談電力電子技術(shù)應(yīng)用展望

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關(guān)鍵詞：電力電子，靜止勵(lì)磁，變頻調(diào)速，直流輸電

1電力電子技術(shù)在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

靜止勵(lì)磁與其他類(lèi)型的勵(lì)磁相比，具有實(shí)際構(gòu)建成本低、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，并通過(guò)與晶閘管整流自并勵(lì)的方式相結(jié)合，是當(dāng)前我國(guó)最為主要、最為常見(jiàn)的大型發(fā)電機(jī)控制方式。近幾年，我國(guó)的電力電子技術(shù)在電力傳輸過(guò)程中的發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用廣泛，尤其是靜止勵(lì)磁控制，常見(jiàn)于大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中。大型發(fā)電機(jī)在發(fā)電的過(guò)程中，一般采用靜止勵(lì)磁控制的控制方法促進(jìn)發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地發(fā)電，同時(shí)還提高了大型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。而且在實(shí)際的發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，大型發(fā)電機(jī)憑借先進(jìn)的電力電子技術(shù)，促使晶閘管的并勵(lì)和整流過(guò)程得到全面的控制，使得勵(lì)磁機(jī)不再是發(fā)電系統(tǒng)中的必要部件，電力電子技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了大型發(fā)電機(jī)中對(duì)于靜止勵(lì)磁的嚴(yán)格控制[1]。

1.2水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水力發(fā)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行需要電力電子技術(shù)作為基本的技術(shù)支撐，利用變速橫頻勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率的高穩(wěn)定性，避免了不合理、不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子調(diào)速造成的發(fā)電效率低下等問(wèn)題。

1.3發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速

目前國(guó)內(nèi)發(fā)電廠使用的發(fā)電機(jī)水泵耗電量高但是運(yùn)行效率低，數(shù)據(jù)表明水泵耗電量約等于0.65倍的火電設(shè)備耗電量，但是廠用電率平均值僅僅只有8%，能源的消耗量與需求量大。為了解決這一問(wèn)題，常常采用低頻變壓器、高頻變壓器展開(kāi)風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，使得風(fēng)機(jī)水泵可以根據(jù)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)需求及時(shí)調(diào)整自我運(yùn)行頻率，風(fēng)機(jī)水泵的使用頻率較高時(shí)，為了運(yùn)行效率最大化，可以適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行頻率，而風(fēng)機(jī)水泵的使用頻率較低時(shí)，為了減少能源的不合理消耗，可以適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行頻率。實(shí)驗(yàn)表明，高頻變壓器的變頻調(diào)速效率要明顯優(yōu)于低頻變壓器的變頻調(diào)速效率。

2電力電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

輸電環(huán)節(jié)主要是指電能輸送至用戶的通道，在這一過(guò)程中，由于輸電線路有可能會(huì)與客戶直接接觸，因此，客戶最為重視的還是輸送過(guò)程的安全問(wèn)題[2]。為了保障客戶的人身安全，一些電力企業(yè)實(shí)施了相應(yīng)的電力輸送安全防護(hù)技術(shù)，防止部分導(dǎo)體或者阻礙傳輸?shù)奈矬w與電力能源的直接接觸，能夠短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸電過(guò)程的安全性要求。但是，安全防護(hù)技術(shù)不得不利用硬件設(shè)備進(jìn)行安全保障，硬件設(shè)備的使用壽命與故障頻率直接影響了安全防護(hù)效果，工作人員可以利用電力電子技術(shù)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握設(shè)備的具體狀況，在發(fā)生異樣的第一時(shí)間解決問(wèn)題。除了監(jiān)測(cè)安全防護(hù)技術(shù)中的硬件設(shè)備安全性之外，電力電子技術(shù)還可以對(duì)直流輸電、交流輸電過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，直流輸電技術(shù)的輸電穩(wěn)定性強(qiáng)、輸送電量大，而柔性交流輸電技術(shù)能夠快速控制輸電過(guò)程中的相位、電壓等。

2.1直流輸電技術(shù)

直流傳輸輸電技術(shù)相比于交流輸電技術(shù)更具備技術(shù)的先進(jìn)性。（1）直流輸電技術(shù)的線路走廊較為狹窄，交流輸電技術(shù)至少需要采用三根線路才可以完成電力的正常運(yùn)輸，而直流架空線路僅僅需要兩條線路就可以達(dá)到高效電能運(yùn)輸?shù)哪康?，線路的減少在一定程度上降低了施工成本。（2）在導(dǎo)線橫截面積與電壓相等的前提下，直流輸電技術(shù)的運(yùn)輸極限功率更大。（3）直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)連接上具有高適配性，可以連入不同頻率的電網(wǎng)。如中國(guó)大陸地區(qū)可以利用換流站來(lái)將中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)60Hz的電網(wǎng)與我國(guó)大陸的電網(wǎng)相連。直流輸電技術(shù)和交流輸電技術(shù)都是重要的輸電方式，但是在輸電距離長(zhǎng)、輸電容量大的情況下，輸電效率會(huì)由于大量的輸電損耗而下降，這給遠(yuǎn)程輸電工程帶來(lái)了很大的困難。直流輸電技術(shù)在電力電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的、大容量的電力傳輸。

