電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司 常立望

1 電子電力技術(shù)概述

1.1 電子電力技術(shù)的定義

電子電力技術(shù)是一種新型電力系統(tǒng)技術(shù)，從概念上講，電子電力技術(shù)是指將信息技術(shù)和電氣技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電能的有效控制、傳輸及利用，從而提高電能使用效率的先進(jìn)的技術(shù)。從功能上講，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)是其本質(zhì)特征。其包括以下四個(gè)基本要素，第一是通過(guò)信息處理手段，使各種物理量之間的聯(lián)系得到充分表達(dá)。第二是通過(guò)各種通信方式，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。第三是采用各種檢測(cè)和控制裝置，實(shí)現(xiàn)信息的獲取和轉(zhuǎn)換。第四是通過(guò)各種計(jì)算方法和軟件，對(duì)所獲得的信息進(jìn)行分析、判斷，并做出相應(yīng)的控制。

1.2 電子電力技術(shù)的分類(lèi)

根根據(jù)不同的劃分方法，可將現(xiàn)代電子電力的類(lèi)型分為，按用途分類(lèi)：如用于輸配電系統(tǒng)中的變流設(shè)備，用于用電系統(tǒng)的配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備，以及用于發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)和電廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。通常來(lái)說(shuō)，電子電力技術(shù)的分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 電子電力技術(shù)分類(lèi)表

1.3 電子電力技術(shù)的原理

電子電力技術(shù)是一種通過(guò)使用電力電子器件，達(dá)到對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電能變換是指在輸入和輸出的過(guò)程中，將電壓電流以及頻率，相位和相數(shù)中的一項(xiàng)進(jìn)行改變。其中，單相半波可控制流帶電阻負(fù)載的工作情況如圖1所示，其中的電壓與電流成正比例關(guān)系，兩者的變化波形是一樣的。

圖1 能流開(kāi)關(guān)模型圖

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極的電壓，形成施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用α表示，這個(gè)電角度也被叫做觸發(fā)角或者是控制角，并用θ表示晶閘管在一個(gè)電源周期中通態(tài)的電角度。直流輸出的電壓平均值為：Ud=1/2π∫πα√2U2sinωtd（ωt）=√2U2/2π（1+cosα）=0.45U21+cosα/2，VT的α移相的范圍為180°，其中通過(guò)對(duì)觸發(fā)脈沖的控制相位來(lái)控制直流的輸出電壓的大小變化，這種方式稱(chēng)為相位控制方式。

2 電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 優(yōu)化電網(wǎng)資源

對(duì)資源的優(yōu)化配置，不僅是對(duì)新資源進(jìn)行優(yōu)化分配，其中也包括對(duì)舊設(shè)備的最大限度的利用。人們所熟悉的柔性交流輸電技術(shù)，可以通過(guò)對(duì)已有的電網(wǎng)設(shè)施的應(yīng)用，達(dá)到對(duì)可再生資源的優(yōu)化，如水電以及核電的運(yùn)輸輸送。通過(guò)這樣的方式可以最大限度地將資源進(jìn)行利用，有效實(shí)現(xiàn)降低成本的目的，同時(shí)還有一定的環(huán)保作用。

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)在發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題主要是資源的分布情況不均勻，這種情況如果在隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展中無(wú)法得到解決，將會(huì)激化資源供求之間的矛盾，甚至?xí)霈F(xiàn)一系列的效應(yīng)，引發(fā)更多的社會(huì)問(wèn)題。而應(yīng)用這種電能。通過(guò)這樣的傳輸方式，在一定程度上可實(shí)現(xiàn)電能的均勻分配，進(jìn)一步優(yōu)化資源，有效緩解我國(guó)電能的供求矛盾，穩(wěn)定社會(huì)的發(fā)展，保障經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，這樣對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化，在實(shí)踐中的效果是非常可觀的。

2.2 保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行

目前，在我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)中，即使對(duì)電子電力技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，但在實(shí)際的應(yīng)用中還是存在一些問(wèn)題，如缺少完善對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估的體系。為實(shí)現(xiàn)電子電力技術(shù)的有效應(yīng)用，安全是不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題，在建設(shè)智能電網(wǎng)的過(guò)程中，安全性也具有重要的意義。結(jié)合我國(guó)目前的電網(wǎng)構(gòu)架可發(fā)現(xiàn)，有較多需要優(yōu)化和完善的地方。如在輸電和配電的問(wèn)題上，有較多的不足和問(wèn)題。為此，在建設(shè)智能電網(wǎng)的實(shí)際工作中，要靈活開(kāi)發(fā)交流輸電的裝置。并要加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)構(gòu)架的完善。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程中，對(duì)電力的需求也在不斷增加，因此智能電網(wǎng)的建設(shè)也符合社會(huì)發(fā)展的需求，是電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

