電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究

陳映芳

摘 要：電力電子技術是一門新興的電子技術，主要應用于電源設計、電機傳動、汽車工業(yè)、綠色照明、電力系統(tǒng)等領域。隨著我國科學技術水平的不斷提升，電力電子技術得到長足的進步和發(fā)展，在我國電力系統(tǒng)領域發(fā)揮著越來越重要的作用。文章闡述了電力電子技術和電力系統(tǒng)的基本內容和概念，探討了電力電子技術在電力系統(tǒng)中的具體應用，希望對促進我國電力系統(tǒng)的高質量發(fā)展帶來益處。

關鍵詞：電力電子 電力系統(tǒng) 技術應用

1 引言

電力電子技術經歷了半個世紀的發(fā)展歷程，目前已在眾多領域得到廣泛地運用，諸如民用產品、傳統(tǒng)產業(yè)設備以及新能源開發(fā)等行業(yè)。它將現(xiàn)代控制技術、功率半導體器件、計算機技術和電路技術作為支撐依據(jù)，已經在國民經濟中發(fā)揮出不可替代的重要作用，其直接影響著未來輸電系統(tǒng)的性能。電力系統(tǒng)是電力電子技術得以充分應用的一個重要領域，其核心是利用各類電子器件實現(xiàn)電能的變換和控制。因此，探討電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用具有重要的現(xiàn)實意義。

2 電力電子技術簡介

電力電子技術，又稱為電力電子學，是一門研究電力系統(tǒng)的現(xiàn)代應用工程學科，是電氣工程領域中的一個主要分支。這門學科的研究為電能系統(tǒng)提供了解決方案，可以最大限度地提高電力系統(tǒng)的效率、可靠性和經濟性。

電力電子技術首先源于20世紀50年代美國新發(fā)明的半導體器件，并迅速發(fā)展成為一個完整的學科。這門學科融合了電氣工程中的機電系統(tǒng)、信息工程中的控制系統(tǒng)、電子工程中的半導體器件和電力系統(tǒng)中的電力技術。它為電力系統(tǒng)提供了可靠的解決方案，使得電力傳輸及分配效率極大地提高。目前，電力電子技術的應用呈現(xiàn)出智能化、數(shù)字化和高效率的特征[1]。

3 電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、送變電線路、供配電所和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。電力系統(tǒng)由發(fā)電機組、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、用電負荷、監(jiān)控與控制系統(tǒng)五大部分組成。

3.1 發(fā)電機組

發(fā)電機組是電力系統(tǒng)的核心部分，它將機械能轉化為電能，為電力系統(tǒng)提供電源。發(fā)電機組的性能直接影響電力系統(tǒng)的質量和穩(wěn)定性。

3.2 輸電系統(tǒng)

輸電系統(tǒng)是將發(fā)電機組產生的電能輸送到各個用電負荷點的系統(tǒng)，包括輸電線路、變電所、變壓器等設備。輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接影響電能的輸送和質量。

3.3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是將輸電系統(tǒng)輸送的高壓電能轉化為低壓電能，向用戶提供電能的系統(tǒng)，包括配電變壓器、配電開關設備等。配電系統(tǒng)的安全可靠性直接關系到用戶的用電質量和安全。

3.4 用電負荷

用電負荷是電力系統(tǒng)的最終目的地，包括工業(yè)、商業(yè)、居民等各種用電負荷，用電負荷的特性和變化直接影響電力系統(tǒng)的負荷特性和負荷平衡。

3.5 監(jiān)控與控制系統(tǒng)

監(jiān)控與控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的智能控制中樞，包括自動化控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等，它們能夠實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)分析和處理，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障。