2.2交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)主要用于提高電網(wǎng)輸送能力和改善電網(wǎng)運(yùn)輸性能。直流輸電技術(shù)和柔性交流輸電技術(shù)都在實(shí)際應(yīng)用中利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電能的低損耗與更高的傳輸效率，柔性交流輸電技術(shù)有效利用了電力電子技術(shù)，將SVC等控制器投入輸電網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)對(duì)輸電系統(tǒng)電壓、阻抗等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、控制，補(bǔ)償了輸電過(guò)程中的輸電損耗，防止由于系統(tǒng)電壓降低造成的區(qū)域性停電。這種補(bǔ)償方式與傳統(tǒng)并聯(lián)的電容補(bǔ)償方式相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3電力電子技術(shù)在電力配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前的配電環(huán)節(jié)中，配電系統(tǒng)仍然存在很多技術(shù)問(wèn)題。一方面，電能損耗較大，無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)高效率配電的需求，致使電力系統(tǒng)的輸電效率低下，另一方面，配電系統(tǒng)提供的電能質(zhì)量不高，經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)與干擾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)企業(yè)需要的特定的頻率、電壓的電能。因此，實(shí)現(xiàn)配電過(guò)程的高穩(wěn)定性與低損耗性是電力系統(tǒng)中的配電環(huán)節(jié)急需解決的問(wèn)題。面對(duì)這一問(wèn)題，電力電子技術(shù)提供了有效的解決思路。設(shè)計(jì)者往往利用變換技術(shù)與變壓設(shè)備，提高配電系統(tǒng)實(shí)效性，電力電子變壓器在傳送分配電能過(guò)程中，可以對(duì)電能實(shí)施及時(shí)的轉(zhuǎn)化與控制以及對(duì)電網(wǎng)諧波的動(dòng)態(tài)控制，調(diào)節(jié)過(guò)程是依據(jù)電力需求進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的，抑制了輸電效率的降低，有效解決了配電系統(tǒng)電能質(zhì)量不高、傳輸不穩(wěn)定、輸電功率低下的問(wèn)題。

4電力電子技術(shù)在電力節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行

泵類(lèi)變負(fù)荷機(jī)械往往是將傳統(tǒng)的節(jié)流閥控制水流量轉(zhuǎn)化為調(diào)速控制水流量，風(fēng)機(jī)變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)是將傳統(tǒng)的擋風(fēng)板控制風(fēng)流量轉(zhuǎn)化為調(diào)速控制風(fēng)流量。而在電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行上，利用電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)荷機(jī)械的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行需求與運(yùn)行條件的綜合判斷，改變運(yùn)行頻率，進(jìn)而控制水流量或者風(fēng)流量，保障風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)機(jī)械的能源利用率最大化，減少非必要的能源消耗。

4.2減少無(wú)功損耗，提高電能使用率

交流異步電動(dòng)機(jī)與變壓器一般是屬于感性負(fù)載的器件，在進(jìn)行電力傳輸過(guò)程中，兩者都是同時(shí)對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行消耗，進(jìn)而維持電力系統(tǒng)中的做功平衡，否則將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓的雙重降低。目前的電力系統(tǒng)仍然存在無(wú)功損耗過(guò)量，使得電機(jī)運(yùn)行效率急劇下降的問(wèn)題，急需工程師解決。而近幾年的電力系統(tǒng)研究中，設(shè)計(jì)者常常將這一問(wèn)題的解決方案與電力電子技術(shù)的應(yīng)用相結(jié)合。設(shè)計(jì)者利用電力電子技術(shù)對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行方式與變速運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)、優(yōu)化，大大降低了無(wú)功損耗。由此可見(jiàn)，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中起到設(shè)備運(yùn)行頻率與運(yùn)行方式的控制作用，解決了目前感性負(fù)載存在的核心科技難題。

5結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、節(jié)能環(huán)節(jié)都有有效的應(yīng)用。在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用：（1）大型發(fā)電機(jī)在發(fā)電的過(guò)程中，一般采用靜止勵(lì)磁控制的控制方法促進(jìn)發(fā)電機(jī)平穩(wěn)地發(fā)電，同時(shí)還提高了大型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。（2）利用變速橫頻勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率的高穩(wěn)定性，避免了不合理、不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子調(diào)速造成的發(fā)電效率低下等問(wèn)題。（3）是采用低頻變壓器、高頻變壓器展開(kāi)風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，使得風(fēng)機(jī)水泵可以根據(jù)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)需求及時(shí)調(diào)整自我運(yùn)行頻率。在輸電環(huán)節(jié)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在交流和直流輸電技術(shù)上，兩者都通過(guò)對(duì)輸電系統(tǒng)電壓、阻抗等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、控制，補(bǔ)償了輸電過(guò)程中的輸電損耗。配電環(huán)節(jié)中，主要是利用變換技術(shù)與變壓設(shè)備，提高配電系統(tǒng)實(shí)效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能實(shí)施及時(shí)的轉(zhuǎn)化與控制以及對(duì)電網(wǎng)諧波的動(dòng)態(tài)控制。電力電子技術(shù)主要在兩個(gè)方面應(yīng)用于電力系統(tǒng)的節(jié)能：（1）變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行；（2）減少無(wú)功損耗、提高電能使用率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)荷機(jī)械的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，根據(jù)客戶需求改變運(yùn)行頻率，最終實(shí)現(xiàn)水流量或者風(fēng)流量實(shí)時(shí)控制，保障風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)機(jī)械的能源利用率最大化，減少額外能源的消耗。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要性，從實(shí)際的客戶需求出發(fā)，創(chuàng)新電力電子技術(shù)，解決電力系統(tǒng)中的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]史文秀.基于分岔理論的直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究[D].山東:山東科技大學(xué),2017.

[2]劉玉瑩.含分布式電源的配電網(wǎng)故障恢復(fù)研究[D].山東:山東科技大學(xué),2017.

作者：劉恒志 單位：山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院