此外，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。加上我國(guó)部分地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā)，如地質(zhì)災(zāi)害和氣候?yàn)?zāi)害等，這也對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)增加了難度。這就需要在建設(shè)智能電網(wǎng)的過(guò)程中，有效應(yīng)用先進(jìn)的電子電力技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)電力系統(tǒng)的控制，以及對(duì)電網(wǎng)構(gòu)架的優(yōu)化，進(jìn)一步確保電網(wǎng)輸電和配電的安全性。

2.3 提升輸電的質(zhì)量

電力電網(wǎng)的運(yùn)行隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高而有更高的要求，在傳輸過(guò)程中，電能的質(zhì)量一直都是關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)電子電力技術(shù)的有效應(yīng)用，可進(jìn)一步保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。對(duì)電能資源的質(zhì)量的提升具有重要的意義，有效滿足社會(huì)發(fā)展的需求。在目前的電網(wǎng)建設(shè)中，對(duì)電子電力器件系統(tǒng)的控制器的應(yīng)用較為廣泛。此外，在通信技術(shù)的控制和保護(hù)下，可進(jìn)一步提高電網(wǎng)的自適應(yīng)和恢復(fù)能力。同時(shí)，微網(wǎng)和能量存儲(chǔ)的技術(shù)，也可以使用戶有更多的選擇，對(duì)建設(shè)高效的智能電網(wǎng)具有重要意義。

3 電子電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 柔性交流技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，是將可持續(xù)發(fā)展理念作為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)對(duì)風(fēng)能以及電能等新能源的充分利用。智能電網(wǎng)的建設(shè)比較注重新能源以及清潔性，柔性交流輸電技術(shù)不僅具備電子電力的控制性能，其還將現(xiàn)代微電子以及通信技術(shù)有效融合，并進(jìn)一步發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)交流輸電的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行有效控制這一目的，并且可對(duì)輸電的動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌握，這一技術(shù)可有效保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，在我國(guó)建設(shè)智能電網(wǎng)的過(guò)程中，高壓輸電系統(tǒng)通常是建設(shè)基礎(chǔ)，在建設(shè)中對(duì)這一輸電技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，要對(duì)新能源與清潔能源之間的隔離以及介入進(jìn)行綜合分析。

目前，在我國(guó)柔性交流輸電系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是換流器，其大多數(shù)采取的是自換相模式，通過(guò)獨(dú)立控制的方法，該技術(shù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電中，適用性更強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)的整體傳輸能力有很強(qiáng)的提升作用。柔性交流輸電技術(shù)融合發(fā)展了交流與控制技術(shù)，可調(diào)節(jié)和控制各項(xiàng)電力的參數(shù)，將輸送電力過(guò)程中的線損降到最低，確保輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 互動(dòng)式交直流混合微電網(wǎng)

互動(dòng)式交直流混合微電網(wǎng)是將交直流兩種不同的能源形式有機(jī)結(jié)合起來(lái)的微網(wǎng)，該微網(wǎng)由多個(gè)微型電源組構(gòu)成，能夠同時(shí)向多個(gè)用戶提供有功或無(wú)功電源。

3.3 智能開(kāi)關(guān)

在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，對(duì)電子電力技術(shù)較為常用的應(yīng)用技術(shù)就是智能開(kāi)關(guān)。該技術(shù)可對(duì)指定位置的電流電壓進(jìn)行控制，使其閉合或者切斷，可起到保護(hù)系統(tǒng)，避免出現(xiàn)過(guò)流的現(xiàn)象，同時(shí)可避免漏電的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)一步確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全。

3.4 高壓變頻技術(shù)

高壓變頻技術(shù)也是一種較為常用的技術(shù)，目前這一技術(shù)的應(yīng)用不僅在電網(wǎng)中應(yīng)用，且在日常生活中也被廣泛應(yīng)用[1]。由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式為大容量、高頻率，因此為了保證整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過(guò)電壓控制的方式，對(duì)輸電和用電設(shè)備的端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而確保各設(shè)備端電壓不超過(guò)額定值，防止發(fā)生故障或事故時(shí)，出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象。這一技術(shù)可幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)降電能消耗的目的，可有效節(jié)約電能，對(duì)帶能資源進(jìn)行優(yōu)化配置。不僅有保護(hù)環(huán)境減少污染的作用，還有降低企業(yè)的運(yùn)行成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益的作用。

在我國(guó)目前的發(fā)展市場(chǎng)中，高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用潛力較大。這一技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是有較強(qiáng)的節(jié)電率，最高可達(dá)30%。但這一技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)，就是應(yīng)用的成本較高。以500kW的高壓變頻器為例，其參數(shù)如下：輸出電流0～35A；額定輸入電壓10kV，允許變化的范圍-20%～+15%；額定輸入頻率50Hz，允許變化的范圍-10%～+10%；諧波＜3%。

