分利用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多新材料被用于智能電網(wǎng)，以支持電子產(chǎn)品在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，其對(duì)電子技術(shù)在現(xiàn)代智能網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有重要意義，包括材料制造和電子電路轉(zhuǎn)換技術(shù)[2]。

4 電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的作用分析

4.1 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全

電網(wǎng)作為必要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明的發(fā)展具有重要意義。從目前我國(guó)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，在該領(lǐng)域建立智能網(wǎng)絡(luò)還存在較大差距。建立智能網(wǎng)絡(luò)的基本保證是安全，但近年來(lái)頻繁的氣候異常和自然災(zāi)害對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的安全產(chǎn)生了較大影響，間接確定了智能網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用促進(jìn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效優(yōu)化，并對(duì)電流分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地解決了系統(tǒng)能量傳輸失效的問(wèn)題。電力電子技術(shù)的應(yīng)用也有助于電力系統(tǒng)的運(yùn)行，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的自維護(hù)能力，保證了網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 促進(jìn)網(wǎng)格優(yōu)化

智能網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)交互式系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)控制許多變化。智能網(wǎng)絡(luò)是由用戶(hù)對(duì)能源的需求和環(huán)境的變化驅(qū)動(dòng)的，這與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)是一致的。近年來(lái)，隨著我國(guó)科技的蓬勃發(fā)展，電力電子技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了積極的變化和創(chuàng)新。隨著智能網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的成功應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提高了優(yōu)化損耗和誤差分布的效率，同時(shí)也對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行了重大創(chuàng)新[3]。

4.3 實(shí)現(xiàn)資源的合理分配

能源短缺仍然是阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題，當(dāng)前我國(guó)的能源相關(guān)問(wèn)題日益尖銳，發(fā)電用能問(wèn)題刻不容緩。電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用不僅有助于現(xiàn)有資源的優(yōu)化配置，但也為環(huán)境保護(hù)和資源保護(hù)提供了一定的作用和價(jià)值。

4.4 電力電子技術(shù)具有一定的穩(wěn)定性

目前，智能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中仍存在較多問(wèn)題，在當(dāng)前形勢(shì)下，在智能電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，有效保障其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，首先必須確保整個(gè)系統(tǒng)更加安全和穩(wěn)定。為在智能網(wǎng)絡(luò)中最大限度地利用電力電子技術(shù)，有關(guān)人員必須從實(shí)際的角度制定適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

4.5 提高電能輸出質(zhì)量

實(shí)際上，由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技進(jìn)步，各行業(yè)也在加快發(fā)展步伐，大大增加了公眾對(duì)電力的需求。智能電網(wǎng)的安全性和可靠性也受到更嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)代實(shí)際需求，整個(gè)電力供應(yīng)鏈的安全風(fēng)險(xiǎn)不斷提高、發(fā)生相關(guān)事故的可能性也不斷增加。進(jìn)一步應(yīng)用電力電子技術(shù)可以有效地改善這些問(wèn)題，同時(shí)也在一定程度上提高了功率輸出的穩(wěn)定性，不僅提高了智能網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，還可以進(jìn)一步節(jié)約能源。

5 電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

5.1 開(kāi)關(guān)控制單元

傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)使用開(kāi)關(guān)來(lái)節(jié)省變壓器和元件占用的空間，但在切換這些高頻時(shí)會(huì)發(fā)生太多的損耗，這會(huì)對(duì)電路效率和一些額外的EMI產(chǎn)生不利影響。軟開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器很好地消除了這個(gè)缺點(diǎn)，特別是在降低噪音和開(kāi)關(guān)磨損方面，目前許多電氣系統(tǒng)都采用了軟開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，研究表明當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz時(shí)，將多個(gè)簡(jiǎn)單電路組合成一個(gè)組合，在一些情況下提高了電氣系統(tǒng)的性能，擴(kuò)大了柔性開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。

5.2 智能電網(wǎng)故障保護(hù)

故障發(fā)生后，電路都會(huì)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。過(guò)去解決這一問(wèn)題的方法是盡快斷開(kāi)保險(xiǎn)絲、斷路器和電流繼電器，保護(hù)主要電路。但在現(xiàn)階段，電子控制越來(lái)越小，功率增加，傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)裝置已經(jīng)不起作用。因此，為了減少泄漏現(xiàn)象，可以進(jìn)一步安裝相對(duì)來(lái)說(shuō)比較特殊的電子電流保護(hù)電路。一旦檢測(cè)到泄漏問(wèn)題，將進(jìn)一步及時(shí)輸出或調(diào)整相應(yīng)的裝置[4]。

5.3 有源濾波器的應(yīng)用

基于電力電子器件的有源濾波器的應(yīng)用原理是：為了分析電力系統(tǒng)補(bǔ)償元件的工作狀態(tài)，得到相應(yīng)的半光譜波長(zhǎng)電流，然后使用補(bǔ)償裝置；光譜波電流產(chǎn)生具有相同分量的電流比較。為了實(shí)現(xiàn)譜波電流與產(chǎn)生電流的相互抵消，該方法的應(yīng)用將從根本上避免電力系統(tǒng)中譜波電流的產(chǎn)生，并取代基波電流。基于電力電子技術(shù)的有源電力濾波器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，主要由補(bǔ)償元件和具有控制功能的工作電流電路組成。有源電力濾波器的應(yīng)用可以檢測(cè)和分析電力系統(tǒng)隨時(shí)間變化的補(bǔ)償電流，實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)的頻譜和無(wú)功電流，基本保證了系統(tǒng)的安全，進(jìn)一步確保電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5.4 高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)階段，我國(guó)大部分電廠(chǎng)主要傳輸交流電壓，但交流電壓傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生大量能量損失。因此，許多發(fā)電廠(chǎng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向應(yīng)用以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的直流和高壓電流傳輸技術(shù)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了直流交流重構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，直流輸電方式應(yīng)用于大容量遠(yuǎn)程輸電設(shè)備，應(yīng)用了高壓直流輸電技術(shù)，將交流電壓轉(zhuǎn)換為無(wú)損耗直流，并通過(guò)直流進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在直流情況下，提供更高的服務(wù)質(zhì)量。