4 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用

電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用可以改善電力系統(tǒng)的可靠性、經濟性和環(huán)境友好性。基于電力電子技術構建的電力電子系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、電氣設備及能源轉換系統(tǒng)等組成，通過電力電子設備對電能進行高效、靈活的轉換及控制，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行及電氣設備的高效利用[2]。電力電子技術的應用范圍涉及到電力系統(tǒng)的變流技術、直流輸電技術、柔性輸電技術、電能質量控制技術、電力控制技術和智能電網技術等。這些技術在電力系統(tǒng)中起到了至關重要的作用，它們可以更好地適應各種復雜的電力系統(tǒng)，提高電力系統(tǒng)的質量、效率和穩(wěn)定性。

4.1 變流技術

在我們的生產和生活中，有些地方需要使用高壓電，減少電能的損耗，如輸電、動車組牽引；有些地方需要使用低壓電，這樣對用戶更安全；有些地方需要用直流電，有些地方需要用交流電。為了實現(xiàn)不同電能之間的轉換，我們就需要用到各種變流技術。

變流技術是電力電子技術中的一個重要分支，它是通過將交流電轉換為直流電或直流電轉換為交流電，從而實現(xiàn)電力的控制和變換。基本的變流原理可以概括為利用電力電子器件對電路的導通和關斷進行精確控制，以實現(xiàn)電壓、電流和功率的轉換[3]。變流技術在電力系統(tǒng)中的應用非常廣泛，可以應用于發(fā)電機的輸出電壓控制、直流輸電、交流輸電、電動汽車充電樁和逆變器等領域。它可以使電力系統(tǒng)更加高效、可靠和性能更加穩(wěn)定。下面是幾種常用的變流設備。

4.1.1 變壓器

變壓器一般是指將交流電升壓或者降壓的裝置，交流電通過線圈會產生交變磁場，交變磁場又會在另一個線圈中產生感應電流。

輸入側的線圈稱為變壓器的一次側，輸出側的線圈稱為變壓器的二次側。在不計電能和磁能損耗的情況下，兩側的電壓比等于線圈的匝數(shù)比，而電流則與電壓成反比。若二次側的匝數(shù)大于一次側，則為升壓變壓器；反之，則為降壓變壓器。

為了減少能耗，線圈通常使用導電性比較好的銅，用導磁性較好的鐵或鐵的氧化物做磁芯，為了減小在磁場磁芯中產生的渦流，磁芯可以用相互絕緣的鐵片拼接而成。在相同狀況下，三相變壓器比單相變壓器節(jié)約材料。

4.1.2 整流器

整流器是一種電氣設備，可將周期性反轉方向的交流電轉換為僅沿一個方向流動的直流電。這個過程被稱為整流，因為它拉直了電流的方向。在物理上，整流器有多種形式，包括真空管二極管、濕化學電池、汞弧閥、銅和硒氧化物板組、半導體二極管、可控硅整流器和其他硅基半導體開關。 歷史上，甚至使用了同步機電開關和電動發(fā)電機組。早期的無線電接收器，稱為晶體收音機，使用貓須狀細線壓在方鉛礦（硫化鉛）晶體上作為點接觸整流器或晶體檢測器。

整流器有很多用途，但經常被發(fā)現(xiàn)用作直流電源和高壓直流輸電系統(tǒng)的組件。除了產生用作電源的直流電之外，整流還可以起到其他作用。如前所述，整流器可以用作無線電信號的檢測器。在燃氣加熱系統(tǒng)中，火焰整流用于檢測火焰的存在。

4.1.3 逆變器

逆變器技術是將直流電轉換為交流電的一種技術，它可以將直流電轉換為純正的交流電，從而實現(xiàn)電力的控制和變換。逆變器技術不僅可以通過電池實現(xiàn)電力存儲，還可以應用于太陽能電池板、風力發(fā)電機等，從而實現(xiàn)可再生能源的利用。

隨著電力需求的不斷增長，可靠、高效、節(jié)能的電力轉換技術變得越來越重要。逆變器技術作為一種關鍵的電力轉換設備，已經成為家庭和商業(yè)領域中不可或缺的一部分。根據(jù)不同的應用場景和性能特點，逆變器分為多種類型。以下是常見的幾種類型。

