电力电子技术在电力系统中的应用及发展

电力电子技术在电力系统中的应用及发展摘要:随着计算机应用技术在电力系统中的不断发展和普及化，对于电力电子技术的重视程度也越发增加。面对我国电力系统的不断建设和庞大的用电量，电力电子技术为我国当代电力生产供应系统提供了良好的技术平台，为电力系统的发电、配电、输电功能给予了支持。关键词:电力电子技术；电力系统；应用及发展ApplicationandDevelopmentofPowerElectronicTechnologyinPowerSystemAbstract:Withthecontinuousdevelopmentandpopularizationofcomputerapplicationtechnologyinpowersystem,theimportanceofpowerelectronicstechnologyisincreasing.InthefaceofthecontinuousconstructionofChina'spowersystemandhugepowerconsumption,powerelectronictechnologyforChina'scontemporarypowerproductionandsupplysystemprovidesagoodtechnologyplatformforpowersystempowergeneration,distribution,transmissionfunctiontosupport.Keywords:powerelectronicstechnology;powersystem;applicationanddevelopment0前言电力电子技术是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科[1]。作为一门学科,其发展始于1956年贝尔实验室发明晶闸管,其后经历了上世纪六七十年代的整流器时代(工频),七八十年代的以0～100Hz的GTR、GTO为主角的变频调速、高压直流输出、静止或无功补偿等中低频范围应用的逆变器、变频器时代,至八九十年代以功率MOSFET和IGBT为代表,集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现,表明以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术已进入以高频技术处理问题为主的现代电力电子时代。电力电子技术是电工技术中的新技术,是电力与电子技术(强电和弱电技术)的融合,已在国民经济中发挥着巨大作用,对未来输电系统性能将产生巨大影响。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面,包括发电环节、输配电系统、储能系统等等[2]。1电力电子技术的发展进程众所周知，晶体管的出现标志着固态电子时代的到来，可以说晶闸管的诞生意味着电子技术将奔向更高的发展轨道。近几年，随着各种高端技术不断涌现，电力电子技术得到了发展，应用范围越来越广泛。回顾电力电子技术的发展历程，可以总结出电力电子技术经历了晶闸管时代、逆变时代和变频时代三个阶段。[3]首先是晶闸管时代，晶闸管时代也叫作晶闸管整流时代，在上世纪六十年代和七十年代中取得了较为优异的成绩。在当时主要是用过50HZ的交流发电机为工业生产提供大功率服务，而直流供电仅占一小部分。当代，我国诸多电厂为满足工业生产供电需求，急需将交流电转换成直流电，因此，大功率的晶闸管和硅整流器顺势而生，可以从根本上解决直流电的供电需求，从此便进入了晶闸管整流时代[4]。其次是逆变时代，在上世纪七十年代后，世界范围内出现了严重的能源危机，人们对节约能源越加关注，国家为缓解能源危机，制定了节能减排的发展战略，未响应国家号召，工业生产常使用交流电机。在此背景下，自关断器件得到开发和利用，随之进入电力电子技术的逆变时代。逆变就是将直流电转换成交流电，可以有效节约能源，提高工业生产效率，其中就包括GTO、GTR以及大功率逆变晶闸管。