5.5 電力電子技術(shù)在配電過(guò)程中的應(yīng)用

為了分配優(yōu)質(zhì)的電力資源，配電系統(tǒng)必須在配電過(guò)程中滿(mǎn)足頻率和電壓的穩(wěn)定性和影響要求，以及相關(guān)的配電條件，如諧波，電力電子技術(shù)被認(rèn)為是配電環(huán)節(jié)質(zhì)量控制的一個(gè)組成部分。如上所述，F(xiàn)ACTS技術(shù)是一種允許調(diào)節(jié)輸電和提高電壓的技術(shù)，通過(guò)在配電網(wǎng)中添加電力電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)電流和功率控制[5]。FACTS技術(shù)被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)用于現(xiàn)階段新的電力電子技術(shù)的分配系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和工作原理幾乎相同。近年來(lái)，電子科技的發(fā)展，面向用戶(hù)的FACTS和電力技術(shù)得到了一定程度的完善和集成，最典型的是DFACTS（定制電源）技術(shù)。

5.6 靜態(tài)電抗

隨著能源需求的增加，電網(wǎng)對(duì)電力的需求也在增加。電網(wǎng)的頻繁振蕩和一些沖擊負(fù)荷的增加對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有顯著影響，不利于電流回路的低頻振蕩。靜態(tài)補(bǔ)償裝置可以增加電氣系統(tǒng)的相關(guān)元件和負(fù)載，降低電氣系統(tǒng)的功率損耗，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電路中的電壓，同時(shí)提高所消耗電能的質(zhì)量。

5.7 柔性電流傳輸技術(shù)

柔性電流傳輸技術(shù)是在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，與其他技術(shù)相結(jié)合，可以靈活、快速地控制開(kāi)關(guān)和傳輸，該技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在智能網(wǎng)絡(luò)中，利用現(xiàn)有的傳輸技術(shù)可以有效地控制傳輸系統(tǒng)的一些重要參數(shù)，降低能源企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。此外，應(yīng)用柔性電流傳輸技術(shù)可以控制大流量，有效防止電路級(jí)聯(lián)斷開(kāi)，從而在一定程度上提高智能網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

5.8 加強(qiáng)對(duì)整體智能網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管

智能電網(wǎng)可以理解為能夠適應(yīng)人們?nèi)粘Ｓ秒娦枨蟮恼麄€(gè)操作系統(tǒng)，因此在應(yīng)對(duì)方面必須有足夠的靈活性，而電力電子技術(shù)是一種相對(duì)來(lái)說(shuō)非常有效的手段。在這個(gè)階段，可以進(jìn)一步積極開(kāi)發(fā)電力和電子相關(guān)技術(shù)，并取得了非常顯著的成果。然而，實(shí)際上來(lái)說(shuō)也存在一些不容忽視的問(wèn)題因此，在應(yīng)對(duì)方面必須有足夠的靈活性，而電力電子技術(shù)是一種非常有效的手段。在這個(gè)階段，積極開(kāi)發(fā)電力電子相關(guān)技術(shù)，并取得了非常顯著的成果。然而，也存在一些不容忽視的問(wèn)題。現(xiàn)階段我國(guó)電網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)還比較落后，有很多地方需要改善。因此，對(duì)于智能網(wǎng)絡(luò)的整體管理和控制是很重要的。

5.9 增加設(shè)備使用效率

盡管在電力電子技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但我國(guó)沒(méi)有完整的電力電子儀器評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，不能判斷設(shè)備的可靠性和功能價(jià)值。我國(guó)目前也在擴(kuò)大這方面的研究，采用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并研究其價(jià)值。但不可否認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)代表了我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)飛躍，減少了不必要的損失，提高設(shè)施利用率，促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，世界上不可再生資源的數(shù)量正在減少，地震和全球變暖等極端天氣事件繼續(xù)影響著全體人口的日常能源需求。因此，智能電網(wǎng)改革是大勢(shì)所趨。在智能電網(wǎng)中靈活使用先進(jìn)的電力電子技術(shù)也已成為電網(wǎng)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，這不僅保證了智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，而且進(jìn)一步鞏固和優(yōu)化了智能電網(wǎng)的環(huán)境，有效利用了可再生資源，為中國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。智能電網(wǎng)是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，電力電子技術(shù)與智能電網(wǎng)的結(jié)合不僅提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和智能性，而且滿(mǎn)足了能源用戶(hù)對(duì)供電質(zhì)量和穩(wěn)定性的需求。隨著電力電子技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)正變得越來(lái)越數(shù)字化，較大改善了電力公司與用戶(hù)之間的互動(dòng)，使電力公司能夠更好地為客戶(hù)服務(wù)。