*集中式逆變器：適用于大型光伏電站和風力發(fā)電站，具有高功率密度、高效率、高可靠性等特點。但是，集中式逆變器的成本較高，需要專業(yè)的維護和管理。

*組串式逆變器：適用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和小型風力發(fā)電站，可以串聯(lián)多個光伏電池板或風力發(fā)電機組。組串式逆變器具有高可靠性、低成本、易于維護和管理等優(yōu)點。

*并網式逆變器：適用于將直流電轉換為市電或工頻交流電，具有高效率、低成本、易于維護和管理等優(yōu)點。并網式逆變器可以與電網并聯(lián)運行，也可以在電網故障時作為備用電源使用。

*離網式逆變器：適用于獨立的電力需求，如偏遠地區(qū)、野外工作等。離網式逆變器具有獨立運行、高可靠性、低成本等優(yōu)點。

4.2 直流輸電技術

直流輸電，將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到受端交流電網的一種輸電方式。直流輸電技術是近年來出現(xiàn)的一種新的技術，它可以將電力以直流的形式輸送到長距離的地方。直流輸電技術可以使電力傳輸更加高效、節(jié)能、可靠和安全，是電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

高壓直流輸電技術作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要組成部分，在能源傳輸和電力供應方面發(fā)揮著重要作用。它通過采用直流電傳輸，具有較低的電阻損耗和電感損耗，能夠提高電力傳輸效率，并有效地降低能源損耗。

高壓直流輸電技術具有較強的穩(wěn)定性和控制能力。由于直流電的特性，高壓直流輸電系統(tǒng)對電壓和頻率的變化相對不敏感，能夠在較長的距離上穩(wěn)定地傳輸電能。此外，高壓直流輸電系統(tǒng)采用先進的控制技術，能夠實現(xiàn)對電流、電壓和功率的精確控制，以滿足電力系統(tǒng)的需求，并具備靈活調度能力。

高壓直流輸電技術還具備較小的電磁干擾和環(huán)境影響。相比于交流輸電，高壓直流輸電系統(tǒng)的電磁輻射較低，對周圍環(huán)境和設備的干擾相對較小。同時高壓直流輸電線路相對交流輸電線路來說較為簡潔，占地面積較小，對環(huán)境的破壞也相對較少，能夠更好地適應城市化和環(huán)保要求。

4.3 柔性輸電技術

柔性輸電技術是綜合了電力電子、電力系統(tǒng)、通信和控制等先進技術的一門交叉學科。柔性輸電技術能夠靈活和精準地調節(jié)電網潮流、電壓等，應用柔性輸電裝置，可以對輸電網按照設定的控制目標和策略進行。柔性輸電技術包括柔性交流輸電和柔性直流輸電等技術。

柔性交流輸電技術包括靜止無功補償器、可控串聯(lián)補償器、靜止同步無功補償器、靜止同步串聯(lián)補償器、統(tǒng)一潮流控制器、動態(tài)電壓恢復器、統(tǒng)一電能質量控制器等。這些技術通過在交流線路加入串聯(lián)或者并聯(lián)的電力電子裝備，從而增強交流電網的運行穩(wěn)定性，提升輸電系統(tǒng)的輸電能力，抑制系統(tǒng)振蕩，提高輸、配、用電的電能質量和效率。統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，簡稱UPFC）是柔性交流輸電技術的典型代表。UPFC的功能主要包括：控制線路潮流，獨立地控制線路有功與無功；提高系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性，提高輸送能力；調節(jié)系統(tǒng)運行電壓和無功平衡條件，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

柔性直流輸電是采用電壓源換流技術的直流輸電技術。在現(xiàn)有電網中使用柔性直流輸電系統(tǒng)，相當于在電網中接入了一個閥門和電源，它不僅可以有效控制通過的電能，隔離電網故障的擴散，而且還能根據(jù)電網需求，快速、靈活地發(fā)出或吸收一部分能量。柔性直流輸電技術主要包括柔性直流輸電、多端柔性直流輸電和直流電網等，能夠對相聯(lián)的交流系統(tǒng)提供電壓、電流、相角、無功等參數(shù)的調控功能，可以實現(xiàn)交流系統(tǒng)之間的非同步互聯(lián)，以及對傳輸電能的快速靈活調節(jié)和全面控制，且輸送距離和功率不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制。