最后是变频器时代，在逆变时代中，虽然有效的将直流电转换成交流电，实现了电流的逆变的整流，但相对来讲，逆变的工作效率较低，无法满足工业生产的供电需求，继而在上世纪八十年代后期，为提高电力供电效率，集成电路应运而生。集成电路可以将高压大电流技术和经济加工技术完美融合，从此进入电力电子变频器时代，电力电子技术得到进一步发展。在此时期，电力电子器件所处的环境越加复杂，各器件的结构也随之越来越紧密，功能越来越强大，这也标志着电力电子技术未来应朝着高频化的方向发展。[5]2电力电子技术在电力系统中的应用2.1电力电子技术在发电环节中的应用电力电子技术在发电环节中的应用，主要体现在发电机组的励磁控制和变频调速上。在我国范围内乃至全球范围内的各个大型电厂发电机组中，运用的最为普遍的就是静止励磁系统，电力电子技术的发展，使电子技术取代了励磁控制中的励磁机环节，使静止励磁实现了简单的控制构造和高性能低成本的运作。[6]同时由于电子技术代替了励磁机的环节，使静止励磁能够对自身进行迅速有效的调节，提高电力系统的运作效率。其次，电子技术也普遍应用在电厂发电机组的变速恒频励磁上。由于在水力发电中，水源头的压力和单位时间内水力的流动量对水力发电的效率产生着影响，水力发电机组的运转速度也在随着水力的压力和流动量不断变化。同样的道理也发生在风力发电和活力发电当中。因此，对发电机组转动的励磁电流频率进行调整，使发电机组的电流频率同转速通过电子技术达到一致，保证发电机组实现最大功效的运作，变速恒频励磁技术就是其中的代表。同时，电子技术也应用于电厂的风机水泵的变频调速上和太阳能发电控制机组的控制系统中。在电厂的电力生产过程中，由于发动机组等设备对于发电量的损耗相对较大，考虑电力生产中节约能源的要求。在高压电和低压电的转换过程中，使用风机水泵变频机替代原有的变频器，改变电能转换过程中耗能大效率低的问题。这一技术还在不断完善和摸索中，还需要电力研究工作者不断的努力和创新。[7]而在太阳能发电的控制系统中，电子技术的作用尤为突出，太阳能作为21世纪被广泛重视的新型能源，发展太阳能发电产业是整个国家乃至全世界的战略目标。然而由于太阳能发电本身的功率过大，在使用太阳能发电机组发电的时候，需要将生产出来的电能进行转换，这个时候就需要大功率的电流转换器。而电子技术能够很好的解决这一问题。2.2电力电子技术在输电线路中的应用电力电子技术在输电线路中的应用主要体现在柔性交流电技术、高压直流电技术以及静止无功补偿器等上。（1）柔性交流输电技术[8]柔性交流输电技术（FACTS）产生于上世纪的80年代，主要以柔性的交流输电设备为表现方式广泛应用于输电线路中。在电力的输送过程中，由于传统电力功率的控制方法过于粗糙，无法实现在输电过程中对于电能的调整，使输电过程中产生大量的电力损耗和高昂的输送成本。而柔性交流输电技术的主要内容是在输电线路的重要部位使用电力电子控制装置，对输电系统中的各项参数进行适时的控制，以实现输送过程中电能功率的合理分配，降低输电过程中的输送成本和电能消耗，大幅度的提高电力系统的稳定性和可靠性。（2）高压直流输电技术高压直流输电技术在输电系统中的主要实现是以晶闸管为代表的。晶闸管是电力电子技术发展的一个重要发明，自从晶闸管产生并被尝试应用于直流电的输电系统上，晶闸管换流阀就一直应用于输电系统中的直流电输送中。在这之后又出现了具有可操作的电力输送控制器，例如GTO、IGBT等等，可操作的电力系统输送设备为电流的转换过程减少了交直转换变压器的使用，为电厂的电能生产减少了生产成本，加强了电流交换设备在电力系统中的竞争力。（3）静止无功补偿器静止无功补偿器（SVC）在上世纪70年代被广泛使用电力系统之中，静止无功补偿器在电力系统中被广泛应用于负荷补偿和输电线路补偿当中，在大功率的输电网络中，静止无功补偿器主要起到的是控制电压的作用，也用于提高系统的稳定性和阻尼等。[9]静止无功补偿器的设计不包含旋转部件，它不使用大容量的电容器，所需要的无功功率通过电感器来获得，静止无功补偿器通过对电抗器进行迅速的调控，能够实现发出无功功率到吸收无功功率的平滑转变，特别适用于中高压输电线路中的无功补偿工作。