电力电子技术在电力系统开发方面的应用

1.电力电子技术电力系统开发方面的应用

自上世纪八十年代以来，柔性交流输送电力能源的概念被提出之后，电力电子技术在我国电力系统中的应用研究被广泛提升到了一定高度，各种极具电力电子技术特色的电力设备相继被研发出来。目前，已经有不少关于这方面设备基本原理及应用现状的研究资料，极大地推广了电力系统开发方面的应用范围。以下就谈及此方面的一些内容：

1.1 在电力系统发电环节中的应用

电力系统发电环节一般涉及各种发电机组设备，而电力电子技术的应用主要以改善这些电力设备的运行状况为目的。根据实践表明，大型发电机、水力或风力发电机在应用方面极其出色。①大型发电机的静止励磁控制可采用晶闸管整流自并励的方式达到这一目的，其明显的优势在于结构简单、可靠性高及造价低等，因此已被世界各国广泛应用且效果良好。究其原理可以看出由于大型发电机在发电过程中省掉了励磁机这个中间惯性环节，促使发电机运行具有了自身特有的快速性调节功能，这样一来大型发电机能够充分发挥其发电功能，并且在控制规律上也产生了良好的效果。②水力和风力发电机可通过电力电子技术控制器变速恒频励磁，水利发电机的有效功率主要由水头压力和流量大小决定，水头压力变化越大，水利发电机组的最佳转速也随之变化。而风力发电的有效功率则于风速的三次方成正比例关系，风力发电机组在捕捉到最大风能时的转速随风速大小变化，为了能够使得风力发电机组的有效功率成最优化的正比例关系，采用以变频电源为核心技术的电力电子控制系统对机组转子的励磁电流频率进行适宜调整，使其与转子转速叠加后能够保持定子频率即可输出恒定频率。

1.2 在电力系统输电环节中的应用

通常，被称为“硅片引起的第二次革命”就是指将电力电子器件应用于高压输电系统中的改革过程，其主要的应用效果是大幅度地改善电力系统网的稳定运行状况。

(一)HVDC和HVDC Light两项技术的应用

HVDC(Light)技术，即(轻型)直流输电技术。直流输电技术具有电容量大、稳定性好和控制调节灵活等明显特点，尤其是对于我国远距离输电、海堤电缆输电及不同频率系统的联网功能具有划时代的意义。值得一提的是，此项技术是由1970年世界上第一项晶闸管换流器研发应用开启的，也标志着世界电力电子技术正式被应用于直流输电工程。自此以后世界各国都将采用晶闸管换流阀作为新建直流输电工程的主要办法。

(二)FACTS技术(柔性交流输电技术)则是于上世纪八十年代被提出最终概念的，它是将电力电子技术与现代控制技术对交流输电工程系统的阻抗、电压及相位加强调节输电技术，最终实现对交流输电功率的灵活控制，并大幅地提高电力系统的稳定运行水平。FACTS技术具有设备结构简单、控制方便和成本较低等优点，因此应用范围极广。

1.3 在电力系统配电环节中的应用

电力系统配电环境亟待解决的问题是怎样加强供、用电的安全可靠性和质量标准，电力能源的质量标准控制即是满足对电能电压、频率、谐波和不对称度的要求，同时减少各种瞬态波动和干扰。电力电子即是和现代控制技术的结合应用便是在电力系统配电环节中极力推广DFACTS 技术。DFACTS 技术是基于如FACTS 技术等各项基础技术发展起来的电力能源质量控制的新技术。狭义层面上讲，DFACTS 技术是FACTS 技术的精简版，其技术原理、电力设备和应用功能均相同，但是开发投入和生产成本相对较低的特点更切合于目前我国潜在需求巨大的市场。伴随着我国电力市场中电力电子器件的成本价格越来越来的状况，可以预见此项技术将很快进入到成熟期并继续高速发生。

1.4 在电力系统节能环节的应用

变负荷电动机的调速运行

电动机在其自身挖掘节能潜力过程中，可通过电力电子技术对负荷电动机调节速度达到节电效果。在目前，电动机交流调速在冶金、矿山等工业部门中还是得到了广泛的应用与发展。其通用的节能应用措施是在风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量，取得效果良好。此项技术的应用具有的有点在于调速范围广、精度高、效率高和能实现连续无级调速等，但是明显的缺点是成本高，产生高次谐波会污染电网系统。

1.5减少无功损耗，提高功率因数

在电力系统电气设备中，变压器和交流异步电动机等均属感性负载，设备在运行过程中会大量消耗有功功率和无功功率。因为无功电源与有功电源都是保证电能质量不可或缺的组成部分。因此，在电力系统中应尽量保持无功平衡，避免电力系统电压降低、设备损坏、功率因数下降等问题，严重者则容易引起电压崩溃和系统解裂导致大面积用户停电的事故。鉴于此，在电力系统或电气设备无功容量不足时，需增装无功补偿设备以提高电气设备的功率因素。

2.电力电子技术电力系统开发方面的发展趋势

近些年来，伴随着我国计算机技术、控制技术和通信技术的迅猛发展，现代的电力系统已经发展成为一种以计算机技术、控制技术、通信技术、电力装备和电力电子技术为主要组成部分的综合体，即“CCCP”。电力系统信息量逐日增大提高了对自动化处理信息能力的要求，电力电子电力系统的开发需要考虑的因素越来越多，内涵不断深入、外延不断拓展、可直接可观可测的范围也越来越广，也为我国在这一方面的的开发与发展迎来了绝好的契机。

当今，我国在电力电子技术在电力系统应用开发方面的发展正逐步趋向于在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展;在设计分析上日益要求面对多机系统模型来处理问题;在理论工具上越来越多地借助于现代控制理论;在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用;在研究人员的构成上需要多“兵种”的联合作战等。

电力系统应用电力电子技术实现智能控制是基于过去四十多年来实践经验总结与研究，主要分为三个阶段来实现：第一阶段是基于传递函数的单输入和单输出;第二阶段是线性最优控制、非线性控制及多机系统协调控制;第三阶段则是智能控制。智能电力控制一般能够遇到的技术困难包括：

(1)具有强非线性的、变参数和全动态;

(2)具有多目标寻优和在多种运行方式及故障方式下的鲁棒性要求;

(3)不仅需要本地不同控制器之间的协调作用，也需要异地不同控制器之间间协调控制。

电力系统实现智能化控制是从稳态或准稳态控制向动态控制发展的必然趋势，实现智能动态控制即是我国电力系统实现完整控制时代来临的标志。

3.结束语

综上所述，在伴随我国计算机技术、控制技术及通信技术的发展过程中，电力系统亦需要进行更新换代。电力电子技术在电力系统中的应用将是逐步实现技术水平提高和推动社会经济发展迈出的重要一步。