4.4 電能質量控制技術

電能質量是指電能的電壓、電流和頻率等參數(shù)符合電力供應系統(tǒng)的規(guī)范要求。電能質量對于電力系統(tǒng)的正常運行和電器設備的可靠性有著重要影響。電力電子技術的普及應用能夠有效促進電能質量的提升[4]。電力電子技術通過控制電力中的諧波、電壓波動和電壓暫降等問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

電能質量控制技術研究能夠產生巨大的經濟和社會效益。它能夠改善電力系統(tǒng)電能質量水平，減少電力系統(tǒng)內部因電能質量問題產生的損耗，保證電力系統(tǒng)運行可靠性，提高電力系統(tǒng)在電力市場中的競爭力；能夠減少對精密電子設備的影響，使用戶能夠在最佳的供電條件下進行生產，保證產品質量，從而提高經濟效益；能夠促進與電能質量控制相關的電力電子新技術的發(fā)展。

4.5 電力控制技術

電力控制技術是指通過電力電子器件和控制系統(tǒng)對電力進行控制。電力控制技術廣泛應用于電網自動化、電力調度和能量管理等領域。它可以通過對電網的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)電力的合理分配和優(yōu)化利用，提高電力系統(tǒng)的安全性和經濟性。電力控制技術有以下幾種類型：

（1）開關控制技術：開關控制技術是最基本的電力控制技術之一。它通過控制電路中的開關元件（如繼電器、開關等）的開閉狀態(tài)來實現(xiàn)對電力的控制。開關控制技術廣泛應用于各種電氣設備和系統(tǒng)中，例如家用電器、工業(yè)自動化系統(tǒng)等。

（2）調速控制技術：調速控制技術用于控制電動機的轉速。通過調整電機的電壓、電流或頻率等參數(shù)，可以實現(xiàn)對電動機轉速的精確控制。調速控制技術在工業(yè)生產中廣泛應用，例如機械傳動系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)等。

（3）調光控制技術：調光控制技術用于控制照明設備的亮度。通過調整燈具的電壓、電流或頻率等參數(shù)，可以實現(xiàn)對照明亮度的調節(jié)。調光控制技術在建筑照明、舞臺照明等領域中得到廣泛應用。

（4）溫度控制技術：溫度控制技術用于控制溫度設備的溫度。通過控制加熱或冷卻設備的電力輸入，可以實現(xiàn)對溫度的精確控制。溫度控制技術在冷凍設備、恒溫設備等領域中得到廣泛應用。

4.6 智能電網技術

智能電網技術是利用現(xiàn)代電力電子技術、軟件技術、通信技術和自動化技術等，以構建一個智能化的電網為目標，實現(xiàn)電力的收集、傳輸、分配、使用等功能的一種技術。智能電網技術主要包括兩個方面，即智能電能計量與集成治理系統(tǒng)和智能供能技術系統(tǒng)。前者主要負責電能計量、需求預測、協(xié)調管理等，后者主要負責電力的穩(wěn)定輸出、解決電力暫態(tài)穩(wěn)定等問題。

智能電網的最終目標是建設成為覆蓋電力系統(tǒng)整個生產過程，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調度等多個環(huán)節(jié)的全景實時系統(tǒng)[5]。智能電網的實現(xiàn)需要借鑒現(xiàn)代化信息技術、通信技術、電力電子技術等無數(shù)技術手段，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的高效、可靠、可控和可調度。

5 總結

總之，電力電子技術已經成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它可以更好地適應電力系統(tǒng)的龐大和復雜，提高電力系統(tǒng)的質量、效率和可靠性，同時還能更好地滿足用戶的需求，為電力行業(yè)的發(fā)展注入新的活力。

參考文獻：

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