2.3电力电子技术在配电过程中的应用要使配电系统能够配送出高质量的电力资源，需要在配电过程中满足配电频率、电压以及在谐波上满足相应的条件，同时，在配电过程中需要阻止电能的各种不稳定的波动和影响。这个过程中，电力电子技术作为配电环节的质量控制部分，以用户电力技术和FACTS技术为实现形式。FACTS技术在前文已经提及，它是通过在配电线路中增设电力电子装置，加强对与电压，电流和功率的可控性，调控电力传输能力的技术。用户电力技术解决的是配电系统中既时发生的需要马上解决的重要问题，主要复负责配电系统在配电过程中的安全性和稳定性，用于保证配电输电过程中，电力能源的质量。[10]而FACTS技术则更为倾向于配电系统中对于电能的输送能力和有效控制力。FACTS技术和用户电力技术都是针对配电系统开发出的新型电力电子技术，两者的构造和工作原理大致上相同，随着电子技术的不断发展，在近些年，FACTS技术和用户电力技术在一定程度上已经逐步同步并合用，其中比较具有代表性的就是定制电力（DFACTS）技术。2.4电力电子技术在电力系统节能方面的应用电子技术在电力系统节能方面的应用主要体现在两个方面，分别是：变负荷电动机调速运行方面和提高电能使用率方面。电厂生产电能和配送电过程中，常常产生大量的电能浪费。上文已述，电厂在生产电能的过程中，由于发电能源的变化，发电机组不能够很好的实现配合，会产生无功功率的浪费现象。通过对变负荷电动机的运转速度进行调整和控制，能够实现电能的良好生产和配用。这项技术在国外已经比较成熟，但是我国仍然处在研究和探索的阶段。但是，变负荷电动机在实际的应用中也存在不可忽视的缺陷，变负荷电动机在控制和调控运转速度方面适用的发电机组较为广泛，在实际运行中的工作效率也十分准确。但是变负荷电动机的生产和配置成本较高，而且在工作过程中对电网的影响较大，只适用于中大型电厂。[11]同时，我国电力系统现用的电力设备，在配送电的过程中，对于电能的损耗和生产的成本较高，对于电能的质量影响较大。而电子技术能够通过在配送电系统中增设可控设备，对配送电过程中的电能进行调控，保证电能的质量和稳定。3总结电力电子技术在电力系统中的应用和发展对于电力系统的建设和发展起到了里程碑的作用。随着计算机技术和电力技术的不断发展，电力电子技术也在不断的吸收新的技术不断的发展。然而，作为一种处在发展过程中的电力控制技术。电力电子技术在电力系统中的应用和稳定性还远远不能够达到电力电子技术的设计要求。如何实现电力电子技术在电力系统中应当起到的控制作用，我们要从电子设备的革新和电力电子技术的不断发展上谋求出路，不断的探索和发展电力电子技术对于提高电力的生产质量，减少生产成本和配送损耗，实现电力系统的经济效益，有着重要的意义。参考文献[1]MatsunoK.AnexperienceofFACTSdevelopment1980sand1990s[C].TransmissionandDistributionComferenceandExhibition2002:AsiaPacificIEEE/PESVol.2.[s.l.],2002:1378-1381.[2]HammonsTJ.RoleofHVDCtransmissioninfutureenergydevelopment[J].IEEEPowerEngineeringReview,2000,10(5):857-859.[3]王芳.电力电子技术在电气工程中的应用[J].电子世界,2017,(14):51+53.[4]熊民敏.浅谈计算机科学的现状与发展趋势[J].科技创新与应用,2015(16):96.[5]李伟,林丽,向超.电力电子技术在电力系统中应用[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2015,(03):119-120.[6]R.Randoll,W.Wondrak,A.Schletz.Lifetimeandmanufacturabilityof