3.5 高壓直流輸電技術(shù)

直流電在直流輸電系統(tǒng)中，一般只存在輸電的環(huán)節(jié)中，交流電依然是主要的形式，存在在發(fā)電和用電的環(huán)節(jié)中。在整個(gè)輸電線路的送端中，交流系統(tǒng)的交流電，在經(jīng)過(guò)換流站的環(huán)節(jié)時(shí)，換流變壓器的作用下，被輸送到整流器中，這在一過(guò)程中，高壓交流電可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟姡⒆罱K在直流的輸電線路中進(jìn)行輸送。輸電線路將直流電輸送到受端換流站中的逆變器，這個(gè)過(guò)程中，高壓直流電又被轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏航涣麟姟Ｔ谥绷鬏旊娤到y(tǒng)中控制換流器的作用下，可以工作于整流或者是逆變中。在輕型直流輸電系統(tǒng)中，組成換流器的，一般采用的是可關(guān)斷的器件，這樣可以提高中型直流輸電工程，在完成較短輸送距離的輸電任務(wù)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.6 無(wú)功補(bǔ)償

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)荷，動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)功功率，從而改善電壓質(zhì)量。根據(jù)負(fù)荷特性，可以將無(wú)功補(bǔ)償分為感性無(wú)功補(bǔ)償和無(wú)功就地平衡兩類(lèi)。無(wú)功補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的重要手段之一，目前大部分配網(wǎng)系統(tǒng)均采用靜止補(bǔ)償方式。靜止補(bǔ)償一般由變電站、線路等負(fù)荷側(cè)設(shè)備完成，需要大量的無(wú)功功率進(jìn)行支撐。如果將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至用戶側(cè)，一方面可減少線路損耗，另一方面也可有效降低用戶的線損[2]。

3.7 能量轉(zhuǎn)換以及儲(chǔ)能技術(shù)

能耗低，污染低以及排放量低是社會(huì)發(fā)展的重要方向，其中最關(guān)鍵的就是能量轉(zhuǎn)換以及儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。可以最大限度利用風(fēng)能以及太陽(yáng)能等可再生能源。目前，我國(guó)已經(jīng)掌握風(fēng)力發(fā)電組變流器的控制技術(shù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和有效運(yùn)行，將逐漸成為電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向。隨著新能源的快速發(fā)展，光伏發(fā)電和風(fēng)電逐漸成為主要的發(fā)電量，然而，其巨大的能量密度卻難以有效利用。

為了解決這一問(wèn)題各國(guó)均提出了各種儲(chǔ)能方案。其中，抽水蓄能電站因其具有投資少、見(jiàn)效快及可再生等特點(diǎn)，受到廣泛青睞。利用儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)間歇式用電進(jìn)行削峰填谷，從而提高系統(tǒng)效率。抽水蓄能的優(yōu)勢(shì)在于，其可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，且具有大容量特點(diǎn)，適合作為備用電源。能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，主要的應(yīng)用是風(fēng)能和太陽(yáng)能，通過(guò)大規(guī)模的間歇性電源以及微網(wǎng)等，采用并網(wǎng)運(yùn)行的方式，對(duì)可再生資源進(jìn)行利用。

3.8 可控串補(bǔ)技術(shù)

是指通過(guò)控制電源電壓的波動(dòng)范圍使輸出電壓穩(wěn)定在某一值的技術(shù)。可控串補(bǔ)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)，也是電力電子裝置中不可缺少的一種技術(shù)。可控串補(bǔ)技術(shù)利用串補(bǔ)器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)并聯(lián)電機(jī)的功率控制。串補(bǔ)器的功能是把各相繞組的交流電壓按一定的比例進(jìn)行分配。當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時(shí)，串補(bǔ)器將故障相的電壓降低到零。當(dāng)其他正常相的繞組有電流通過(guò)，則該相繞組的電壓就會(huì)升高到原來(lái)的值，從而保證整個(gè)電網(wǎng)中的電壓和頻率不變，使設(shè)備免受損壞。

在電力系統(tǒng)中，為了維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，要求系統(tǒng)中的各部分之間必須有一定的聯(lián)系，即要有無(wú)功功率的傳送。因此，無(wú)功補(bǔ)償裝置是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備之一。目前，我國(guó)的無(wú)功補(bǔ)償方式主要有晶閘管的投切式、晶閘管的復(fù)合式、靜止同步電動(dòng)機(jī)和電磁閥投切式。由于晶閘管的投切式和無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用，提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及電力的發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，也是未來(lái)電力發(fā)展的主要方向，而在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，電子電力技術(shù)的應(yīng)用可以有效提升電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。